1. 개발과정 : 최초-W기초. 18W-4Cr-1V(1904년, T1). Co첨가 HSS(1912년, 독일). 미국은 M형 우세. 영국은 T형 우세.
2. 특성 : 우수한 고온 경도, 내마모성, 인성
* 인성(靭性, Toughness) : 외력에 의해 파괴되기 어려운 질기고 강한 충격에 잘 견디는 재료의 성질. 취성과 반대로 질긴 성질, 즉 인장 강도, 연신율이나 충격치가 큰 성질.
3. 용도 : 절삭공구(바이트, 드릴), 냉단용 펀치, 열간프레스형. 매우 단단한 금속을 빠른 속도로 절삭.
4. 종류 : SKH2(18W-4Cr-1V, 대표적), T형(텅스텐), M형(몰리브덴, 탈탄경향 존재 -> 열처리 시 온도조절 주의). M1형(9wt.%Mo + 1.5wt.%W). M2형(5wt.%Mo + 6wt.%W + 2wt.%W, 드릴용). 등. M형은 탈탄 문제 심각 -> 염욕 사용, 표면 피복 -> 탈탄 문제 줄일 수 있음.
* 탈탄(Decarburizing) : 산소의 산화작용에 의해 강재의 탄소 함유량이 적어지는 현상. 즉, 강을 고용체의 상태에서 가열함에 있어 이것을 둘러싼 공기 중의 산소가 이 안으로 침입할 때에 발생하는 것. 탈탄층의 부분은 소입하여도 충분하게 경화되지 않기 때문에 열처리에 있어서는 탈탄이 발생하지 않도록 주의.
5. 합금의 역할
- W : 일부 C와 결합 -> W6C 탄화물 형성 -> 내마모성 증가. 일부 마르텐사이트 중에 고용 -> 소려저항, 내열성 향상, 고온에서 결정립 미세화. 적열구간에서 경도 유지. 12~20wt.%
* 소려(燒戾, tempering) : 강철을 담금질하면 경도는 커지나 메지기 쉬우므로 이를 적당한 온도로 재가열했다가 공기 속에서 냉각, 조직을 연화 · 안정시켜 내부 응력을 없애는 조작.
- Mo : W과 거의 같은 효과. 원자량이 W의 약 1/2. 우수한 인성(Mo탄화물은 W탄화물에 비하여 미세하고 또 구상화하기 쉽기 때문)
- V : C와 결합 -> VC형 탄화물 형성(매우 경함) -> 내마모성 증가 -> 연삭 곤란 -> 연삭 공정 많은 공구에 부적합. VC탄화물 -> 고온까지 고용X, 결정립 성장 방해. C, V 동시 증가 -> 인성 저하. 1~5wt.%.
- Co : 탄화물 형성X, 모상 중에 고용. Fe에 C용해도 높임 -> 탄화물이 모상 중에 많이 고용 -> 고온경도, 소려경도 증가. 5~12wt.%
- Cr : 내산화성, 경도 증가. 약 4wt.%
6. 미세조직
- T형 : Fe-18wt.%W-4wt.%Cr 상태도 참고. 약 1475℃에서 δ-페라이트 -> C, 합금원소 고용도 매우 낮음 -> 용액에 원소가 많아짐 -> 계속 냉각 시 페라이트 수지상정 주위에 합금원소가 많은 오스테나이트 석출. 약 1350℃에서 탄화물과 오스테나이트 석출 및 δ-페라이트는 오스테나이트로 변태. 퀜칭한 T1의 경우 60~80%의 고합금 마르텐사이트 + 15~30%의 잔류 오스테나이트 + 5~10%의 고용되지 않은 M6C 및 VC 로 구성됨.
- M형 : 포정반응이 낮은 온도에서 일어남 -> 낮은 온도에서 오스테나이트화 필요. ex) M2 합금 1190~1230℃. T1과 매우 비슷한 미세조직(W를 Mo로 대체해도 같은 모양의 탄화물 형성). 어닐링 상태에서 28vol.%Mo 존재(20.8wt.%, T1은 28.1wt.%)
* 포정반응(peritectic) : 어떤 금속의 융액(融液)과 다른 합금성분의 고상(固相)이 작용해서 다른 새로운 고상을 만드는 반응.
* 어닐링(annealing, 소둔(燒鈍)) : 금속의 연화, 결정조직의 조정 또는 내부응력의 제거를 위하여 적당한 온도로 가열한 후 천천히 냉각하는 조작. 또는 플라스틱 등을 일정온도로 가열하여 성형에 의한 변형을 제거하는 조작.
7. 열간가공 : 불균일한 냉각 -> 탄화물 등 반응생성물 분포가 불균일 -> 주박조직에 심한 핵편석 -> 미세조직의 불균일성 제거를 위해 필요. 소성변형 -> 세포상 주방조직 붕괴, 결정립 미세화. 탄화물 조직의 충분한 분해 -> 단면수축 90~95% 필요.
8. 열처리
- 소입온도는 융점부근의 고온을 사용 -> 온도 관리 중요. 소입 유지 시간은 20초/1mm. 예열은 균열, 변형방지 위해 필요. 냉각은 열욕소입. 소형품은 유냉도 사용. 유욕에서 250℃ 정도에서 꺼내어 공냉
* 소입(燒入, quenching) : 금속을 고온으로 가열한 후, 급냉시켜 도중의 변태를 방지하고 고온의 안정상태 또는 중간상태로 하는 조작을 말하며, 강의 경우는 중간의 마르텐사이트를 얻을 수 있고, 대단히 단단하기 때문에 경화(hardening)라고도 함.
- 낮은 소입온도 -> 인성 중시, 높은 소입온도 -> 경도 중시. 언더하드닝 : 인성을 특히 중시. 표준의 소입온도보다 수 10~100℃ 낮은 소입온도(결정립 미세화에 의한 인성향상 목적). 진공소입 -> 탈탄방지, 변형방지(완성공구)
9. 탄화물의 성질(T1)
- M6C : Fe4W2C와 Fe3W3C 사이에서 조성 변화. 어느 정도의 Cr, V 및 Co를 고용. 2차 경화반응에서 중요한 역할(적열경도)
- M23C6 : 탄화크롬으로 대량의 Fe, V 및 Mo를 고용. 오스테나이트에 상당히 고용 -> 마르텐사이트 생성에 중요한 역할. T1에서 고용화는 대부분 650℃ 이하에서 발생.
- MC : 탄화바나듐으로 약간의 Fe, Cr, W 및 Mo를 고용. 경도, 내마모성 증가 요인.
10. 오스테나이트화(T1) : 예열 필요(합금탄화물 고용 및 열응력 최소화). 1250 ~ 1290℃에서(액상선 바로 밑 -> 공정 융해될 수 있으므로 주의 깊은 온도 조절 필요). 퀜칭 및 템퍼링 -> 최대 경도. Cr이 소지에 약 90% 고용(어닐링 상태에서는 약 50%). W는 템퍼링 따라 소지에 고용 증가, 오스테나이트화 이후 거의 반이 고용됨. 대부분의 V이 M6C 및 M23C6에 고용(T1).
11. 퀜칭
- T1 : 오스테나이트화 조직을 만들기 위함. 560℃로 열간퀜칭한 다음 상온으로 공냉 -> 뒤틀림 현상과 균열을 최소화(석출이 고온에서 일어나기 때문).
- M2 : 700℃ 이상에서의 고온변태를 피하기 위해 565℃로 열간퀜칭. 약 550℃ 템퍼링 -> 2차 경도 피크. 템퍼링 온도 영향은 T1과 유사.
12. 템퍼링(T1) : 4단계로 미세조직 변화함.
- 상온 ~ 400℃ : 마르텐사이트는 정방성을 소실하고 입방정으로 분해되면서 6방정인 ε탄화물을 생성. 이 탄화물은 약 270℃에서 석출 -> 계속 가열하면 고용되고 300~400℃ 구간에서 시멘타이트로 대치됨. Rockwell 경도가 2~6점 감소.
- 470 ~ 570℃ : 약간의 시멘타이트가 고용되고 M2C 탄화물이 약 500℃에서 석출하기 시작 -> 2차 경화 시작
- 500 ~ 620℃ : 템퍼링 온도에서 냉각할 때 합금탄화물이 오스테나이트로부터 먼저 석출하면서 잔류 오스테나이트가 변태. 565℃에서 템퍼링 후 냉각 -> 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태, but 템퍼링 안 된 마르텐사이트 부분 존재 -> 이 마르텐사이트를 없애기 위하여 2중 템퍼링.
- 620℃ 이상 : M2C 및 Fe3C가 고용 and 동시에 합금탄화물인 M6C 및 M23C6는 석출하여 응집 -> 경도 급격히 낮아짐.
13. 2차 경화의 이유 : 합금원소들이 과포화된 상태에서 특수탄화물이 정합석출 -> 석출경화 및 내부변형 유발. and 잔류 오스테나이트의 Ms 점이 상승 -> 냉각과정에서 martensite 변태에 의한 경화
14. 품질향상 : 용제법 중요. ESR법 -> 조직 미세화, 방향성 감소.
* ESR법(electro-slag refining process) : 대기중이나 불활성가스하에서 용융슬래그의 줄(Joule)열에 의해 소모전극을 용해하고, 수냉동(銅) 도가니 내에서 순차 응고시키는 방법.
15. 분말 소결 : 탄화물 균일분포, 미세화, 피연삭성 개선. 특히 고Cr, 고V계
16. 주의점 : 공구강으로 사용 시 절삭속도가 빨라 적열구간까지 도달 가능성 존재 -> 적열구간에서 템퍼링되지 않도록 주의. M형은 탈탄 경향 -> 열처리 시 온도 조절 주의.