공구강 단조: 등급, 방법 및 공정 매개변수

공구강 단조는 일반적으로 높은 압축력 하에서 공구강 합금을 성형하는 공정입니다. 1,900°F 및 2,200°F(1,040°C~1,200°C) - 우수한 기계적 특성을 지닌 다이, 펀치, 절삭 공구 및 구조 부품을 생산합니다. 기계 가공 또는 주조 부품과 비교하여 단조 공구강 부품은 훨씬 더 높은 인성, 피로 저항 및 치수 일관성을 제공하므로 단조는 고응력 금형 응용 분야에서 선호되는 제조 경로입니다.

냉간 가공 다이용 블랭크를 소싱하든, 열간 가공 펀치를 위한 단조 방법을 선택하든, 공정이 특정 공구강 등급과 상호 작용하는 방식을 이해하는 것은 필요한 성능을 얻는 데 필수적입니다.

왜 단조 공구강이 필요한가요?

공구강은 스톡 바에서 가공하거나 분말 야금으로 생산할 수 있으므로 단조 선택은 다른 방법으로는 완전히 충족할 수 없는 성능 요구 사항에 따라 신중하게 결정됩니다.

단조는 응고 중에 형성되는 탄화물 네트워크를 분해하고 재분배합니다. D2 또는 M2와 같은 고합금 공구강에서 주조된 초경 밴딩은 다음과 같이 가로 인성을 감소시킬 수 있습니다. 30~50% 적절하게 단조되고 가공된 빌렛과 비교됩니다. 기계적 작업은 또한 내부 다공성을 닫고 입자 흐름을 부품 형상에 맞춰 정렬하며 열처리에 더욱 예측 가능하게 반응하는 세련된 입자 구조를 생성합니다.

실제적인 측면에서 단조 H13 다이 인서트는 일반적으로 가공된 동급 제품보다 몇 배 더 오래 지속됩니다. 1.5–3× 열 순환의 심각도에 따라 고압 다이 캐스팅 응용 분야에 적용됩니다.

일반적인 공구강 등급 및 단조 특성

모든 공구강이 같은 방식으로 단조되는 것은 아닙니다. 합금 함량, 탄소 수준 및 탄화물 유형은 모두 단조성과 필요한 공정 창에 영향을 미칩니다.

D2와 함께 ~12% 크롬 및 1.5% 탄소 함량 , 단조하기 가장 어려운 공구강 중 하나입니다. 대량의 크롬 탄화물은 공융 탄화물 네트워크를 분해하기 위해 무겁고 통제된 환원이 필요합니다. 1,850°F 미만에서 D2를 단조하면 균열이 발생할 위험이 있습니다. 1,975°F 이상에서는 탄화물 경계에서 초기 용융 위험이 있습니다.

공구강에 사용되는 단조 방법

단조 방법의 선택은 입자 흐름, 표면 마감, 공차 및 필요한 단조 후 가공 양에 영향을 미칩니다.

개방형(스미스) 단조

개방형 단조는 편평하거나 단순한 모양의 다이를 사용하여 일련의 증분 압축을 통해 가열된 빌렛을 가공합니다. 이는 공구강 블랭크, 대형 다이 블록 및 마무리 가공될 맞춤형 형상을 생산하기 위한 가장 유연한 방법이자 표준 접근 방식입니다.

• 몇 파운드에서 최대 빌렛에 적합 수 톤
• 감속비 및 작업 방향을 완벽하게 제어할 수 있습니다.
• 최소감소율 4:1 일반적으로 고합금 등급의 적절한 탄화물 분해에 필요합니다.
• 표준 원형, 사각형 및 플랫 바 생산을 위해 대부분의 특수강 생산업체에서 사용

폐쇄 다이(인상 다이) 단조

폐쇄형 단조에서는 완성된 부품 모양과 일치하는 공동이 포함된 일치하는 금형 반쪽 사이에 가열된 스톡이 압착됩니다. 이 방법은 일반적으로 입자 흐름이 제어되고 치수 공차가 엄격한 거의 그물 형태의 단조품을 생산합니다. ±0.010~±0.030인치 중요한 차원에서.

폐쇄 다이 단조는 펀치, 인서트 및 볼륨이 툴링 투자를 정당화하는 소형 공구 구성 요소에 사용됩니다. 공구강의 경우 다이 수명 자체가 문제가 됩니다. H13 인상 다이는 일반적으로 고온에서 다른 공구강 등급을 단조하는 데 사용됩니다.

회전(링) 압연 및 방사형 단조

링, 부싱 또는 원형 막대와 같은 원통형 부품의 경우 회전 단조 방법을 사용하면 연속적인 원주 결정립 미세화가 가능합니다. 방사형 단조는 원형 빌렛을 여러 방향에서 동시에 프레스하여 원형 또는 육각형 막대에 매우 균일한 미세 구조를 생성합니다. 이 방법은 생산에 널리 사용됩니다. 고속도강(HSS) 환봉 절삭 공구 블랭크용.

등온 단조

등온 단조는 공작물과 금형을 모두 동일한 온도로 가열하여 단조가 어려운 합금의 표면 냉각 및 균열을 유발하는 온도 강하를 제거합니다. 장비 비용으로 인해 공구강에는 덜 일반적이지만 열간 가공 창이 매우 좁은 항공우주 등급 HSS 및 분말 야금 공구강에 사용됩니다.

제어해야 할 중요한 공정 매개변수

공구강 단조 과정에서 금속공학을 올바르게 수행하려면 여러 상호 의존적 변수를 엄격하게 제어해야 합니다.

예열 및 담금 온도

공구강은 열충격을 피하기 위해 천천히 균일하게 가열되어야 합니다. 대형 H13 블록의 일반적인 예열 프로토콜:

1. 가열하다 650°C(1,200°F) 단면을 통해 온도가 동일해질 때까지 유지합니다.
2. 단조 온도로 램프 ≤200°F/시간(110°C/시간)
3. 최소 단조 온도에 담그십시오. 두께 1인치당 1시간

담금질을 서두르면 코어가 냉각되어 고르지 않은 변형이 발생하고 프레싱 중에 내부 균열이 발생할 수 있습니다.

단조 마무리 온도

취성 상태에서 강철이 변형 경화되는 것을 방지하려면 최소 마감 온도 이상에서 작업을 완료해야 합니다. 대부분의 공구강은 아래에서 단조를 계속해서는 안 됩니다. 955°C(1,750°F) . 조각이 이 임계값 아래로 떨어지면 추가 감소를 강제로 적용하기보다는 퍼니스로 반환해야 합니다.

감속비

감속비(시작 단면 ¼ 완성 단면)는 탄화물 분해 및 결정립 미세화를 촉진합니다. 공구강 단조에 대한 산업 표준은 일반적으로 다음을 요구합니다.

• 최소 3:1 내충격성 및 내수경화성 등급용(S7, W1)
• 최소 4:1 ~ 6:1 냉간 가공용(A2, D2)
• 최소 6:1 이상 고속도강(M2, T1)의 경우 공융 탄화물 네트워크를 적절하게 파괴합니다.

단조 후 냉각

공구강은 단조 후 천천히 냉각하여 변태 응력으로 인한 균열을 방지해야 합니다. 일반적인 관행은 단조품을 마른 모래, 질석 또는 절연 석회에 묻거나 로에 직접 넣는 것입니다. 595~650°C(1,100~1,200°F) 느리고 제어된 냉각을 통해 대기까지 냉각됩니다. 공기 냉각은 작은 단면의 S7과 같은 가장 관대한 등급에만 허용됩니다.

단조 후 어닐링

단조 작업은 공구강을 경화시키고 잔류 응력을 고정시킵니다. 기계 가공 또는 열처리 전에 단조 공구강 블랭크를 다음과 같이 어닐링해야 합니다.

• 강철을 기계 가공이 가능한 경도로 연화시킵니다(일반적으로 HB 180-250 등급에 따라 다름)
• 잔류 단조 응력 완화
• 최적의 열처리 반응을 위해 균일한 구형 탄화물 미세 구조 생성

예를 들어 D2 공구강의 완전 구상화 어닐링에는 870°C(1,600°F) 2~4시간 동안 가열한 후 로를 천천히 냉각합니다. ≤25°F/시간(14°C/시간) 1,000°F(540°C) 미만으로. 이 단계를 건너뛰거나 단축하면 경화 중에 연삭 균열이나 뒤틀림이 발생하는 경우가 많습니다.

공구강 단조품의 일반적인 결함과 이를 방지하는 방법

공구강 단조와 분말야금: 각각을 언제 선택해야 하는지 알기

합금 분말을 원자화 및 소결하여 생산되는 분말 야금(PM) 공구강은 고합금 등급에서 단조만으로는 달성할 수 없는 매우 균일한 탄화물 분포를 제공합니다. CPM 3V, CPM M4 또는 Vanadis 4 Extra와 같은 PM 등급은 까다로운 응용 분야에서 기존 단조 D2 또는 M2의 인기 있는 대안이 되었습니다.

그러나 단조는 여러 시나리오에서 여전히 분명한 이점을 가지고 있습니다.

• 비용: 기존의 단조 공구강 바는 일반적으로 30~60% 저렴 동등한 PM 등급보다
• 큰 단면적: PM 바 가용성은 무거운 섹션으로 제한됩니다. 단조 공구강 블록은 일반적으로 24인치를 초과하는 크기로 생산됩니다.
• 사용자 정의 모양: 개방형 단조는 대형 다이 블록에서 재료 낭비를 줄이는 거의 그물 형태의 프리폼을 생산할 수 있습니다.
• 입증된 성능: Forged H13, A2 및 S7은 거의 모든 툴링 애플리케이션에 걸쳐 수십 년간의 현장 성능 데이터를 보유하고 있습니다.

PM은 모든 방향의 인성이 중요하고, 바나듐 함량이 ~3-4%를 초과하거나(기존 단조가 실용적이지 않음), 응용 분야에서 가장 미세한 초경 구조가 필요한 경우 더 나은 선택입니다. 대부분의 주력 툴링의 경우, 적절하게 단조된 기존 공구강은 여전히 가장 비용 효율적인 솔루션입니다. .

소싱 및 품질 검증

단조 공구강 구매 시 주요 품질 보증 관행은 다음과 같습니다.

• 밀 인증: 화학적 분석(열 인증)을 요청하고 가능한 경우 단조 열에 대한 기계적 테스트 결과(인장, 충격)를 요청합니다.
• 초음파 테스트(UT): 대형 다이 블록에 중요합니다. ASTM A388은 강철 단조품에 대한 표준 UT 방법이며 지정된 허용 한계를 초과하는 내부 공극 또는 분리를 감지할 수 있습니다.
• 탄화물 네트워크 등급: 고합금 등급의 경우 공급업체는 정의된 허용 표준(예: 카바이드 밴딩에 대한 SEP 1520)에 따라 적절한 카바이드 분포를 확인하는 금속 조직 검사를 제공하거나 준비할 수 있어야 합니다.
• 단련된 경도 검사: 영수증에 표시된 브리넬 경도를 보면 재료가 적절하게 어닐링되었으며 예상 등급 범위 내에 있음을 확인할 수 있습니다.

Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology 및 Crucible Industries(PM 등급용)와 같은 평판이 좋은 공구강 공급업체는 표준화된 제품 인증을 제공하지만 안전이 중요하거나 대량 공구 프로그램에 대해서는 독립적인 검증이 권장됩니다.