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금형강 합금

금형강은 공구강의 한 종류로, 냉간 금형강, 열간 금형강, 플라스틱 금형강 등 다양한 성형 도구 제작에 사용됩니다.

금형강 제조에 사용되는 원소는 무엇인가?

  • 주요 합금 원소: 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 바나듐(V), 코발트(Co)
  • 기타 미량 합금 원소: 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 구리(Cu), 알루미늄(Al)
  • 비금속 원소: 질소(N)와 붕소(B)

각종 합금 원소가 금형 재료에 미치는 영향

1.탄소 (Carbon)
주요 합금 원소로서 경화 성능과 내마모성을 증가시킵니다. 다른 합금 원소와 함께 경화 처리 시 오스테나이트화 후 고용체 고화되어 탄화물을 형성합니다. 탄소 함량이 높은 합금은 강철 주조 시 편석 가능성이 증가하여 탄화물이 거칠어지고, 이는 인성, 연신성, 기계 절삭성 및 용접성에 부정적인 영향을 미칩니다.

2.규소 (Si – Silicon)
장점: 경화 능력 강화, 내마모성 증가, 탄성 한계 향상
단점: 전도성, 인성, 열전도성 및 폴리싱성 저하

3.망간 (Mn – Manganese)
장점: 제련 시 산소 제거 효과, 황과 쉽게 결합하여 황화망간 형성, 절삭성 향상에 기여하며 항복점과 인장 강도 증가에 도움을 줌

4.인 (P – Phosphorus)
단점: 강괴 고화 과정에서 조대 편석과 단조 후 응력 풀림 시 2차 편석을 초래하여 재료의 균질성에 심각한 영향을 미침. 담금질 취성 증가, 인성 저하, 단조성 감소.

비부정적 효과: 인P은 오스테나이트계 스테인리스강에서 항복강도를 향상시키며, 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 함께 석출 경화 과정에서 확산 강화 효과에 기여합니다.

5.황 (S – Sulphur)
단점: 황은 철과 황화철을 형성하여 강괴 고화 과정에서 편석을 초래하며, 열간 단조 성형 시 결정립계에 망상황화물이 형성되어 재료에 심각한 영향을 미칩니다. 황은 망간과 결합하여 황화망간을 형성하는데, 이는 불순물(잡질)로서 순도를 저하시킵니다. 이로 인해 재료의 연성이 감소하고 용접 및 수리가 어려우며, 균열이 발생하기 쉽습니다. 또한, 미러 폴리싱(미러 폴리싱) 성능이 떨어지고, 에칭의 균일성이 나쁘며, 미세 균열 및 점상 결함이 금형 표면에 자주 나타납니다. 표면 도금(경질 크롬 도금 및 무전해 니켈 도금)에도 부정적인 영향을 미쳐 도금 품질 저하를 초래합니다.

6.크롬 (Cr – Chromium)
경화 능력 향상(오일 쿨링 또는 에어 쿨링), 마르텐사이트 조직(Martensite) 형성이 쉬우나 함량이 너무 높으면 충격 강도(인성)에 부정적 영향. 탄소와 쉽게 크롬 카바이드(Cr7C3)를 형성하여 내마모성을 높이고 인성을 증가시키며, 수소 취성 저항성이 있음. 크롬(Gr) 함량이 13% 이상일 경우 내식성(스테인리스강 계열)을 갖춤. 크롬 함량이 너무 높으면 열전도도, 전기 전도도 감소, 폴리싱이 어려워지고 방전 가공과 화학 에칭 효과가 떨어짐.

7.니켈 (Ni – Nickel)
니켈은 탄소와 공석하여 탄화물을 형성하지 않는 단일 합금 원소로, 우수한 내식성을 가지며 폴리싱이 용이하고 에칭 및 화학적 부식에 강합니다. 인성을 향상시키며 600°C 이상의 고온에서도 내식성과 고온 강도(우수한 연신성)를 유지합니다. 절삭성이 좋지 않아 공구에 달라붙기 쉽고 칩 배출이 어렵습니다. 또한 낮은 열팽창률과 낮은 열전도성을 가집니다.

8.몰리브덴 (Mo – Molybdenum)
몰리브덴은 주로 다른 합금 원소와 함께 고용체를 형성하며 합금 탄화물(M6C)을 생성하여 기지의 경도 강화와 경화 능력 향상에 기여합니다. 열간 작업용 강의 담금질 소프트닝 저항성, 내식성, 고온 내열성 및 열 충격 저항성을 높이며, 담금질 취성 감소, 항복 강도 및 인장 강도 향상에 도움을 줍니다. 고속강(M-35, M-42, M-45, M-50, M-52)에서는 절삭 성능과 고온 강도를 향상시키는 역할을 합니다.

9.바나듐 (V – Vanadium)
바나듐은 2차 정련 시 첨가제로 사용되며, 강괴 고화 과정에서 결정립의 조대화를 억제하고 탄화물 형성을 강화합니다. 이후 열처리 시 오스테나이트화 시간이 충분해야 고용체 형성에 참여하여 탄화물 고용 비율을 높이고 결정립 조대화를 방지하며, 최상의 경화 능력을 발휘합니다.
바나듐 탄화물(MC)은 경도가 HV 2600~3200에 달하며, 높은 내착성 및 일반 내마모성을 가지며, 담금질 소프트닝 저항성과 우수한 고온 강도를 보유합니다. 또한 절삭 공구의 날 인성이 좋아 쉽게 파손되지 않습니다.

10.텅스텐 (W – Tungsten)
텅스텐은 탄화물 형성을 강화하는 주요 원소로, 텅스텐 탄화물(MC)의 경도는 HV：2250~3200에 이릅니다. 경화 능력, 적열 경도, 고온 강도, 담금질 소프트닝 저항성을 향상시키며, 주로 열간강과 고속강에 첨가됩니다. 또한 강한 자기 이력과 포화 자성을 가지고 있어 자성 재료에도 사용됩니다.

11.코발트 (Co – Cobalt)
코발트는 탄소와 공석 반응에 참여하지 않아 탄화물을 형성하지 않습니다. 고온 상태에서 결정립 성장 억제, 고온 경도 유지 능력이 우수하며, 고온 강도와 고온 마모 저항성이 뛰어납니다. 경화 능력 향상, 기지 경도 강화 및 크리프 강도 향상에 기여합니다. 또한 포화 자성 및 열전도성이 우수하여 고급 자성 재료 및 합금에 사용됩니다.

12.니오븀 (Nb – Niobium)
탄화물 형성 능력을 강화하며 기지 경도를 높이고 화학적 부식을 저항합니다. 고온 강도와 크리프 강도가 우수하며, 파괴 인성과 내마모성을 향상시킵니다. 최근에는 냉간 가공 공구강에 미량의 니오븀(Nb)을 첨가하여 기계적 성질을 개선하고 있습니다.

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