공구·금형강

계열 개요

공구·금형강은 다른 재료를 자르고 깎고 눌러 모양을 만드는 공구와 금형에 쓰는 강입니다. 이 페이지는 냉간 금형용 합금공구강(SKD11)과 고속도 공구강(SKH51·SKH55)을 다룹니다. 냉간 금형용강은 상온 부근에서 마모와 압축 변형에 견디도록, 고속도강은 절삭열로 날 끝이 뜨거워져도 경도가 유지되도록 합금 원소를 배합한 강입니다. 두 부류는 중점을 두는 성능이 달라 별개 계열로 나누지만, 냉간 성형용 펀치처럼 용도가 겹치는 곳에서는 모두 후보가 됩니다.

두 부류 모두 담금질과 뜨임으로 단단한 마르텐사이트 기지를 만들고, 그 안에 크롬·텅스텐·몰리브덴·바나듐의 탄화물을 분산시켜 내마모성을 얻습니다. 탄화물이 많을수록 마모에는 유리하지만 인성은 낮아지고 가공과 연삭도 어려워집니다. 그래서 공구나 금형이 마모로 수명을 다하는지, 치핑(모서리 깨짐)이나 균열로 손상되는지, 열로 연화되는지를 먼저 확인하고 강종을 정하는 경우가 많습니다. 경도 수치 하나만으로는 이 균형을 판단하기 어렵습니다.

공구강은 소재 상태와 사용 상태가 다릅니다. 봉재는 가공하기 쉽도록 어닐링해 연하게 만든 상태로 쓰고, 사용 경도는 가공 뒤의 열처리로 만듭니다. 따라서 소재의 어닐링 상태 경도와 공구·금형으로 쓸 때의 사용 경도는 서로 다른 값이며, 사용 경도는 열처리 조건에 따라 달라집니다.

주요 원소의 역할

• 탄소(C): 마르텐사이트 기지의 경도를 정하고, 크롬·텅스텐·몰리브덴·바나듐과 결합해 탄화물을 만듭니다. 두 부류 모두 구조용 강보다 탄소 함량이 높은 편이며, 탄화물이 늘면 내마모성은 좋아지지만 인성은 낮아지는 쪽으로 움직입니다.
• 크롬(Cr): SKD11에서는 크롬계 탄화물을 많이 만들어 내마모성과 경화능을 높입니다. 다만 크롬의 상당 부분이 탄화물에 묶여 있어 스테인리스강처럼 녹이 슬지 않는 것은 아니므로, 보관과 사용 중에 방청 관리를 함께 하는 경우가 많습니다. 고속도강에서는 주로 경화능을 확보하는 역할을 합니다.
• 몰리브덴(Mo): 경화능과 뜨임 연화 저항성(뜨임해도 경도가 잘 떨어지지 않는 성질)을 높입니다. 고속도강에서는 텅스텐과 함께 고온 경도를 지탱하는 탄화물을 만들며, 텅스텐의 일부를 대신할 수 있는 원소입니다.
• 텅스텐(W): 고속도강에서 고온 경도를 지탱합니다. 높은 온도로 가열할 때 기지에 녹았다가 뜨임 때 미세한 탄화물로 석출해 2차 경화를 일으키고, 일부는 단단한 탄화물로 남아 내마모성에 기여합니다.
• 바나듐(V): 단단한 바나듐계 탄화물을 만들어 내마모성을 높이고 결정립이 굵어지는 것을 억제합니다. 대신 연삭이 어려워지는 경향이 있습니다.
• 코발트(Co): SKH55처럼 코발트를 더한 고속도강에서 고온 경도를 높이는 방향으로 작용합니다. 대신 인성이 낮아지는 경향이 있어, 치핑 위험이 큰 공구에서는 이 점을 함께 따집니다.

열처리·공급 상태

• 공급 상태: 공구강 봉재는 어닐링한 상태로 가공하는 경우가 일반적입니다. 표면 상태(깎은 면·연마한 면 등)와 절단 여부에 따라 가공 여유와 뒤따르는 공정이 달라지므로 공급 상태를 함께 지정합니다. 어닐링 상태의 경도 기준은 적용 규격으로 확인합니다.
• SKD11의 담금질·뜨임: 경화능이 높아 두꺼운 단면도 비교적 완만한 냉각으로 경화되고, 담금질 변형이 작은 편으로 알려져 있습니다. 뜨임 조건에 따라 경도·인성·치수 안정성의 균형이 달라지며, 담금질 뒤 남는 잔류 오스테나이트를 줄이려고 뜨임을 반복하거나 심랭 처리를 더하는 경우가 있습니다.
• 고속도강의 담금질·뜨임: 합금 탄화물의 상당 부분을 기지에 녹이려고 높은 온도로 가열한 뒤 냉각하고, 뜨임을 여러 번 반복합니다. 뜨임 중 미세한 탄화물이 석출하는 2차 경화로 경도를 확보하고, 반복 뜨임으로 잔류 오스테나이트를 줄입니다.
• 탈탄과 표면: 높은 온도로 가열할 때 표면의 탄소가 빠지는 탈탄이 생기면 표면 경도가 낮아져 공구 수명이 짧아질 수 있습니다. 탈탄층은 가공 여유로 제거하는 경우가 많고, 열처리 때는 진공이나 분위기 제어로 줄입니다.
• 열처리 변형과 가공 여유: 열처리하면 치수와 형상이 달라지므로 소재에 가공 여유를 두고, 열처리 뒤 연삭이나 방전가공으로 치수를 마무리합니다. 치수 공차만으로는 진직도·진원도 같은 형상이 정해지지 않으므로 필요한 형상 조건은 주문 시 따로 지정합니다.
• 조직과 탄화물 분포: 탄화물이 굵거나 한쪽으로 몰려 있으면 인성과 연삭성이 떨어질 수 있습니다. 단면이 큰 봉재일수록 이런 경향이 커서 조직(탄화물 분포)을 확인 항목으로 정하는 경우가 있습니다.

강종 목록

성분 범위

성분 범위는 적용 규격으로 확인합니다.

대표 용도

• 냉간 성형·전단 금형(SKD11): 프레스 펀치와 다이, 블랭킹·피어싱·트리밍 금형, 냉간 단조·압조 금형처럼 상온에서 소재를 자르거나 눌러 모양을 만드는 금형
• 내마모 롤·칼날·부품(SKD11): 포밍 롤, 슬리터 나이프, 게이지, 가이드처럼 마모가 수명을 좌우하는 부품
• 절삭공구(SKH51·SKH55): 드릴, 탭, 리머, 엔드밀, 밀링 커터, 브로치처럼 날 끝이 뜨거워지는 공구
• 펀치와 압조·드로잉 금형(SKH51·SKH55): 마모와 충격을 함께 받는 냉간 성형용 펀치, 압조 금형, 드로잉 다이
• 고온 경도가 필요한 절삭(SKH55): 절삭 속도가 높거나 가공하기 어려운 소재를 깎아 날 끝 온도가 높아지는 공구

이 강종을 다루는 제품군

• 고속도강(HSS) 봉재SKH51 · SKH55 · M2 · M35
• 금형·공구강 소재SKD11