STD11 열처리

왜 배우는가: STD11은 프레스 금형과 블랭킹 금형에 널리 쓰이는 냉간 금형강이므로, 열처리 조건이 금형의 수명과 치수 안정성을 직접 좌우한다. 답안에서는 담금질과 템퍼링의 목적을 원리와 함께 설명해야 하므로 반복해서 출제되는 핵심 주제이다.

출제 이력: 제136회 2교시 3번, 제112회 2교시 1번, 제103회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

STD11 열처리는 고탄소·고크롬 냉간 금형강을 담금질하여 고경도를 얻고, 템퍼링으로 인성과 치수 안정성을 확보하는 열처리이다.

STD11은 KS 규격의 냉간 금형용 합금공구강이며 일본 규격 SKD11에 상당한다. 탄소 약 1.5%와 크롬 약 12%를 함유하여 담금질성과 내마모성이 크고, 몰리브덴과 바나듐을 소량 첨가하여 템퍼링 연화저항을 높였다. 답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 오스테나이트화: 담금질 전에 강을 오스테나이트 영역까지 가열하여 탄화물을 적당히 고용시키는 단계이다.
• 마르텐사이트: 오스테나이트를 급랭하여 얻는 고경도 조직이다.
• 잔류 오스테나이트: 담금질 후 상온에 남는 오스테나이트 조직으로, 경도와 치수 안정성을 떨어뜨린다.
• 저온템퍼링: 150~200℃에서 행하는 템퍼링으로, 경도를 거의 유지하면서 담금질 응력을 제거한다.
• 고온템퍼링: 550~650℃에서 행하는 템퍼링으로, 인성을 높이고 2차 경화를 이용한다.
• 2차 경화: 고온템퍼링 중 특수 탄화물이 석출하여 경도가 다시 높아지는 현상이다.
• 심냉처리: 담금질 후 상온 이하로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 바꾸는 처리이다.

2. 개념 풀이

STD11 열처리는 강을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤 급랭하여 마르텐사이트 조직을 얻고, 이를 변태점 이하의 온도로 재가열하여 인성과 치수 안정성을 확보하는 일련의 처리이다. 금형에서는 담금질이 경도와 내마모성을 결정하고, 템퍼링이 취성과 잔류응력을 줄이며 사용 중 경도를 조절한다.

원리는 다음과 같다. 오스테나이트화 온도에서 탄소와 합금원소가 기지에 고용된다. 이를 급랭하면 탄소가 확산할 시간이 없어 체심정방 구조의 마르텐사이트가 생성된다. 마르텐사이트는 고경도이지만 과포화된 탄소 때문에 격자가 뒤틀려 취약하고 내부 응력이 크다. 템퍼링은 과포화된 탄소를 탄화물로 석출시켜 격자의 뒤틀림을 풀어 주므로, 경도는 다소 낮아지고 인성은 크게 향상된다.

STD11의 내마모성은 크롬 탄화물이 담당한다. 크롬 약 12%는 Cr7C3 형 탄화물을 다량 형성하여 표면의 마모 저항을 높인다. 이 탄화물은 오스테나이트화 온도에서 일부만 용해되므로, 가열 온도를 지나치게 높이면 잔류 오스테나이트가 늘고 경도가 떨어진다. STD11 오스테나이트화 온도는 1,020~1,050℃이다. 예열은 800~850℃에서 행하여 가열 중 변형을 줄이고 오스테나이트화 온도에서의 유지시간을 짧게 한다. 합금공구강은 열전도도가 작아 내외부의 온도차가 커지기 쉽기 때문이다.

담금질 매질은 공랭 또는 유냉이다. 크기가 큰 금형이나 형상이 복잡한 금형은 공랭으로 냉각해야 변형과 균열이 줄어든다. 담금질 후에는 템퍼링을 지체 없이 행해야 하며, 방치하면 잔류 응력이 높은 상태로 균열이 생길 수 있다.

템퍼링은 목적에 따라 두 가지로 나뉜다. STD11 저온템퍼링 온도는 150~200℃이다. 이 온도에서는 경도를 HRC 58 이상으로 유지하면서 응력을 제거하므로 내마모성이 중요한 절삭형이나 펀치에 적용한다. STD11 고온템퍼링 온도는 550~650℃이다. 이 영역에서 바나듐과 몰리브덴의 특수 탄화물이 석출하여 2차 경화가 나타나므로, 경도 저하가 작으면서도 인성이 향상된다. 고온템퍼링에서 나타나는 2차 경화 때문에 템퍼링 온도 선택이 경도와 인성을 가른다.

템퍼링 취성은 300~400℃ 부근의 중간 온도 영역에서 나타나므로 이 영역의 템퍼링은 피한다. 고온템퍼링 후에도 서냉하면 취성이 생기므로 냉각 방식도 함께 고려한다. 잔류 오스테나이트가 많은 금형은 심냉처리로 줄이며, 심냉처리는 저온으로 냉각하는 처리이다. 심냉처리를 거친 금형은 치수 변화가 작아지고 내마모성이 향상된다.

3. 등장 배경과 필요성

냉간 금형은 블랭킹, 성형, 드로잉 과정에서 피가공재와 높은 접촉응력과 마찰을 받으므로 내마모성과 강도가 함께 필요하다. 초기에는 탄소공구강(STC)이 쓰였으나, 탄소공구강은 경화능이 낮아 물에서 급랭해야 하고 표면만 경화되므로 대형 금형에서는 변형과 균열이 생기기 쉬웠다.