SKD61의 정의 ,특성·용도·가공 방법까지 철저 해설

금형 재료로 유명한 SKD61은 고온 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘하는 열간 다이스강입니다.
이번 내용에서는 SKD61의 정의나 규격, 특성·특징에 대해 해설하고, 구체적인 용도나 가공 방법에서의 주의점에 대해 정리합니다. 설계·개발이나 조달 담당자가 재료 선정에 도움이 될 수 있도록 SKD61의 장단점, 다른 강재와의 비교 등을 알기 쉽게 정리하고 있으니 꼭 끝까지 봐 주세요.

SKD61의 정의

SKD61의 정의와 표준

SKD61은 일본 산업 규격(JIS G 4404)에 규정된 열간 다이스강의 일종입니다. 명칭인 「SKD」는 각각 S(강철), K(공구), D(다이스)를 의미하며, 말미의 「61」은 합금 성분 Grade를 나타냅니다.
미국 규격으로는 AISI H13에 해당하며, 독일 DIN에서는 1.2344와 동등한 재질입니다. SKD61의 화학성분은 JIS G 4404에서 다음과 같이 규정되어 있습니다.

단위 %

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	모	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 됩니다.

성분에는 탄소강을 기반으로 고온강도와 담금질성을 높이는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 인성을 향상시키는 바나듐(V) 등이 첨가되어 있어 고온강도와 내마모성, 인성을 균형 있게 높였습니다.

대표적인 사용 분야(금형·주조 등)

SKD61은 고온 환경에서 사용되는 금형이나 공구에 널리 사용되는 재료입니다. 대표적인 예로 알루미늄이나 마그네슘 다이캐스팅(금형 주조)이나 열간 단조용 금형을 들 수 있습니다.

다이캐스팅형에서는 용융금속을 고압으로 사출하기 때문에 금형이 반복적으로 고온에 노출되지만 SKD61은 가혹한 조건에서도 열피로나 열균열에 강한 내성을 가집니다.

또한 자동차 및 항공기 산업에서 사용되는 단조 금형에도 채택되어 급격한 온도 변화에도 견디는 특성을 평가 받고 있는 재료입니다. 플라스틱 사출 성형 금형이나 압출 금형, 열간 펀치(금속의 열간 펀칭 공구) 등 고온 또는 고부하 가공이 이루어지는 분야에서 폭넓게 이용되고 있습니다.

SKD61의 특성

뛰어난 기계적 특성과 물리적·화학적 특성은 SKD61이 선정되는 가장 큰 이유입니다. 여기서는 SKD61의 주요 특성에 대해 알아보겠습니다.

기계적 특성(강도・인성・내마모성)

SKD61은 열처리를 통해 경도와 강도가 향상되는 강재입니다. 적절한 열처리를 실시하면 내마모성이 뛰어난 표면을 실현할 수 있습니다.
JIS G 4404에서는 열처리 및 열처리 후의 경도 기준이 정해져 있습니다.

열처리(℃)	열처리 템퍼(℃)	열처리 템퍼 경도(HV)
1020 공냉	550 공냉	513

게다가 경도와 동시에 높은 인성을 갖추고 있는 점도 강점입니다. SKD61은 충격 하중에도 견디는 강인함을 갖고 있으며 심한 가공 조건에서도 깨짐이나 빠짐이 생기지 않는 특징이 있습니다.

또한 내마모성에 대해서는 같은 공구강의 SKD11만큼 극단적으로 높지는 않지만 충분히 높은 수준에 있습니다. 경도와 인성의 균형이 좋기 때문에 가혹한 조건에서 장기간 사용해도 큰 마모나 파손이 잘 일어나지 않는 것이 SKD61의 강점이라고 할 수 있습니다.

물리적·화학적 특성(내열성·내식성·열전도성)

SKD61의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다.

비중	열팽창 계수	세로 탄성계수(영률)
7.75	10.8×10 – 6/℃	205,800 N/mm²	21,000 Kgf/mm²

SKD61의 가장 큰 특징은 고온 환경에서의 강도 유지에 있습니다. 통상의 공구강은 고온이 되면 경도나 강도가 저하되지만, SKD61은 섭씨 300℃~500℃ 정도의 고온에서도 경도 저하가 적고, 열에 의한 열화에 강한 소재입니다. 이는 첨가된 Mo와 V 원소에 의해 고온에서의 조직 안정성과 내열 피로성이 높아지기 때문입니다.

열충격(급격한 가열냉각)에 대한 내성도 우수하고 온도변화가 심한 다이캐스팅 공정에서도 균열이 발생하지 않는 특성을 가집니다.

한편, 내식성에 대해서는 Cr 함유량이 약 5%로 스테인레스강만큼 높지 않기 때문에 녹슬기 쉬운 부류에 들어갑니다. 따라서 방청유 도포나 표면 처리(도금)에 의한 방청 대책이 필수적입니다.

SKD61의 장점

내열 충격성이 뛰어나다

SKD61의 큰 장점 중 하나가 열충격에 대한 뛰어난 내성입니다. 몰리브덴을 많이 포함한 배합 설계를 통해 고온 아래에서 인장 강도(강도)가 높게 유지되는 것이 특징입니다.

또한 바나듐의 첨가에 의해 고온시의 인성이 확보되어 급열 급냉에 의한 열균열(히트체크)이 발생하기 어려운 재료입니다. 결과적으로 금형의 수명 연장으로 이어져 유지보수 교환 빈도를 줄일 수 있습니다.

고온 아래에서 혹사되는 부품에서도 안정적인 강도와 치수를 유지할 수 있기 때문에 신뢰성이 높은 제조 공정에 공헌합니다.

광범위한 가공 적성

SKD61은 다양한 가공 공정에 대응하기 쉬운 점도 장점입니다. 우선, 미열처리 상태(소내재)에서는 비교적 절삭성이 양호하며, 밀링 가공이나 선반에 의한 절삭 가공으로 소정의 형상으로 절삭 가능합니다.

경도가 높은 강재이지만, 어닐링 상태에서는 HBW229 이하로 연화되어 있어 적절한 절삭 공구와 조건을 선택하면 가공할 수 있습니다. 또한 SKD61은 열처리 후에도 완전한 공랭으로 경화되는 강종으로 대형 부품에서도 균일하게 경도를 얻기 쉬운 성질이 있습니다.

각종 표면처리와 궁합도 좋으며 용도에 따른 추가 처리를 하면 성능을 커스터마이징 가능합니다.

비용과 성능의 균형이 좋음

SKD61은 성능과 비용의 균형이 뛰어난 강재입니다. 합금 공구강 중에서는 오래 전부터 표준적으로 사용되고 있기 때문에 유통량이 많고, 입수하기 쉬운 재료이기도 합니다. 수요와 공급이 안정되어 있기 때문에 가격도 비교적 안정되어 있으며, 특수강 중에서는 극단적으로 고가인 것은 아닙니다.

한편 성능면은 전술한 바와 같이 높고, 가성비가 양호합니다. SKD61은 가공성이 비교적 좋고 인성이 높아 쉽게 파손되지 않으며, 장기적으로 봤을 때 운용 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있습니다.

초기 재질 비용이나 가공비는 필요해도 수명 연장에 의한 교환 빈도 저감이나 트러블 방지로 전체 비용 저감으로 이어지기 쉽습니다.

SKD61의 단점

고경도 때문에 가공이 어려움

SKD61은 경도가 높고 내마모성이 뛰어나면서도 가공하기 어려움이라는 과제를 갖습니다. 특히 열처리 및 열처리 후 경화처리를 거친 상태에서는 절삭가공이 어렵습니다.

경화 후 경도 HV513이나 되는 SKD61은 일반적인 절삭 공구로는 날이 서지 않을 정도로 단단하며 가공 중 공구 마모가 심하게 진행됩니다. 연삭기에 의한 연마 가공이라도 딱딱한 만큼 가공에 시간이 걸려 생산성에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 SKD61은 소정의 기계적 성질을 얻기 위해 열처리 온도가 1020℃ 내외로 고온이 필요하며 열처리 설비나 기술이 요구되는 점도 어려움 중 하나입니다. 열처리 전의 어닐링재 단계에서 가능한 한 최종 형상에 가깝게 가공을 마치고, 마무리 연삭값을 최소화합시다.

열처리로 인한 치수 변화 위험

SKD61 뿐만 아니라 공구강 전반에서 말할 수 있는 것입니다만, 열처리에 의해 마르텐사이트 조직으로 변태되어 경화할 때 소재 내부에 응력이 생기기 때문에 부피 변화나 변형이 불가피합니다. SKD61의 경우도 열처리 후 약간의 수축이나 변형이 일어나기 쉬워 정밀한 치수가 요구되는 부품에서는 문제가 될 수 있습니다.

특히 큰 금형 부품 등에서는 부분적인 냉각 속도 차이로 인해 변형량이 불균일해지기 쉽습니다. 설계 단계에서 기계 가공의 마무리(변형 제거대)를 마련해 두고, 열처리 후에 최종 연마로 치수를 정돈하는 것이 일반적입니다.

대책을 강구하지 않으면 예상치 못한 치수의 이상이나 변형이 제품 불량을 초래할 우려가 있기 때문에 SKD61의 열처리 공정은 세심한 주의가 필요합니다.

SKD61의 용도

SKD61의 주요 용도를 소개합니다.

다이캐스트 금형

SKD61은 다이캐스팅(고압 주조) 금형에 널리 채택된 재료입니다.

알루미늄이나 아연 등의 용융 금속을 금형에 사출하는 다이캐스팅 공정에서는 금형 표면이 수백 ℃에 이르고 이후 냉각되는 사이클을 반복합니다. SKD61은 가혹한 조건에서도 고온 강도를 유지하고 열피로에 강하기 때문에 자동차 엔진 부품이나 통신기기 케이스 등 다이캐스팅 금형에 표준적으로 사용됩니다.

적절한 열처리와 표면처리를 하면 수천 샷의 사출에 견디는 고내구성을 실현할 수 있습니다. 내열 충격성에 의해 히트 체크의 발생을 억제하고, 제품의 치수 정밀도를 장기간 안정시킨다는 장점도 있습니다.

압출 금형

SKD61은 압출 성형, 특히 알루미늄 재질의 압출에 있어서 중요한 재료입니다. 500℃ 전후의 고온 고압 환경에서 사용되는 압출 다이스는 마모와 열응력에 견딜 필요가 있으며, SKD61은 이러한 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.

SKD61제의 압출 금형은 고온에서의 강도 저하가 적고 형상을 유지하기 때문에 제품 치수의 안정에 도움이 됩니다. 또한 적당한 인성으로 압출 충격에도 견디고 장시간 연속 생산에 적합하다는 점도 강점입니다.

알루미늄 새시나 히트 싱크 등의 형상재를 제조하는 압출 라인에서 다이스 교환 빈도를 줄이고 생산 효율을 높이는 효과를 기대할 수 있습니다.

단조 금형

SKD61은, 자동차 부품이나 항공기 부품의 제조에 이용되는 열간 단조 금형에 활용되고 있습니다.

열간 단조는 강철 덩어리를 약 1000℃로 가열하여 프레스기로 성형하는 가혹한 환경입니다. SKD61은 고온에서 강인함과 내마모성, 충격 하중에 대한 인성에 강점을 가진 재료입니다. 따라서 크랭크 샤프트나 기어 블랭크 등의 다이스 재료로서 금형의 연화 및 파손 위험을 저감하고 반복 성형에 견딜 수 있습니다.

SKD61은 수백 수천 톤의 압력이 가해지는 열간 단조의 부담을 견디기 위한 강재라고 할 수 있습니다.

내열 부품(항공기·자동차 등)

SKD61은 금형뿐만 아니라 항공기 엔진이나 자동차 배기계 등 500℃ 정도의 고온 환경에서 사용되는 기계 부품에도 이용됩니다.

고온 강도와 내열 피로성이 필요한 사출 성형기의 실린더나 노즐 등에도 적합하며, 400~500℃ 정도까지의 고온 부품에 있어서는 고가의 초합금 대체로서 경제적인 메리트도 제공 가능합니다.

SKD61의 가공방법과 주의점

다음으로 SKD61의 가공 종류와 주의점에 대해 정리합니다.

열처리(템퍼링의 최적 조건)

SKD61의 성능은 열처리에 크게 좌우됩니다.

일반적인 열처리 흐름은 우선 소제를 하여 소재를 연화시키고 가공하기 쉽게 만든 후에 소제 및 소제를 실시하여 필요한 경도와 인성을 부여하는 순서입니다.

어닐링은 820~870℃에서 이루어집니다. 열처리는 약 1020℃라는 고온까지 가열한 후, 공랭에 의해 실시합니다. 이대로는 내부 응력이 크고 취약한 상태이므로 고온 열처리를 2회 정도 실시합니다. 열처리 온도는 550℃이고, 그 후, 공랭합니다.

열처리 시 변형 대책과 표면 품질에 주의가 필요하며 진공로 사용이나 서냉 등의 연구가 필요합니다.

절삭 가공(공구 마모·절삭 조건)

SKD61의 절삭 가공은 기본적으로 열처리 전의 어닐링 재료에 대해 실시합니다.

어닐링재에서도 경도는 HBW229 이하로 비교적 고경도이지만, 초경 공구나 코팅 공구를 사용하여 낮은 절삭 속도와 충분한 절삭유, 고강성 공작 기계와 공구 홀더를 사용하면 절, 선삭, 홀 가공이 가능합니다. 공구 마모가 심한 경우에는 세라믹 공구나 CBN 공구도 검토됩니다.

고경도재의 최종 가공에는 방전 가공(EDM)이 유효합니다. SKD61은 난삭재이지만, 부드러운 단계에서의 조가공과 경화 후의 마무리라는 순서를 거치면 정밀 가공이 가능합니다.

연마 가공(표면 마무리·균열 방지의 포인트)

SKD61의 최종 마무리에는 연삭기에 의한 연마 가공이 사용됩니다.

열처리 후의 SKD61은 매우 딱딱하기 때문에 적절한 숫돌을 선정하여 자주 드레싱을 실시하는 것이 중요합니다. 연삭 중 숫돌의 막힘이나 연삭 연소를 방지하기 위해 충분한 냉각액 공급과 적절한 이송 속도, 절삭 설정이 필요합니다.

고품질, 고신뢰성의 마무리에는 「열과 응력을 남기지 않는」 것이 요구됩니다.

다른 합금강과의 비교

여기에서는 자주 비교 대상이 되는 SKD11(냉간 다이스강)과의 차이나 스테인스강(SUS계)과의 특성 차이에 대해 해설합니다.

SKD61과 SKD11의 차이(내마모성 vs 내열성)

공구강으로 널리 쓰이는 SKD61과 SKD11은 각각 「열간다이스강」과 「냉간다이스강」으로 분류돼 성능 특성과 적합한 용도가 다릅니다.

SKD11은 고탄소·고크롬 성분으로 SKD61보다 경도와 내마모성이 우수한 반면 200℃를 넘으면 급격히 경도·강도가 저하됩니다. 한편 SKD61은 인성이나 고온 아래에서의 강도 유지가 뛰어나고 Mo나 V의 함유로 300℃ 근처에서도 강도를 유지할 수 있다는 점이 강점입니다.

이 때문에, 상온~중온역에서의 내마모성과 긴 수명을 요구한다면 SKD11, 반복적으로 고온에 노출되는 환경에서의 내구성을 요구한다면 SKD61이 적합합니다.

스테인스강(SUS계)과의 비교

SKD61과 스테인레스강(SUS420J2 등)은 금형 분야에서 부식 대책의 선택지로서 비교 검토됩니다. 주요 차이점은 내식성과 고온 특성입니다.

스테인레스강은 내식성이 뛰어난 반면 고온에서의 강도 유지력은 공구강만큼 높지 않습니다. SKD61은 고온 강도가 뛰어나지만 내식성은 뒤떨어집니다. 가공성에서는, 스테인레스강은 가공 경화하기 쉬운 반면, SKD61은 어닐링을 하면 비교적 가공하기 쉽습니다. 비용 측면에서는 일반적으로 스테인레스강이 더 비쌉니다.

방청이 최우선이면 스테인레스강, 그렇지 않으면 SKD61이라는 판단이 현장에서 이루어집니다.

설계 판단에 도움이 되는 특성 비교표

아래에 SKD61과 대표적인 비교 대상인 SKD11 및 참고로서 스테인레스강(SUS420계)의 주요 특성의 비교를 정리합니다.

특성 항목	SKD61(열간 공구강)	SKD11(냉간 공구강)	스테인레스강(SUS420계)
경도(HRC)※열처리 후	53~56정도	58~62정도	~50 정도(최대 경화시)
상온에서의 내마모성	높음(범용 금형으로 충분)	매우 높음(긴 수명)	보통
고온 환경에서의 강도 유지	우수(300℃에서도 강도 유지)	열등(200℃ 이상에서 저하)	다소 뒤떨어짐(400℃ 이상에서 저하)
靱性 (끈끈함 충, 내성 성)	높음(열충격에도 강함)	중간~낮음(딱딱하고 부서지기 쉬운)	중간 정도(인성은 있지만 경도 낮음)
내식성 (녹에 어려움)	낮은 (요방 녹 처리)	약간 높음(Cr 약 12%)	매우 높음(강점)
피삭성(가공의 용이성)	어닐링 상태에서는 비교적 양호	조금 어렵다(가공 경화 적지만 경도 높음)	어렵다(가공 경화・끈끈함 있음)
재료 비용 및 유통성	표준(입수 용이, 개량강도 많음)	표준 (가용성, 대체 강종이 많음)	높음(특수 용도용으로 가격 높음)
주요 용도 예	다이캐스트 금형, 열간 단조형, 열간 공구류	프레스 금형, 칼, 펀치, 수지 금형	부식성 수지용 금형, 식품 의료용 부품

설계주의 사항

여기에서는, 설계자·조달 담당자가 파악해 두고 싶은 SKD61 선정시의 주의점을 정리합니다.

열처리를 전제로 한 공차·형상 설계

SKD61의 성능을 최대한 끌어내기 위해서는 열처리가 필수적입니다. 열처리에 의한 치수변화나 변형을 고려하여 연삭마감대를 확보하고 공차를 설정합시다.

열처리 시 깨짐이나 변형을 피하기 위해 예각적인 코너나 급격한 두께 변화를 피하고 코너에는 R을 설치하여 두께를 균일하게 하는 설계가 바람직합니다. 특히 정밀 부품에서는 이러한 배려가 품질을 좌우합니다.

열처리 후 절삭가공은 거의 불가능하므로 나사 이나 키홈 등의 가공은 반드시 열처리 전에 완료해야 합니다.

비용과 공급 안정성의 관점

SKD61의 재료비용은 성능에 맞는 범위이지만, 조달 로트나 시장 상황에서 변동합니다. 특수강이기 때문에 일반 구조용 강재보다 고가인 반면 국내외 제조업체에서 공급되므로 입수성은 양호합니다.

비용면에서 중요한 것은 가공 후의 비용입니다. 대형 금형에서는 열처리 및 연삭 마감에 비용이 소요되지만, 이를 통해 금형 수명의 연장 및 제품 품질의 향상을 기대할 수 있기 때문에 장기적으로는 비용 메리트가 큰 경향이 있습니다.

가공시・사용시의 주의점

SKD61 소재의 가공 시 및 사용 시에는 몇 가지 주의 사항이 있습니다.

가공 시 열처리에 의한 변형을 고려한 설계와 정밀 부품에서는 열처리 후 연마 공정 계획이 필요합니다. 사용시 녹이 쉽게 슬기 때문에 장기보관이나 고습도 환경에서는 방청처리가 필수이며 금형에서는 방청유 도포나 정기적인 녹제거가 중요합니다.

또한 큰 지그나 금형을 상온에서 급격히 고온 환경에 투입하면 균열의 원인이 되므로 예열에도 주의가 필요합니다.

대체 재료를 고려해야 할 경우

SKD61은 우수한 재료이지만 용도에 따라 다른 재질이 더 적합할 수 있습니다. 구체적인 예는 다음과 같습니다.

• 매우 높은 내마모성이 필요한 경우 : SKD11이나 고속도강
  
• 부식 환경: 스테인스계 금형 재료
  
• 가공성 우선 시제 및 소량 생산: 프리하든강
  
• 600℃ 이상의 고온에서 사용 시 : 니켈기 초합금 및 세라믹스 등의 전용 내열재료
  

정리

이번 내용에서는 열간 다이스강 SKD61에 대해 기본적인 특성부터 구체적인 용도, 가공상의 주의점까지를 해설했습니다. SKD61은 JIS 규격에 정해진 합금 공구강으로, 특히 고온 환경에서의 강도와 인성이 우수합니다. 이 특성은 크롬, 몰리브덴, 바나듐과 같은 첨가 원소에 의해 초래되며 다이캐스팅 금형이나 열간 단조 금형과 같은 가혹한 환경에서 진가를 발휘합니다. 그 장점은, 뛰어난 내열 충격성이나 폭넓은 가공 적성, 성능과 비용의 밸런스의 좋은 점입니다. 한편 열처리 후의 높은 가공이나 열처리에 따른 치수변화의 리스크 등의 단점도 존재하여 설계 단계에서 고려해야 합니다. SKD61을 최대한 활용하기 위해서는 열처리를 전제로 한 공차 설계나 깨짐을 방지하기 위한 형상의 연구가 필수적입니다. 또한 SKD11이나 스테인레스강과 같은 다른 재료와의 특성을 올바르게 비교하고 용도에 따라 최적의 재료를 선정하는 관점도 필요합니다. 이 내용에서 설명한 SKD61의 정보를 재료 선정 및 금형 설계, 조달 업무에 꼭 활용하시기 바랍니다.