제조업의 설계 및 개발 담당자에게 있어 금형이나 기계부품의 재료선정은 제품의 품질과 수명을 좌우하는 포인트입니다. 그 중에서도 합금공구강 SKD11은 뛰어난 고경도와 내마모성으로 금형이나 정밀부품에 많이 사용되고 있는 재료입니다. 다만 SKD11의 성능을 이끌어내려면 깊은 지식이 필요합니다.
이번 내용에서는 SKD11의 기본 특성이나 장점·단점을 해설하고, 구체적인 용도 예시나 가공의 주의점도 정리합니다. 금형이나 기계 부품의 재료 선정에 관련된 설계·개발 담당자는, 꼭 끝까지 봐 주세요.
목차
SKD11의 정의
SKD11은 합금 공구강의 일종입니다. 「다이스강」라고 하는 대표적인 냉간 가공용 합금 공 구강으로, 주로 금형 재료로 사용됩니다. SKD11의 화학 성분은 다음과 같습니다.
단위 %
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | W | V |
| 1.40~1.60 | 0.40 이하 | 0.60 이하 | 0.030 이하 | 0.030 이하 | 11.00~13.00 | 0.80~1.20 | ※ | 0.20~0.50 |
※의도적으로 첨가해서는 안 된다.
크롬량은 많지만 탄소량도 매우 높기 때문에 스테인레스강이 아닌 공구강으로 분류됩니다. 적절한 열처리를 통해 고경도와 뛰어난 내마모성을 발휘하여 프레스 금형과 날붙이 등에 널리 채택되었습니다. 많은 철강 메이커로부터 같은 등급품도 공급되어 입수하기 쉬운 표준 재료입니다.
SKD11과 SKD61의 차이
SKD11과 비교되는 합금 공구강 중 하나로 SKD61이 있습니다. SKD61의 화학성분은 다음과 같습니다.
단위 %
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | W | V | Co |
| 0.35~0.42 | 0.80～
1.20 |
0.25～
0.50 |
0.030 이하 | 0.020 이하 | ※ | 4.80~5.50 | 1.00~1.50 | ※ | 0.80~1.15 | ※ |
※의도적으로 첨가해서는 안 된다.
SKD61은 중탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐계의 열간 금형용 강철로 열처리 경도는 SKD11보다 떨어지지만 고온 환경에서도 경도가 크게 저하되지 않아 우수한 인성과 내히트 체크성(열균열 저항)을 지닙니다. 다이캐스팅 금형이나 열간 단조 금형 등 반복적으로 고온에 노출되는 가혹한 조건에서 사용되는 재료입니다.
SKD11의 특성
SKD11이 공구강으로 높은 평가를 받는 이유로 우수한 재료 특성을 들 수 있습니다. 여기에서는 SKD11의 기계적 특성과 물리·화학적 특성에 대해 알아보겠습니다.
기계적 특성(경도·인성 등)
SKD11의 기계적 특성으로 우선 꼽을 수 있는 것이 경도의 높이입니다. 열처리로 경도가 높아져 매우 우수한 내마모성을 나타냅니다.
한편, 경도가 높은 재료는 일반적으로 인성이 저하되어 취약해지는 경향에 있습니다만, SKD11은 고경도재 중에서는 비교적 양호한 인성을 가지는 재료입니다.그 때문에, 충격 하중이 가해지는 용도라도 어느 정도의 내성을 나타냅니다.
물리·화학적 특성(열처리성·내식성 등)
SKD11의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다.
| 비중 | 열팽창 계수 | 종탄성계수(영률) | |
| 7.85 | 11.7×10⁻⁶/℃ | 205800 N/mm² | 21000 Kgf/mm² |
SKD11의 중요한 물리적 특성으로 우수한 열처리성을 들 수 있습니다. 몰리브덴 등의 합금 원소의 첨가로 열처리성이 높고, 비교적 큰 단면의 부품이라도 공기 중 냉각(공냉)으로 충분히 경화시킬 수 있습니다. 또한 열처리 후의 치수 변화가 매우 작은 것도 큰 특징입니다.
화학적 특성에서는 약 12%의 크롬을 함유하기 때문에 일반적인 탄소강보다 양호한 내식성을 보입니다. 단, 탄소 함유량도 높기 때문에 스테인레스강만큼의 방청력은 없으며, 사용 환경에 따라 방청 처리가 필요합니다.
SKD11의 장점
높은 내마모성
SKD11의 가장 큰 장점은 뛰어난 내마모성입니다. 1.5% 정도의 고탄소와 12% 정도의 고크롬에서 유래한 다량의 경질 탄화물(주로 크롬 탄화물)이 강철 중에 분산 존재하며, 적절한 열처리에 의해 지조직이 고경도의 마르텐사이트가 됨으로써 실현됩니다.
경질 탄화물이 접동면이나 절삭 에지를 보호하고 마모 진행을 대폭 억제합니다. 특히 열처리에 의해 표면뿐만 아니라 재료 내부까지 균일하게 가까운 고경도를 얻을 수 있으므로 마모가 진행되어도 성능이 저하되지 않으며 가혹한 마모 환경에서 사용되는 부품에 매우 적합합니다.
열처리 후 치수 안정성
SKD11은 열처리 후 치수 변화가 작은 것으로도 알려져 있습니다. 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐과 같은 복수 원소의 작용으로 열처리를 진행할 경우, 조직 변화에 따른 부피 팽창과 왜곡이 최소화되기 때문입니다.
정밀한 치수 정밀도가 요구되는 금형 부품이나 게이지 종류 등에서는 열처리 후의 치수 변화가 적은 것은 가공 정밀도의 유지나 조립의 조정 작업의 삭감으로 직결됩니다. 다른 공구강과 비교해도, SKD11의 치수 안정성의 높이는 두드러집니다.
광범위한 가공 적성
비교적 폭넓은 가공 방법에 대응할 수 있는 점도 SKD11의 장점입니다. 열처리 전의 어닐링 상태에서는 비교적 경도도 낮아 절삭 가공(선반, 밀링 머신 등)이나 홀 가공이 가능합니다. 탄소강만큼 쉽지는 않지만 적절한 공구와 가공 조건을 선정하면 복잡한 형상 가공도 할 수 있습니다.
열처리로 고경도를 얻은 후에는 연삭 가공을 통해 정밀한 마감이 가능합니다. 또한 와이어컷 방전가공이나 형각 방전가공과 같은 특수가공에도 적합하며, 열영향에 의한 변형이 비교적 적기 때문에 미세하고 복잡한 형상을 가지는 금형부품의 제작에 많이 사용됩니다.
SKD11의 단점
가공할 경우, 경도와 난삭성
매우 높은 경도가 특징인 SKD11의 단점은 가공의 어려움입니다. 특히 열처리 후의 높은 경도 상태에서는 일반 절삭 공구로는 치아가 서지 않고, 극히 가공이 어렵습니다. 따라서 형상 가공의 대부분은 열처리 전의 어닐링 상태에서 실시해야 합니다.
어닐링 상태에서도 탄소강 등과 비교하면 단단하고 공구 마모도 빠르기 때문에 가공 속도를 줄이거나 초경 공구나 코팅 공구를 사용하는 등의 궁리가 필요합니다. SKD11의 가공의 어려움은 가공 시간과 비용의 증가로 직결되는 큰 과제입니다.
열처리 후 취성 위험
SKD11은 인성이 뛰어나다고는 하지만 고경도재인 이상 취성 리스크에 주의해야 합니다. 특히 열처리 조건, 특히 열처리 온도를 잘못 선정하면 인성이 현저하게 저하되고 취약해집니다.
일반적으로는 고경도를 중시하는 경우 180~200℃에서의 저온 열처리, 인성을 중시하는 경우 500℃ 이상에서의 고온 열처리(2차 경화 이용)이 권장됩니다. SKD11을 최대한 살리기 위해서는 열처리 조건의 최적화가 중요하며, 부적절한 처리는 재료의 취화나 파손 위험을 높여준다는 점에 주의합시다.
비용면의 과제
크롬·몰리브덴·바나듐과 같은 고가의 합금 원소를 많이 함유하고 있는 SKD11은 재료 자체의 가격이 일반적인 탄소강이나 저합금강에 비해 비쌉니다. 재료 비용의 높이는 제품 전체의 비용을 끌어올리는 요인이 됩니다.
또, 가공성이 나빠서, 가공에 걸리는 시간도 길어지고, 특수한 공구나 설비가 필요한 경우도 있기 때문에, 가공 비용도 비교적 비싸지는 경향이 있습니다. SKD11을 채택할 때는 오버스펙이 되지 않도록 비용과 성능의 균형을 고려합시다.
SKD11의 용도
SKD11의 주요 용도는 다음과 같습니다.
| 용도 분류 | 구체적인 부품·공구 예 |
| 금형(냉간압조·프레스용) | 펀치・다이・조리개형・절곡형・헤더・다이스・전단날・압연롤・성형롤 등 |
| 산업 기계 부품 | 가이드 레일, 라이너 플레이트, 캠, 기어, 슬라이딩 부시, 척 클로, 내마모 플레이트, 위치 결정 핀 등 |
| 칼・절단 공구 | 공업용 커터, 슬리터 나이프, 단재기용 칼, 샤블레이드, 금 절삭날, 터거 등 |
| 분말 성형 금형 | 금속 분말 성형용 금형(코어 로드·다이)·세라믹 분말 성형용 금형·초경 합금 성형용 펀치 등 |
위의 기재된 용도에 있어서, 높은 내마모성이나 경도, 그리고 치수 안정성을 살려, 부품의 장수명화·생산성의 향상·유지보수 빈도의 삭감에 공헌합니다.
SKD11의 가공 종류와 설계 포인트
다음으로 SKD11의 가공 종류와 설계 포인트에 대해 정리합니다.
| 가공 종류 | 설계 포인트 |
| 절삭 가공(선반·밀링) | 열처리 전의 어닐링 상태에서 가능한 최종 형상에 가깝게 하고, 연삭 값은 최소한으로 합니다. 공구 선정과 저속 가공을 전제로 한 설계가 필요합니다. |
| 열처리 | 목표 경도와 인성의 균형을 고려한 열처리 온도를 지시(취화 온도역 회피)합니다. 변형 억제를 위해 두께 균일화 및 대칭성을 의식합니다. |
| 연삭 가공 | 연삭 균열 방지를 위해 과도한 발열을 피하는 형상으로 정밀한 최종 마감 비용 확보합니다. 미소한 R이나 C면에서 엣지 보호가 필요합니다. |
| 방전 가공 | 경화층(백층) 제거의 연마대를 고려합니다. 미세 형상이 가능하지만 응력 집중 완화를 위해 가능한 범위에서 코너에 R을 부여합니다. |
SKD11 FAQ
여기에서는 SKD11에 관한 자주 묻는 질문에 대해 답변합니다.
Q1. SKD11은 녹슬기 쉬운가?
SKD11의 내식성은 일반적인 탄소강보다는 우수하지만 스테인레스강만큼 양호하지는 않습니다. 수분이나 부식성 가스가 존재하는 환경에서는 녹이 발생할 가능성이 있기 때문에 장기적인 방청 성능을 기대하는 경우에는 도금이나 화성 처리 등의 표면 처리 등의 대책이 필요합니다.
Q2. SKD11에 적합한 표면 처리가 있습니까?
내마모성 및 내식성의 추가적인 향상, 슬라이딩 특성의 개선 등을 목적으로 한 다양한 표면 처리가 적용 가능합니다. 대표적으로 경질 크롬 도금이나 무전해 니켈 도금은 내식성과 표면 경도를 높입니다. 질화 처리에 의한 내마모성 향상과 PVD 코팅 및 CVD 처리에 의한 내마모성, 내열융착성, 이형성 부여도 이용됩니다.
Q3. SKD11을 채용할 때의 설계상의 주의점은 무엇입니까?
고경도이기 때문에 가공의 어려움과 인성이 다른 구조용 강철에 비해 낮은 점을 고려한 설계가 필수적입니다. 예각인 코너나 급격한 두께 변화는 응력 집중을 초래하여 열처리시나 사용 중 깨짐의 원인이 되기 쉽기 때문에 가능한 한 큰 R을 마련해야 합니다. 또, 열처리 후에는 절삭 가공이 거의 불가능하게 되기 때문에, 나사 구멍이나 키 홈등의 형상은 열처리 전에 마무리합시다.
Q4. SKD11의 대체 재료와 개량 강종에는 무엇이 있습니까?
SKD11은 고온 열처리를 하면 경도가 저하되고 내마모성이 열화됩니다. 고온 열처리를 해도 경도를 저하시키고 싶지 않은 경우에는 DC53 등의 강재를 이용하는 경우가 있습니다. 또한 작은 펀치나 다이로 인성을 요구할 경우 SKD11 대신 사용되는 것이 고속도강 SKH51입니다. 용도나 비용에 따라서는 열간 용도용 SKD61, 추가적인 고경도·고내마모성을 요구한다면 분말 하이스강 등도 대체 후보가 될 수 있습니다.
Q5. SKD11과 DC53의 차이점은?
DC53은 대동특수강이 개발한 SKD11의 개량강으로 인성과 내결성이 대폭 향상되었습니다. 500℃ 이상의 고온 열처리에서도 HRC63을 유지하여 열처리 후의 치수 변화가 작은 것이 특징입니다. 또한 탄화물의 미세화로 피삭성, 피로강도가 높아지며 방전가공 후 왜곡도 적어 용접보수가 용이합니다.
Q6. SKD11은 열처리 없이도 사용할 수 있습니까?
SKD11은 열처리를 해야만 고경도(HRC58 이상)를 얻을 수 있는 공구강입니다. 미열처리 상태에서는 HRC25 전후로 강도가 부족하여 내마모 부품에 적합하지 않습니다. 아무리 해도 열처리를 할 수 없는 설계에서는 미리 중경도화된 프리 하든강을 선정하는 것이 일반적입니다.
Q7. SKD11의 내열 온도는 얼마입니까?
SKD11은 저온소환으로 최고 경도가 되지만, 200℃ 이상에서 사용하면 경도가 서서히 떨어지기 시작해 500℃ 근처에서는 HRC57 이하까지 연화됩니다. 따라서 실용상 내열온도는 500℃ 정도로 합니다. 고온 환경에서는 SKD61 등 열간 공구강이 후보로 거론됩니다.
정리
열처리 후에 고경도와 높은 내마모성을 발휘하는 SKD11은 냉간 프레스 금형이나 날붙이·기계 슬라이딩 부품 등 상온 영역에서 수명을 중시하는 용도로 최적입니다. 단, 경화 후에는 난삭재가 되는데다 재료 단가도 높기 때문에 설계 단계에서의 판별이 매우 중요합니다.
이번 내용에서 소개한 SKD11의 특성이나, 장점·단점을 참고해, 최적의 제품 설계·개발을 실현해 주세요.
