하이스강의 정의부터 특성,용도,가공 방법까지 해설

하이스강(고속도강, HSS)은 고온에서도 경도를 유지하는 「적열 경도」에 의해 고속 절삭을 가능하게 한 특수 공구강입니다. 드릴이나 엔드 밀과 같은 절삭 공구나 금형 내마모 부품의 성능을 끌어내는 데 중요한 재료입니다. 단, 뛰어난 성능을 발휘하기 위해서는 초경합금과의 특성 차이나 적절한 열처리, 강종의 선정에 관한 지식이 필수적입니다.
이번 내용에서는 하이스강의 기본 특성에서 장점, 단점, 초경합금과의 구체적인 차이점, 가공 시 포인트에 대해 설명합니다. 공구나 금형 부품의 재료 선정에 관련된 설계 및 개발 담당자는 끝까지 봐 주십시오.

하이스강의 정의

하이스강은 「고속도강(High Speed Steel, HSS)」이라고도 불리며, 고속에서의 금속 절삭을 가능하게 하기 위해 개발된 특수한 공구강입니다. JIS 기호는 SKH로 표시되며, 철에 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr)과 같은 합금 원소가 다량 첨가되어 있습니다. 대표적인 하이스강의 화학성분은 다음과 같습니다. 

단위 % 

※의도적으로 첨가해서는 안 된다. 

합금 원소를 첨가하면 고온에서도 경도가 저하되지 않는 「적열 경도」를 얻을 수 있습니다. 이러한 특성으로 기존의 공구강에서는 날 끝이 바로 마모되는 고속 회전, 고열의 가공 환경에서도 우수한 절삭 성능을 유지할 수 있습니다. 20세기 초에 발명된 이래 제조업의 생산성 향상에 공헌해 온 중요한 재료입니다.

하이스강의 특성 

하이스강이 공구 재료로서 우수한 이유는 특유의 성질에 있습니다. 여기에서는 기계적 특성과 물리 화학적 특성으로 나누어 강도의 비밀을 설명합니다. 

기계적 특성(경도·인성·내마모성 등) 

하이스강의 기계적 특성은 높은 경도와 뛰어난 인성을 양립하고 있다는 점에 있습니다. 이 밸런스에 의해, 초경합금과 같은 단단하지만 약한 재료와는 달리, 날카로운 절삭력과 잘 깨지지 않는 것을 겸비하고 있기 때문입니다.
열처리 및 열처리 후의 경도 기준이 정해져 있습니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다. 

실제로 열처리 후 경도가 높아 높은 내마모성을 나타내면서도 단속 절삭과 같은 충격이 가해지는 가공에서도 날 끝이 잘 빠지지 않아 안정적인 성능을 발휘합니다. 하이스강은 단순히 딱딱할 뿐만 아니라 「경직하고 끈질기다」는 높은 신뢰성이 최대 강점이며, 많은 공구에서 채택되는 이유가 되고 있습니다.

물리·화학적 특성(내열성·적열 경도·템퍼 내성 등) 

대표적인 하이스강인 SKH51 의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다. 

하이스강을 상징하는 물리적 특성은 고온에서도 경도를 유지하는 「적열 경도」입니다. 텅스텐이나 몰리브덴 등의 합금 원소의 작용으로 절삭 시 칼끝이 600℃ 근처까지 뜨거워져도 급격히 연화되지 않습니다.
기존의 공구강이 바로 마모되는 고속 절삭에서도 하이스강은 절삭력을 유지합니다. 이 뛰어난 내열성은 500℃ 이상에서 실시하는 특수한 열처리(2차 경화)에 의해 이끌어집니다.
화학적 특성으로는 약 4% 함유된 크롬(Cr)의 효과로 일정한 내식성과 내산화성을 갖습니다. 스테인레스강만큼은 아니지만 녹의 발생을 억제하고 고온에서의 산화를 방지하는 기능이 있습니다.
 

하이스강의 장점 

고온 하에서도 경도를 유지한다 

하이스강의 최대 장점은 고온에서도 경도를 유지할 수 있는 「적열 경도」입니다. 절삭 시 날 끝이 마찰열로 고온이 되어도 재료가 즉시 연화되지 않고 절삭력을 유지할 수 있기 때문입니다.
스테인레스강과 같은 난삭재 가공에서는 날 끝 온도가 상승하기 쉽지만, 하이스강제의 드릴은 마모 진행이 완만하여 안정적인 가공이 가능합니다. 「열에 강하다」는 특성이 공구의 수명 연장과 가공 품질 안정에 크게 기여합니다. 

인성과 내마모성의 균형이 좋음 

하이스강은 높은 경도와 뛰어난 인성을 양립하고 있는 점이 큰 장점입니다. 초경합금처럼 극단적으로 단단한 재료는 충격으로 쉽게 깨지지만, 하이스강은 끈기가 있기 때문에 간헐적인 절삭이나 진동이 가해져도 날 끝의 칩핑(미소한 깨짐)이 일어나기 어렵기 때문입니다.
드릴링 머신에서의 수작업 홀 가공등 절삭 조건이 불안정해지기 쉬운 상황에서도 하이스공구는 절손 위험이 낮아 안심하고 사용할 수 있습니다. 「경직하고 끈질기다」라고 하는 밸런스의 좋은 점이, 폭넓은 용도로 신뢰받는 이유입니다. 

재연마에 의한 장수명화가 가능 

하이스강 공구는 마모된 날 끝을 재연마하여 반복적으로 사용할 수 있기 때문에 경제성이 우수하다는 장점도 있습니다. 하이스강은 강재이므로 비교적 연마가 쉽고 전문 업체뿐만 아니라 사용자 자신도 날끝을 재생할 수 있습니다. 공구를 다 쓰는 것이 아니라 여러 번 수명을 연장하여 사용할 수 있습니다.
마모된 공구를 드릴 연마기로 다시 연마하면 신품에 가까운 절삭력을 회복시킬 수 있습니다. 재연마를 전제로 한 운용이 가능하므로 공구 하나당 총 비용을 절감할 수 있습니다.

하이스강의 단점 

초경합금 정도의 고속 절삭에는 대응할 수 없다 

하이스강의 단점은 초경합금 정도의 고속 절삭에는 대응할 수 없다는 점입니다. 「고속 도강」이라는 이름인데, 이는 개발 당시 기준으로 경도와 내열성이 더 뛰어난 초경합금이 훨씬 빠른 절삭 속도로 가공할 수 있기 때문입니다.
실제로 양산 가공에 사용되는 NC 공작 기계에서는 생산성을 높이기 위해 하이스 공구의 몇 배의 속도로 가공할 수 있는 초경 공구가 주류를 이루고 있습니다. 최고의 생산성이 요구되는 상황에서는 하이스강의 절삭 속도로는 성능이 부족할지도 모릅니다. 

고온 영역에서의 성능 저하 

하이스강은 내열성이 우수하지만, 한계 온도를 초과하면 성능이 급격히 저하된다는 단점이 있습니다. 기준으로 600℃를 넘는 고온에 노출되면 재료 조직이 변화하여 경도가 현저하게 저하되어 공구로서의 수명을 맞이하기 때문입니다.
예를 들어 절삭유를 사용하지 않는 드라이 가공이나 티타늄 합금과 같은 극히 가공열이 높은 재료를 고속으로 절삭할 경우 칼끝 온도가 한계를 넘어 공구가 조기에 마모될 가능성이 있습니다. 하이스강은 「열에 강하다」고는 하지만 무적이 아니며, 열적 한계를 이해한 후 사용이 요구됩니다. 

열처리가 어렵고 품질이 편차하기 쉽다. 

하이스강은 열처리 관리가 어렵고 품질에 편차가 생기기 쉽다는 단점도 가지고 있습니다. 최고의 성능을 끌어내기 위해서는 1200℃를 넘는 열처리나 500℃ 이상에서의 여러 번의 열처리 등 엄격한 온도관리가 필요하며, 조건이 약간 다른 것만으로 경도나 인성이 크게 변화해 버리기 때문입니다.
열처리 온도가 너무 높으면 결정이 조대화되어 취약해지거나, 열처리가 불충분하다고 노린 경도가 나오지 않거나 합니다. 안정된 품질의 하이스강 제품을 얻기 위해서는 고도의 열처리 기술과 노하우가 필수적입니다. 

하이스강의 주요 용도 

하이스강은 뛰어난 특성 때문에 공구나 금형 재료로서 널리 이용되고 있습니다. 여기서는 절삭 공구부터 정밀 기계 부품까지 대표적인 4가지 용도 분야를 소개합니다.

절삭 공구(드릴·엔드밀·탭 등) 

가장 대표적인 용도는 드릴이나 엔드 밀, 탭과 같은 절삭 공구입니다. 하이스강이 가지는 경도와 인성이 뛰어난 밸런스가 안정된 절삭 가공을 실현하는데 최적이기 때문입니다.

일반 강재의 홀 가공에 널리 사용되는 하이스 드릴은, 적당한 끈기가 있기 때문에 잘 부러지지 않고, DIY부터 프로의 현장까지 폭넓게 애용되고 있습니다. 또한 나사 홀을 만드는 탭도 부족함에 강한 하이스 강철이 주류입니다.

이와 같이, 하이스강은 금속 가공의 기본이 되는 다양한 공구의 재료로서, 제조업의 현장을 계속 지탱하고 있습니다.

금형·펀치·다이스 

하이스강은 금속을 뚫거나 구부리는 금형의 재료로도 중요합니다. 특히 높은 내마모성이 요구되는 프레스 금형의 펀치(수컷형)와 다이스(암컷형)에 채택됩니다. 일반적인 금형용 강철(SKD재 등)에서는 마모가 심한 고부하 가공에서 보다 단단한 하이스강이 금형의 장수명화에 공헌하기 때문입니다.
실제로 두꺼운 강판의 펀칭 가공 등에서는 하이스 강철 금형을 이용하여 교환 빈도를 줄이고 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 금형의 소모가 심한 부분에 적용되는 신뢰성 높은 재료입니다. 

톱날 · 리머 · 바이트 

톱날이나 리머, 바이트라고 하는 「자르다」 「깎다」 「마감」을 위한 공구에도 사용되고 있습니다. 날카로운 절삭력과 지속성이 요구되므로 고경도로 내마모성이 뛰어난 하이스강이 적합하기 때문입니다.
예를 들어 금속을 절단하는 띠톱(밴드 톱)의 날 끝에는 절삭력이 좋은 하이스강이 사용되고 있습니다. 또한 홀의 정밀도를 최종적으로 마무리하는 리머도 날 끝이 잘 빠지지 않는 하이스강이 일반적입니다. 이와 같이 하이스강은 다양한 형상의 칼날로서 정밀한 가공을 지지하고 있습니다. 

정밀 기계 부품 

하이스강은 공구 이외에 높은 경도와 내마모성이 요구되는 정밀 기계 부품에도 이용되는 재료입니다. 장기간에 걸쳐 치수 변화와 마모를 싫어하는 부품에서 하이스강의 뛰어난 특성이 신뢰성을 높이기 때문입니다.
정밀한 측정에 사용되는 플러그 게이지나 링 게이지는 마모에 의한 정밀도 저하를 방지하기 위해 하이스강으로 만들어질 수 있습니다. 또한 시계나 계측기 내부의 마모되기 쉬운 축이나 핀에 적용되는 경우도 있습니다. 하이스강은 ‘움직이고 닳는’ 가혹한 환경 하에서 기계 부품의 수명 연장에 공헌하고 있다고 말할 수 있을 것입니다. 

하이스강의 종류와 특징 

하이스강은 첨가되는 합금 원소에 따라 여러 종류로 분류됩니다. 여기에서는 대표적인 몰리브덴계, 텅스텐계, 코발트계의 특징과 구분을 한 표로 정리합니다.

하이스강을 선정할 때는 충격이 가해지는 범용 가공에는 인성과 비용의 밸런스가 좋은 몰리브덴계, 절삭력의 지속성을 최우선으로 한다면 고경도 텅스텐계, 스테인레스강 등 가공열이 높은 난삭재에는 고온에 강한 코발트계라고 생각하면 좋습니다.

하이스강 가공 및 열처리 

하이스강의 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 적절한 가공과 열처리가 필수적입니다. 여기에서는 절삭·연삭, 열처리, 그리고 표면 코팅의 3가지 중요한 포인트를 해설합니다.

절삭 가공·연삭 가공의 포인트 

하이스강 가공은 열처리 전의 부드러운 상태에서의 절삭과 열처리 후의 단단한 상태에서의 연삭을 조합하는 것이 기본입니다. 열처리 후 하이스강의 경도가 높아져 일반 절삭공구로는 가공할 수 없게 되기 때문입니다.
구체적으로는 먼저 소일된 재료를 초경공구로 대략적으로 깎아내어 열처리로 경화시킨 후 다이아몬드 숫돌 등에 의한 연삭가공으로 정밀한 치수와 날끝을 완성합니다. 「부드러울 때 깎고, 단단하게 한 후 닦는다」라고 하는 공정이, 고정밀도의 하이스강 부품을 제조하는데 있어서 중요합니다. 

담금질 · 뜨임 온도 관리 

하이스강의 성능은 정밀한 온도 관리 하에서의 열처리에 의해 결정됩니다. 특히 1200℃를 넘는 고온에서의 열처리와 500℃ 이상에서의 여러 번의 열처리가 그 특성을 끌어내기 위해 필수적입니다. 고온 열처리에 의해 「2차 경화」라는 현상이 일어나 하이스강 특유의 높은 경도와 뛰어난 적열 경도를 얻을 수 있기 때문입니다.
온도 관리를 잘못하면 경도 부족이나 취성화를 초래하여 공구로서 전혀 기능하지 않게 됩니다. 하이스강의 품질은 특수하고 엄격한 열처리 프로세스에 의해 뒷받침된다는 점을 잊어서는 안 됩니다. 

코팅 처리( TiN ,  TiAlN 등)의 효과 

하이스강 공구의 성능을 비약적으로 향상시키려면 TiN(질화 티타늄) 등의 표면 코팅이 효과적입니다. 코팅에 의해 표면에 하이스강 자체보다 단단한 세라믹 막이 형성되어 내마모성 및 윤활성이 개선되기 때문입니다.
예를 들어 TiN 코팅을 한 하이스 드릴은 코팅이 없는 것에 비해 몇 배의 수명을 발휘할 수 있습니다. 공구 교환 빈도가 줄어들기 때문에 생산성 향상으로 이어질 것입니다. 코팅은 하이스강의 성능을 최대한 끌어내기 위한 표준적인 선택지가 되고 있습니다.

하이스강과 다른 재료의 비교 

하이스강의 선정에 있어서는 다른 공구 재료와의 특성 비교를 빼놓을 수 없습니다. 여기에서는 초경합금, 분말 하이스, 그리고 기존의 공구강과의 차이와 구분을 해설합니다.

초경합금과의 차이 

하이스강과 초경합금은 가공 속도와 비용의 균형으로 구분하여 사용됩니다. 초경합금은 경도와 내열성으로 하이스강을 크게 웃돌기 때문에 양산 라인에서의 고속 절삭에는 초경합금이 유리합니다.
한편, 하이스강은 초경합금보다 인성이 높고 잘 깨지지 않기 때문에, 충격이 걸리는 불안정한 가공이나, 작업자가 손으로 취급하는 공구에 적합합니다. 또한 비용이 저렴하고 재연마도 용이하기 때문에 다품종 소량 생산에서는 경제적 이점이 커집니다.
따라서 생산성 중시라면 초경합금, 범용성과 비용 중시라면 하이스강이라고 하는 명확한 구분이 이루어지고 있는 것입니다

분말 하이스( PM-HSS )와의 비교 

또한 고성능을 요구하는 경우는 통상적인 용해 하이스의 상위판인 「분말 하이스」가 선택 사항입니다. 분말 하이스는 금속 분말을 구워 굳히는 제조법에 의해 조직이 균일하고 미세하기 때문에 용해 하이스보다 인성과 내마모성이 대폭 향상되었기 때문입니다.
일반적으로 하이스에서는 잘 깎이는 난삭재의 가공이나, 보다 긴 공구 수명이 요구되는 정밀 가공에 있어서, 뛰어난 안정성을 발휘합니다. 가격은 비싸지만 그 성능 차이에 걸맞은 가치를, 특히 높은 부가 가치 가공 분야에서 제공합니다. 

탄소 공구강과 합금 공구강과의 비교 

하이스강은 기존의 탄소 공구강(SK재) 및 합금 공구강(SKS, SKD재)과 비교하여 절삭 성능에서 우위입니다. 기존의 공구강이 200~300℃에서 연화되어 절삭력을 상실하는 반면 하이스강은 약 600℃까지 경도를 유지할 수 있기 때문입니다. 내열성의 차이가 금속을 고속으로 깎는 능력의 결정적인 차이입니다.
현재 금속 절삭의 주역은 하이스강 이상으로 옮겨져 있으며, 종래의 공구강은 절삭 속도가 느린 수공구나 내마모성이 요구되는 냉간 금형과 같은 분야에서 그 비용 메리트를 활용하여 구분하여 사용되고 있습니다.

하이스강의 선정 포인트 

하이스강을 선택할 때는 용도에 따른 강종의 선택, 비용과 수명의 밸런스, 표면처리의 유무를 종합적으로 판단하는 것이 중요합니다. 

용도별 재질 선정 기준 

하이스강의 선정은 우선 「무엇을 가장 중시하는가」로 강종을 좁혀봅시다. 강종마다 자신있는 성능(인성, 경도, 내열성)이 명확하게 다르기 때문에 용도와 일치시키는 것이 가장 효과적이기 때문입니다.
충격이 가는 가공에는 끈질긴 몰리브덴계(SKH51), 절삭력의 지속성을 요구한다면 고경도 텅스텐계(SKH2), 스테인레스강과 같은 난삭재에는 고온에 강한 코발트계(SKH55)가 적합합니다.
따라서 가공 조건에 최적인 강종 선택이 공구의 성능을 이끌어내는 첫걸음입니다.
 

비용, 수명, 재연마성 균형 

다음으로 생산량이나 운용방법에 따라 전체 비용이 낮아지는 사양을 생각하는 것이 중요합니다. 고성능 공구는 고가이지만 수명이 늘어남에 따라 공구 교환의 수고와 빈도가 줄어 결과적으로 비용 절감으로 이어지는 경우가 있기 때문입니다. 대량 생산 라인에서는 고가의 분말 하이스를 사용해서라도 수명 연장을 도모하는 것이 효율적입니다. 한편, 다품종 소량 생산에서는, 저렴하고 재연마하기 쉬운 표준적인 하이스 공구를 사용하는 것이 경제적일 것입니다.
이와 같이 공구의 가격뿐만 아니라 수명이나 재연마의 용이성을 포함한 종합적인 시점에서의 판단이 중요합니다

표면 처리·코팅의 유무의 판단축 

마지막으로 공구의 성능을 더욱 끌어내기 위해 표면 코팅 여부를 판단합니다. 코팅은 내마모성과 수명을 비약적으로 향상시키는 표준적인 선택지이기 때문입니다. 특히 높은 부하 가공이나 난삭재를 취급할 경우 TiN이나 TiAlN과 같은 코팅은 필수라고 할 수 있습니다. 이로 인해 공구 교환의 빈도가 줄어들고 생산성이 향상됩니다.
단, 특히 하이스 공구의 알루미늄 가공에서는 오히려 성능을 떨어뜨리는 경우도 있으므로 주의가 필요합니다. 가공 대상에 맞게 코팅 필요 여부나 종류를 적절히 선택하는 것이 하이스강을 최대한 살리는 열쇠입니다. 

정리

하이스강(고속도강)은 고속 절삭을 실현하기 위해 개발된 내열성이 뛰어난 특수 공구강입니다. 최대의 특징은, 절삭시의 고온하에서도 경도를 유지하는 「적열경도」와, 높은 경도와 뛰어난 인성을 양립하고 있는 점입니다. 이를 통해 공구의 날끝이 잘 빠지지 않으며 장수명화를 가능하게 합니다. 또한 몰리브덴계, 코발트계, 텅스텐계 등 다양한 종류가 존재하여 용도에 따라 구분하여 사용할 수 있습니다. 단, 그 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 초경합금과의 특성 차이를 이해하고 적절한 열처리나 강종을 선정하는 지식이 필수적입니다. 이번 내용을 참고하시어 하이스강의 특징을 이해하시고 공구 및 금형 부품의 재료선정, 설계업무에 꼭 활용하여 주시기 바랍니다.