공구강은 예외적으로 단단하고, 인성이 강하거나, 내마모성이 뛰어난 합금들입니다. 그 특성은 화학 조성과 생산 공정 양쪽에서 나옵니다. 이름에서 알 수 있듯 이 강철들은 절단, 연삭, 드릴링, 펀칭, 타격 등 힘든 작업을 수행할 준비가 되어 있습니다. 공구강은 용도에 맞는 적절한 물성을 가져야 합니다. 예: 드릴 비트와 펀치 각각 경도와 내마모성이 필요합니다. 하지만 펀치는 더 많은 충격을 받고, 드릴 비트는 더 많은 전단력을 겪습니다. 엔지니어와 야금학자는 공구 용도에 따라 공구강 종류를 선택합니다.
공구강은 모두 탄화물을 생성하는 합금 원소를 가집니다. 탄화물은 금속과 탄소를 포함한 조밀하게 쌓인 금속 격자로, 내화물질(refractory material)로 압력, 화학, 열 하에서 분해에 강합니다.
공구강을 만드는 건 화학뿐만이 아닙니다. 공구강은 정밀하게 제어된 열처리와 퀜칭으로 경도를 얻습니다.
퀜칭(Quenching)은 강철의 미세구조를 변화시켜 경화시키는 공정입니다.
먼저 강철을 가열합니다. 강철 합금은 믹스의 탄소량에 따라 다른 온도로 가열됩니다. 철과 탄소는 분자들이 다른 형태를 취하는 여러 '상(phases)'을 거치며, 이 상들은 전체 화학 조성에 의존합니다.
적절한 열에 도달해 유지되면, 합금은 훨씬 더 차가운 기체나 액체에 노출되어 퀜칭(급속 냉각)됩니다. 이 퀜칭이 금속을 급속 동결시킵니다. 금속이 이처럼 충격 동결되면 많은 미세 결정 입자가 동시에 얼기 시작하며 각 입자와 사이에 큰 변위가 생깁니다. 아주 느린 냉각에서는 입자가 시간에 따라 천천히 큰 원형 블룸으로 식습니다. 느리게 식힌 금속 입자는 충격 시 서로 미끄러지며 금속에 덴트를 내지만 부러뜨리진 않습니다. 충격 동결은 분자 구조가 충격 시 움직일 여지를 줄여 더 단단하게, 덴트 안 나게 만듭니다. 이 구조의 금속 격자를 마르텐사이트라 부르며, 마르텐사이트의 충격받은 들쭉날쭉한 분자 구조가 퀜칭 금속의 특징적 경도를 줍니다.
수중 퀜칭이 가장 빠른 퀜칭 방식이고, 공랭 퀜칭이 가장 느립니다. 합금이 뭘 견딜 수 있는지는 화학 조성에 달렸습니다. 일부 합금은 너무 빨리 식으면 균열이나 변형이 생기지만 더 부드러운 공랭에서 잘 경화됩니다. 다른 합금은 물처럼 큰 온도 변화로 충격받지 않으면 단단한 마르텐사이트 층을 만들지 못합니다.
공구강에는 여섯 가지 큰 범주가 있습니다. 가장 흔한 네 가지는 수경화, 냉간 가공, 열간 가공, 고속 공구강입니다. 특수 용도로 충격 저항과 특수 목적 공구강도 쓰입니다.
이 그룹 공구강은 본질적으로 열처리된 탄소강입니다. 탄소 0.5~1.5% 함유. 다른 합금 원소가 각기 다른 특성을 위해 존재할 수 있지만, 일반적으로 0.5% 미만입니다. 니켈, 텅스텐, 몰리브덴 같은 이 금속들은 비쌉니다. 값비싼 금속을 덜 써서 경작업 용도에 가치를 제공합니다.
이 그룹 강철들은 단단한 외부 층을 얻기 위해 수중 퀜칭의 극한 충격이 필요합니다. 경작업 공구, 스프링 같은 작은 부품, 작은 패스너가 최종 제품일 가능성이 높습니다. W계열 강철은 다른 공구강보다 약간 더 취성이라 극한 환경에 쓰면 안 됩니다. 균열에 더 취약하며 연속 302°F(150°C)까지만 견딥니다.
냉간 가공 공구강은 '차가운' 온도에서 쓰도록 만들어졌습니다. 단단하고 인성이 강하며 내마모성이지만 뜨거운 환경에선 아닙니다. 차가운 소재 절단이 뜨거운 소재 절단보다 더 큰 힘을 필요로 하므로, 냉간 가공 공구강엔 압축 강도가 필수입니다.
여기서 '차가움'은 금속공이 스웨터 입을 시간이라는 뜻이 아닙니다. 392°F(200°C) 이하가 이 공구들의 차가운 작업 환경으로 간주됩니다. 많은 강철과 달리 흑연이 냉간 가공 강철에 종종 형성됩니다. 이 흑연이 많은 합금들을 가공 가능하게 만듭니다: 흑연이 윤활제 역할을 합니다.
냉간 가공 공구강의 하위 분류:
열간 가공 공구강은 모두 더 높은 비율의 합금 원소를 가져 더 많은 탄화물을 만들고 더 뜨거운 작업 온도를 견딥니다. 열간 가공 공구강은 1004°F(540°C)까지 작업 가능. 그룹 전체적으로 탄소 비율이 낮은 편, 0.6% 미만.
열간 가공 공구강은 금속, 유리 같은 가단성 뜨거운 소재를 다루는 고온 제조에 자주 쓰입니다. 다이, 스탬프, 압출기, 압축기 등이 열간 가공 강철로 만들어질 수 있습니다. 공구는 장시간 열 노출에서도 계속 기능해야 합니다.
주 합금 원소(크롬, 텅스텐, 몰리브덴)에 따라 열간 가공 공구강은 세 가지 주요 유형으로 나뉩니다. 일부는 크롬과 텅스텐이 둘 다 높아 제조사에 따라 텅스텐이나 크롬으로 분류되기도 합니다. 주 합금 원소가 강철 내 탄화물 종류를 결정하며, 각 탄화물은 다른 이점을 제공합니다.
열간 가공 공구강 하위 분류:
현대 생산 공정은 이 공구강 계급 발명 덕분에 부분적으로 가능해졌습니다. 고속으로 도는 절삭 공구와 머신 비트는 마찰로 뜨거워집니다. 고속 소재 혁신으로 기계공들이 생산 속도를 높일 수 있게 되었습니다.
1900년 파리 박람회에서 고속 공구강이 데뷔했습니다. 마찰로 절삭 날이 붉게 달아올라 빛나는데도 계속 작동하는 걸 본 제조업체 군중이 숨을 삼켰습니다. 1890년대 절삭 속도가 분당 5~30피트였다면, 1905년엔 분당 150피트로 움직이는 기계들이 나왔습니다.
고속 공구강은 텅스텐 14~18%, 크롬 3~5%, 탄소 0.6%, 용도에 따른 기타 원소를 함유합니다.
S 그룹 충격 저항 공구강은 매우 강하며, 높은 충격 저항성을 갖도록 만들어졌습니다. 그 강도가 공구 표면이나 '충격받은' 층에만 있는 게 아닙니다. 스프링, 치즐, 스탬핑 다이, 펀치에 쓰일 수 있습니다. 이 그룹 합금들은 다른 공구강에서도 보이는 많은 합금 원소를 종종 가집니다. 하지만 실리콘이 0.15~3% 범위로 이 계열 강철에 존재합니다.
이 그룹은 '특이한' 합금들이 모이는 곳입니다. 특정 용도에 쓰이며 특정 제조사를 위해 야금학자가 만들기도 합니다. 이 그룹엔 저합금, 고철 강철이 포함돼 다른 모든 합금 원소를 최소한만 씁니다. 저렴한 W강과 가장 비슷하며 역시 수중 퀜칭됩니다. 다른 원소의 미세 첨가로 기계적 특성은 높이되 비용은 낮춥니다. 저탄소 '금형' 강철도 이 특수 목적 합금 그룹에 속합니다. 열내성과 내마모성이 필요하지만 높은 충격 저항은 필요 없는 열가소성 성형에 쓰입니다.
산업 기계 설계나 산업·제조용 기계 구매 시 사용되는 공구강 종류는 중요하며 엔지니어가 지정해야 합니다.
개인이 수공구 살 때 알아야 할 건 다릅니다. 수공구 제조사는 종종 '경화강'을 제공하고, 공구 용도에 따라 강철을 선택합니다. 하지만 어떤 등급 강철을 쓰는지 각 공구 제조사의 업계 비밀로 남아있는 경우가 많습니다. 제조사들은 부품별로 가치와 작업 응력의 균형을 맞춥니다. 공구 선택 최선은 합금 자체를 걱정하기보다 해당 분야 전문가, 친구, 온라인 리뷰 추천을 받는 것입니다. 제조사가 야금학적 역량이 있고 코너를 깎지 않는다면, 수공구 설계가 합금보다 더 중요해집니다.
대장장이, 주조사, 기타 야금학자들은 가정 취미 수준에서도 더 궁금해할 겁니다. 이들 그룹의 자료와 포럼을 찾아보면 뭘 기대할 수 있고 어떤 금속 종류가 최선일지 풍부한 정보를 얻을 수 있습니다.
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304, 316은 가장 흔한 스테인리스강 양대 그레이드. 둘 다 크롬·니켈 풍부해 내열·내마모·내식성 우수. 하지만 육안 구별 불가. 소재시험성적서(MTR)나 XRF 분광분석으로만 검증 가능. 유사해 보여도 고유 특성 차이가 품질·수명 가름. 용도별 최적 선택 필수. 304 vs 316 물리·화학·기계·가공 특성 비교와 이상적 용도 정리. 기본 물성 비교 물리적 특성 304316 녹는점1450℃1400℃ 밀도8.00 g/cm³8.00 g/cm³ 열팽창계수17.2×10⁻⁶/K15.9×10⁻⁶/K 탄성계수193 GPa193
스테인리스 스틸 소개 스테인리스 스틸 용접 전 소재 개요부터. 스테인리스강은 조성 내 크롬 덕분에 일부 환경에서 녹과 부식에 저항하는 철기계 소재 클래스입니다. 크롬이 소재 표면에 단단하고 불침투적인 산화크롬 층을 형성해 녹과 부식에서 표면 보호. 스테인리스강은 다양한 소재를 아우르는 표현으로, 구매 등 실무에 쓸 수 있는 특정 금속 식별 기술 용어는 아님을 유의. 3대 클래스 스테인리스강 3대 클래스(오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트)는 금속조직 구조 참조로 표시. 더 구체적으론 현미경이나 X선 회절로 보이는 미세조직 외관 참
