냉간공구강에 발생하는
트러블과 표면처리
히하라 마사히코 (日原政彦) 九州공업대학 정보공학원 객원교수



냉간공구강에 발생하는 트러블

1. 금형의 파괴 요인
지난 호에는 냉간공구강의 특성들에 대해 소개했다. 이번에 는 프레스 성형시에 발생하는 냉간공구강에서의 각종 파괴 요 인과 그 메커니즘의 개요에 대해 소개한다
그림 1에 냉간공구강을 사용한 금형의 조업 중에 발생하는 파괴 원인에 관해서 나타냈다. 파괴 원인 중에서 가장 많은 것 은 열처리에 기인한 파괴로 약 31%라는 큰 수치를 나타낸다. 다음은 프레스기나 성형가공기의 오버로드에 동반하는 금형의 파괴(26%)이고, 방전가공(19%), 표면조도·형상에 기인하는 요인(13%), 연삭가공에 동반하는 요인(11%) 순으로 되어 있다.
프레스 성형을 가공 방법으로 분류하면 전단가공, 압축·롤 가공, 블랭킹 가공, 전사가공 등이 있다. 각각의 금형에 부하 되는 응력은 다르며, 단독으로 발생하는 경우와 복합화된 응 력이 있다.
또한 프레스 성형은 피가공물의 가공 두께도 두꺼운 것에서 부터 초박육인 것, 가공 재질도 철계, 비철금속계(Al, Cu, Ti, Au, Ag 등), 세라믹계, 종이 등 다양한 형상과 재질을 고품 질·고정도로 가공하는 것이 요구된다. 또한 블랭킹의 경우는 매우 고정도인 금형을 제조하여 펀치와 다이 간의 클리어런스 도 미크론 오더로 컨트롤해야 한다. 이와 같은 배경에서 파괴 의 원인을 고려하면 각종 메커니즘이 부가되어 발생하는 경우 가 많다.
또한 최근에는 버리스, 니어넷 셰이프 가공이 요구되어 금 형에는 매우 까다롭고 복잡한 응력이나 변형이 부하되기 때문 에 각종 파괴 현상이 보다 복잡해지고 있다.
일반적으로 냉간공구강의 열처리는 경도를 높게 하는 경향 이 많아 저온 템퍼링을 하는 경우가 많다. 담금질-저온(250∼ 350℃) 템퍼링을 하는 경우에는 높은 경도를 얻을 수 있어 내 마모성을 우선하는 경우에는 유리하지만, 잔류 오스테나이트 의 생지에 대한 재고용(템퍼링 마르텐사이트 변태)이 적고 열 처리 시의 변형 해방과 생지의 안정성이 촉진될 뿐으로 금형 내에 잔류 오스테나이트가 처리 후에도 존재한다.
이와 같은 금형에서 고정도 가공을 하고 프레스 성형을 하 면, 에지 부분, 발열부 및 부하 응력부에는 소성 변형이나 조 업 중 가공시의 부하에 의해 금형 소재 속에 존재하는 잔류 오 스테나이트가 가공 유기 마르텐사이트 변태를 일으켜 금형은 팽창한다. 그러나 금형이 구속되어 있는 경우에는 부하 응력 이 금형의 약한 부분(예리한 코너부, 슬릿부, 세혈부, 방전가 공 변질층의 잔존부 등)에 응력이 집중되어 파괴가 일어나는 경우가 많다.
프레스 성형용 공구강은 경도가 높아 내마모성은 향상되지 만, 한편으로 인성은 낮아진다. 인성의 저하는 노치 인성을 저하시킬 뿐 아니라 크랙의 진전 속도가 빨라져 파괴에 이르는 경우가 많다. 또한 금형의 표면조도나 중연삭면의 존재 등도 충분히 주의하여 가공하지 않으면 금형의 파괴를 유발시키는 원인이 된다.
그림 2에 냉간공구강 금형에 발생하는 결함의 각종 발생 형 태[마모(스크레치·응착), 골링(스침, 버닝), 소성 변형, 결손, 균열 등]을 나타낸다. 또한 마모로 인정되는 결함에는 스크레 치 마모와 응착 마모가 혼재한 마모도 조업 조건에 따라 확인 되는 경우가 있다.


표 1에 각종 결함 발생에 관계된 재료 특성의 관계를 나타냈 는데, 개선할 수 있는 특성은 화살표 ↗로, 저하 요인은 화살 표 ↘로 표시하고 있다.
각종 결함 발생에는 생지 경도, 탄화물의 양·사이즈, 화합 물 조성, 탄화물 간 거리, 마찰계수, 연성, 인성, 항복강도, 피 로강도, 표면경도 및 금형 재료와 피가공재 각각의 특성과의 상호작용으로 일어나는 경우가 많다.
따라서 냉간공구강이나 초경 등의 냉간공구강의 선택은 설계 시에 금형의 사용 목적이나 부하 상태 등을 고려하여 금형 의 특성·특징을 충분히 발휘할 수 있는 재료를 선택할 필요 가 있다.

2. 각종 결함 발생 사례

(1) 마모, 골링, 박리
그림 3에 마모 상태의 대표적인 예와 버닝(골링)의 결함 발 생 상태를 나타낸다. 스크레치 마모는 냉간공구강의 조업 시 에 일반적으로 발생하는 결함으로 고강도나 고경도 제품가공 에 의해 공구강의 에지부가 마모하여 탈락하는 현상이다. 이 현상은 표면에 시어 드루프 결함이 인정되어 재연마가 필요하 게 된다.
응착 마모는 피가공재가 금형공구강에 비해 유연하고 가공 과정에서 절삭날 부분이나 압출이 강한 압축 응력이 부하되는 영역에서, 소성 변형 시 가공열에 의해 일부는 마이크로 현상 에 의해 용융(마이크로 웰드)하고 금형 재료에 선 모양 볼록부의 용착 형상의 결함이 확인되는 현상 이다. 또한 피가공재는 일부 표면이 제거되어 오목 부 모양의 결함이 존재한다. 또한 마모 현상에는 이들 마모가 단독으로 발생하는 경우와 두 가지가 혼재한 마모도 발생한다.
골링의 결함은 응착 마모와 유사한 현상을 나타 내는데, 금형 표면의 조도가 큰 경우나 마모계수가 낮은 경우에 피가공재가 버닝하여 재료가 부착하 는 현상이다. 이 결함이 발생하면 제품 품질의 저하 나 조업 안정성이 현저하게 저하한다. 스크레치 마 모의 경우는 에지의 절삭날 특성이 저하하여 블랭 킹 프레스 성형의 경우에는 버의 발생이 확인된다.






표 2에 블랭킹 가공의 경우 발생하는 결함과 사 이클 수와의 관계를 나타낸다. 단시간의 조업 사이 클과 장시간 조업 사이클에는 발생하는 마모의 형 태나 강종의 선택 방법도 다르다. 일반적으로 단시 간의 조업 사이클에서는 고탄소계 합금강(SKS계 나 SKD11계)이, 고사이클에는 분말소가 사용된다.
그림 4에 나사에 발생한 골링(스커핑, 버닝)과 금형에 발생한 박리를 관찰한 사진을 나타냈다. 골 링은 재료가 금형공구강 표면에 연질 금속이 전사 되는 경우가 많아 나사의 작동 불량을 일으키는원인이 된다.
또한 금형공구강의 제조 공정에 내재한 층 모양 편석이 존 재하면 조업 과정에서 면박리가 일어나 테라스 모양의 결함이 인정된다. 적층 결함은 일반적으로 압연강판에서 많이 볼 수 있는 결함이지만, 금형에 대해서도 탈산이나 탈황 처리가 나 쁘면 보통 금형 강종에도 종종 확인되는 결함이다. 이러한 경 우에는 재료를 취하는 방법에 따라 발생 형태는 다르기 때문 에 금형 제조 시의 재료 선택 방법(롤 방향의 선택)을 주의할 필요가 있다.

(2) 소성 변형, 인성
프레스 성형 시에는 금형강의 경도가 낮을 때나 강가공의 경우에 금형공구강의 에지가‘시어 드루프’되어 변형되는 경 우가 있다. 소성 변형은 재료의 항복강도가 낮은 경우에 일어 난다.
금속 재료의 기계적 성질을 평가할 때는 일반적으로 인장시 험을 치르고 응력-변형선도의 기울기, 탄성한계, 파괴강도, 신연 및 드로잉률에 의해 평가한다.
공구강의 경도가 높아지면 탄성 변형 시의 인장강도는 증가 하지만 신연(연성) 및 인성은 저하한다. 그렇기 때문에 금형으 로 적용하는 데는 사용 상황이나 응력의 부하 상황을 판단하 여 재료나 경도의 선택이 필요하게 된다.
또한 피가공재의 재질, 강도, 경도에 의해 사용하는 냉간공 구강의 강종이 많이 제안되고 있지만, 카탈로그에 게재되어 있는 데이터를 잘 비교 검토하여 최적의 강종을 선택하지 않 으면 효과적인 결과를 얻을 수 없다.
그림 5에 재료의 인성 평가를 위해 실시하는 노칭 시험 방 법과 파괴인성값과 샤르피 충격값과의 관계를 나타낸다.
인성은 노치 부분에 하중을 부하하여 응력 집중 부분(U노치 부분)에서 크랙을 발생시키지만, 크랙의 진전 속도는 소재의 내부 품질이나 경도가 어떻게 영향을 미치는지를 평가하는 것 이다. 냉간공구강의 경우에는 생지 경도를 높게 하여 내마모 성을 향상시키는 경우가 많고 인성값이 저하하면 취성파괴가 발생한다. 금형의 예리한 형상부나 표면 품질(실 마크, 표면 조도, 가공 단차)을 관리하지 않으면 조기 파괴를 유발시키는 원인이 된다.


또한 파괴인성값(K1C)과 샤르피 충격값(J )의 사이에는 그림 5에 나타냈듯이 직선관계가 있으며 충격값이 증가하면 파괴 인성값도 증가한다. 이들 관계에서 안정된 금형을 유지하기 위해서는 예리한 형상 부분이나 불균질 조직을 갖는 재료(소 재 중에 존재하는 크랙, 조직의 조대화, 빈구멍, 비금속 개재 물, 탄화물 간의 거리·형상 등에 파괴인성은 의존한다)에서 는 유효한 금형 성능을 발휘할 수 없는 경우가 많다.

(3) 열처리 불량, 변형·치수 변화
냉간공구강을 사용한 핀의 열처리 불량에 의한 금형 수명의 비교를 그림 6 및 그림 7에 나타냈다. 사용한 재료는 SKD11 개량재(8Cr계 냉간공구강)와 세미하이스(고속도공구강)이며, 각종 핀에 TiN 피막을 한 경우의 금형 수명 비교를 나타낸다. 처리 전의 경도 지정값과 열처리 후의 경도가 SKD11 개량재 와 세미하이스에서는 다르고, 열처리 후의 경도는 No.1과 No.2의 핀 모두 2∼4HRC 정도 낮은 값을 나타냈다. 이 낮은 값은 생지 중에 존재하는 다량의 잔류 오스테나이트(19∼47% 정도)에 의존하기 때문이다. 이 2개의 금형 수명은 15,000쇼 트 정도가 되는데, SKD11 개량재(No.3)의 수명은 경도가 열처 리 후에도 동일하고 잔류 오스테나이트량도 2% 이하로 366,000쇼트 정도의 조업이 가능하게 되어 매우 높은 수명을 나타냈다.
이들의 차이는 열처리 시의 소재 속에 존재하는 잔류 오스 테나이트량이 크게 영향을 미치는 것이 명확하다. 다량의 잔존 오스테나이트의 존재는 조업 중의 응력이나 하중 부하에 의해 가공 유기 마르텐사이트 변태를 일으키는 것이나 생지 경도의 저하에 의해 소재가 좌굴하여 인성이 낮은 경질 피막 이 녹리 현상을 유발시키는 원인이 된다.


또한 냉간공구강에 표면처리를 할 경우에는 생지 조직의 경 도를 증가시키는 것이 효과적이지만 생지 조직의 잔류 오스테 나이트의 존재는 금형의 수명 저하에 크게 영향을 미치는 원 인이 된다. 또 방전가공이나 용융가공을 한 공구강 표면에는 잔류 오스테나이트가 다량으로 존재하는 경우가 많아 최종 다 듬질면은 프로파일 그라인더나 연마에 의해 제거하던가, 고온 템퍼링 처리에 의해 잔류 오스테나이트 조직의 마르텐사이트 조직으로의 재고용이 필요해진다.

표 3은 세미하이스계 공구강(분말공구강, AISIM 2.3계 재 료)의 담금질·템퍼링 처리 후의 잔류 오스테나이트량(γR)의 변화를 나타낸다. 열처리 조건은 오스테나이트화 온도가 1,150℃, 가압 가스 냉각, 저온 템퍼링을 560℃×3회 실시한 후 공구강의 시험재에 대해 잔류 오스테나이트량을 각 열처리 단계에서 측정한 결과이다. 담금질한 그대로는 다량의 잔류 오스테나이트가 존재하지만, 첫 번째 템퍼링에 의해 25%의 잔류 오스테나이트량은 불안정 마르텐사이트로 약 15% 변태 하고 담금질 시에 존재한 마르텐사이트 조직은 안정화 마르텐 사이트 조직으로 변태하는 상황을 나타내고 있다. 2번째에서 는 마찬가지로 잔류 오스테나이트 10%가 6% 정도의 불안정 마르텐사이트로 변태하고 첫 번째인 15%의 마르텐사이트 조 직이 안정 마르텐사이트로 변태하여 최종적으로는 2번째의 템퍼링 처리에 의해 약 90%가 변태함으로써 공구강의 조직이 안정화된다.
그러나 잔류 오스테나이트량의 1.0%가 마르텐사이트 조직 으로 변태하면 형상 변화는 0.015∼0.02% 공구강이 길이 방 향으로 늘어나는(변형은 길이 방향이 크게 발생하지만 폭, 두 께 방향으로도 일어난다) 것을 확인할 수 있다. 따라서 고정도 순차이송용 금형이나 파인 블랭킹(Fine Blanking)용 금형에 서는 조업 과정의 변형이나 치수 변화 및 치핑이나 균열을 유 발시키는 원인이 되므로 열처리에 의한 조건 선택이나 처리 방법을 주의해야 한다. 이들의 움직임에 의해 그림 6, 그림 7 과 같은 트러블이 발생하게 된다.


또한 냉간공구강의 변형·치수 변화(경년 변화)의 안정성에 는 담금질 직후의 서브 제로 처리(액체 질소에 의한 냉각)나 고 온 템퍼링 처리 후에 경년 변화 방지 대책으로서 400∼500℃ 정도의 온도에 의해 최종 단계에서 템퍼링 처리를 하면 유효 하다는 것이 확인되었다.

냉간공구강에 적용되는 표면처리

앞에서는 각종 트러블 발생의 요인들에 대해 언급했는데, 공구강의 특성만으로는 현재의 요구 품질을 얻을 수 없는 경 우가 많아 고정도 프레스 성형에는 각종 표면처리가 적용되며 표면 경도의 증가를 동반하는 내마모성의 향상 등을 달성하고 있다.
그림 8은 세미하이스계 분말공구강의 템퍼링 후의 롤 방법 으로 평행과 직각 방향에 대한 치수 변화의 일례를 나타낸다.









압연 롤 방향으로 평행 각 위치의 치수 변화와 직각 방향과 는 각각 다른 움직임을 나타낸다. 금형의 안정적인 치수 유지 는 조업 과정의 제품 정밀도 안정화나 수정가공의 공정 단축 화에는 중요한 요건이 되므로 주의가 필요하다.
표 4에는 냉간공구강에 적용되고 있는 각종 표면처리 방법 에 대해 처리의 종류, 형성 두께, 처리 온도 등에 대해 나타낸 다. 각종 표면처리 방법의 적용은 제품의 품질이나 조업 형태 에 따라 효과적인 기능이 발휘되는 처리 방법을 선택할 필요 가 있다.
또한 표 5에는 해외에서 냉간공구강에 적용되고 있는 표면 처리 방법과 메이커명 및 형성층의 특성들을 나타낸다.
형성 피막은 PVC, PCVD 처리에 의한 특성을 나타내는데, 질화와 경질피막의 복합화도 최근에는 진행되고 있지만 각종 피막의 이해득실이 있다. 또한 로크웰 경도계에 의한 평가는 경도 측정에 사용되고 있는 로크웰 경도시험의 압흔을 처리 표면에 형성하여 그 측면에 발생한 크랙 상태에 따라 피막의 안정성을 비교적 간편하게 평가할 수 있는 방법이다. 또한 냉 간공구강의 표면에 경질피막 처리를 하는 경우에는 생지면과 피막계면의 안정성이 중요하다는 것과 생지의 경도는 높은 것 이 필요해진다.
아무리 경질피막의 특성이 안정되어 있어도 생지의 경도가 낮으면 소재가 좌굴하여 소성변형이 일어난다. 이 상태가 되 면 처리피막이 취성 파괴나 변형에 의해 균열이 단기적으로 발생하게 되어 조업 중 금형의 안정성은 얻을 수 없다(경질 피 막은 매우 경도가 높고 인성은 낮기 때문에 변형이 발생하면 크랙을 유발시키기 쉽다).
또한 피막의 경도 측정에는 시험 시의 측정하중을 매우 작 은 하중(10∼1g 이하)으로 하지 않으면 경도 측정 시 압흔 깊 이에 의해 생지 경도가 반영되어 정확한 피막 경도값을 나타 내지 않으므로 주의가 필요하다.
표 6 및 표 7에 냉간공구강과 고속도공구강의 각 메이커별 강종 비교표를 나타내므로 참고하기 바란다.