플라스틱 사출 금형용 강재 선택 방법

플라스틱 사출 금형에 사용되는 강재는 금형의 성능, 유지 보수 비용, 생산되는 모든 부품의 품질, 그리고 수명에 결정적인 영향을 미칩니다. 적합한 등급의 강재를 사용하면 압력 하에서도 정밀도를 유지하고, 성형 공정 중 마모와 부식을 방지하며, 연마 및 가공 시간을 단축할 수 있습니다. 반면, 잘못된 등급의 강재를 사용하면 나중에 수축 자국, 균열이 생긴 캐비티, 냉각 채널의 녹 발생, 또는 생산이 완료되기 훨씬 전에 금형이 마모되는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

경제적인 측면에서도 이 점이 분명해집니다. 일반적으로 금형 완제품 비용에서 원자재인 공구강이 차지하는 비중은 10~20%에 불과하며, 나머지 80%는 가공, 연마, 조립에 사용됩니다. 원자재 비용을 절감하기 위해 저렴한 강재를 선택하는 것은 거의 이득이 되지 않습니다. 금형 제작에 이미 투입된 노동력과 금형이 조기에 고장 날 경우 발생하는 가동 중단 비용에 비하면 절감액은 미미하기 때문입니다. 따라서 강재는 용도에 적합해야 하며, 이는 플라스틱 종류, 생산량, 부품에 요구되는 표면 마감 등을 고려하여 강재의 특성을 선택해야 함을 의미합니다.

금형강의 역할은 무엇인가

등급을 비교하기 전에 금형강이 충족해야 하는 요구 사항을 명확히 파악하는 것이 도움이 됩니다. 각 요구 사항은 잘못된 재료를 사용할 경우 발생할 수 있는 특정 고장과 관련이 있기 때문입니다.

금형 제작 비용의 대부분은 복잡한 캐비티를 절삭하고 드릴링하는 데서 발생하기 때문에 가공성은 매우 중요합니다. 가공이 매끄러운 강종은 이러한 작업량을 줄이고 제조 비용을 낮추는데, 이것이 바로 절삭 준비가 된 상태로 공급되는 경화강이 널리 사용되는 이유 중 하나입니다.

연마성은 금형이 투명 부품 또는 고광택 부품을 생산할 수 있는지 여부를 결정합니다. 렌즈, 광학 부품 및 미용 표면에는 거울처럼 매끄러운 마감이 필요하며, 이를 위해서는 균일한 구조, 높은 표면 경도 및 높은 청정도를 갖춘 강재가 필수적입니다. 비금속 개재물은 아무리 연마해도 제거할 수 없는 구멍이나 줄무늬 형태로 나타나므로, 이러한 용도에 사용되는 금형용 강재는 개재물 함량을 낮게 유지하도록 정제됩니다.

플라스틱 자체가 마모성이 강할 경우 내마모성이 매우 중요해집니다. 유리 섬유, 무기질 충전재 및 기타 보강재는 유로와 게이트를 마모시키며, 연질 강철은 이러한 부분에서 가장 먼저 침식됩니다.

성형 과정에서 분해되는 플라스틱에는 내식성이 필수적입니다. PVC와 난연성 ABS는 분해되면서 염화수소와 불화수소를 방출하는데, 이러한 가스는 일반 강철을 부식시켜 금형 내부에 구멍을 내고 냉각 채널을 손상시킵니다. 따라서 이러한 플라스틱용 금형은 내식성이 뛰어나야 하며, 그렇지 않으면 내부에서부터 부식됩니다.

인성과 코어 강도는 클램핑 압력과 열 순환에도 금형이 손상되지 않도록 유지해줍니다. 높은 압축 하중은 크기가 작은 캐비티의 함몰을 유발할 수 있으며, 각 사이클의 반복적인 가열 및 냉각은 열 피로를 일으켜 취성강에 균열을 발생시킬 수 있습니다. 따라서 해당 강종은 형상을 유지할 수 있는 충분한 코어 강도와 파손 없이 반복적인 열 순환을 견딜 수 있는 충분한 인성을 갖춰야 합니다.

치수 안정성이 뛰어난 강재는 열처리 후 추가 가공이 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다. 가공 후 경화 처리가 필요한 강종은 변형 위험이 있으므로, 가공 전 경화 처리되어 바로 사용 가능한 강재는 이러한 위험을 완전히 피할 수 있습니다.

금형강의 주요 종류

예비 경화 처리된 중탄소강: P20 계열

일반적인 금형 제작에 있어 P20 계열강은 업계에서 사용되는 대부분의 용도를 포괄합니다. P20과 그 유럽 규격인 DIN 1.2738, 1.2311, 1.2312는 약 30~36 HRC의 경도와 약 300 HB의 경도로 사전 경화 처리되어 공급됩니다. 이러한 사전 경화 처리가 핵심입니다. 이 강재는 고온 경화 공정 없이 바로 가공하여 사용할 수 있으므로, 열처리로 인해 발생할 수 있는 금형 표면의 변형을 방지할 수 있습니다. P20은 대형 기계 가공 금형, 대시보드 및 범퍼와 같은 자동차 부품, 그리고 일반 소비재에 적합합니다. 표면 마모가 문제가 될 경우, 금형 표면을 침탄, 화염 경화 또는 질화 처리하여 경도를 높일 수 있습니다. 이 등급에서 연마성과 표면 마감이 가장 중요한 경우에는 알루미늄 함유 석출 경화강인 P21이 적합합니다. P21 역시 32~36 HRC로 사전 경화 처리되어 공급됩니다.

저탄소 허브강: P2, P4, P6

P2, P4, P6 등급은 탄소 함량이 0.05~0.15%로 매우 낮으며, 연질 상태로 공급되고 열처리됩니다. 탄소 함량이 낮기 때문에 캐비티를 가공하는 대신 냉간 허빙 방식으로, 즉 경화된 마스터 허브를 연질 블랭크에 압착하여 성형할 수 있습니다. 캐비티가 성형되면 금형은 내충격성이 뛰어난 코어 위에 58~61 HRC의 경도를 갖는 표면층이 형성되도록 침탄 처리됩니다. 이 중 P4는 경화성과 내마모성이 가장 뛰어나 표면 마모가 주요 문제인 고압 사출 및 압축 금형에 적합합니다.

스테인리스강 및 내식강

플라스틱이 부식성이 있거나 작업장 환경으로 인해 냉각 채널에 녹이 슬기 쉬운 경우, 마르텐사이트계 스테인리스강이 해결책입니다. AISI 420, DIN 1.2083 규격의 스테인리스강이 가장 일반적입니다. 약 13%의 크롬 함량으로 내식성, 내마모성, 거울처럼 매끄러운 연마성을 제공하며, 일반적으로 46~52 HRC로 경화됩니다. 열처리로 인한 변형이 우려되는 경우에는 DIN 1.2316 및 414형과 같은 사전 경화 스테인리스강이 경화 공정 없이도 내식성을 제공하기 때문에 PVC 성형, 의료 및 광학 분야에서 널리 사용됩니다.

고온 작업 및 고경도 공구강: H13, S7

대량 생산이나 높은 인성과 내열성이 요구되는 금형의 경우, 다이캐스팅보다는 고온 작업용 공구강이 플라스틱 성형에 사용됩니다. H13은 합금 함량이 높고, 중심부가 매우 강하며, 열처리 시 48~54 HRC의 경도를 나타내고, 질화 처리가 매우 잘 되어 표면 경도가 65~70 HRC에 달하여 심한 마모에도 잘 견딥니다. S7 충격 저항성과 강도가 최우선일 때 선택해야 하는 등급입니다. 경도는 약 58 HRC에 달하며 투명 플라스틱에 사용하기에 충분히 좋은 연마성을 제공합니다.

내마모성 및 분말야금강: A2, D2, 분말야금강 등급

플라스틱에 유리섬유나 세라믹 분말과 같은 마모성 물질이 많이 함유된 경우, 일반적인 금형강은 마모 속도가 너무 빨라 경제적이지 않습니다. 고탄소, 고크롬 냉간 가공강은 이러한 문제를 해결해 줍니다. A2 그리고 디2 이 소재들은 뛰어난 내마모성을 제공하며, 연마재가 사용되는 소형 인서트, 마모 부위 및 캐비티에 일반적으로 사용됩니다. 분말 야금 등급은 여기서 그치지 않습니다. Elmax, ASP-23 및 CPM 440V는 기존 용융 방식으로는 따라올 수 없는 높은 내마모성과 인성을 결합한 초미세하고 균일하게 분포된 탄화물 구조를 가지고 있습니다. 분말 야금 스테인리스강인 Elmax는 내마모성 외에도 내식성과 탁월한 연마성을 갖추고 있어 마모가 심한 전자 및 IC 금형에 적합합니다.

직무에 맞는 직급

생산량 기준

생산량이 기준이 됩니다. 백만 사이클 이상의 초고효율 생산량을 위해 제작되는 SPI 클래스 101 등급의 금형에는 고경도 탄소강 및 공구강이 필요하며, 마모 부위에는 H13, 420 스테인리스강 또는 A2 및 D2 재질이 사용됩니다. 중대형 생산량을 위한 클래스 102 및 103 등급의 금형에는 사전 경화 처리된 P20 및 DIN 1.2738 이러한 소재들은 적절한 수명과 저렴한 비용, 그리고 열처리 위험이 없다는 장점을 모두 갖추고 있어 그 자리를 확고히 합니다. 시제품 제작이나 낮은 성형 압력으로 수천 개 정도의 소량 생산을 할 경우에는 7075-T6이나 Alcoa QC-10과 같은 고강도 알루미늄이나 3D 프린팅 폴리머 툴링이 강철보다 훨씬 경제적이고 열전도율도 뛰어납니다.

플라스틱 재질로

성형에 사용되는 플라스틱의 종류에 따라 선택의 폭이 더욱 좁아집니다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS와 같은 일반적인 열가소성 수지는 P20 및 이와 유사한 중탄소강에서 우수한 성능을 보입니다. PVC, 불소수지, 난연성 ABS와 같은 부식성 플라스틱은 산성 가스를 방출하기 때문에 420, 414, DIN 1.2083, DIN 1.2316과 같은 스테인리스강이 필요합니다. 그렇지 않으면 성형 부위가 부식되고 손상될 수 있습니다. 유리섬유 강화 폴리머(POM) 및 폴리카보네이트와 같은 마모성 및 강화 플라스틱은 D2 및 A2와 같은 고경도 공구강, 질화 처리된 H13 또는 분말 야금강을 사용해야 합니다.

표면 마감에 따라

부품에 요구되는 표면 마감은 다른 요소들보다 우선시될 수 있습니다. 렌즈, 광학 부품 및 투명 아크릴에 요구되는 고손실 또는 미러 마감은 불순물이 없는 강철에 달려 있으며, 이는 금형 제작에 사용되는 고품질 등급의 강철을 정제해야 함을 의미합니다. 전해슬래그 재용융 또는 진공 아크 재용융을 사용할 수 있습니다. P21, 420 스테인리스강, 그리고 특수 시효 경화강이나 마르에이징강이 이러한 공정에서 최상의 결과를 제공합니다. 표면 질감이 있거나 에칭 처리된 표면은 이와 반대로 민감합니다. 화학적 사진 에칭은 산이 고르게 부식되도록 매우 균일한 구조를 필요로 하며, 균일한 질감이 중요한 경우에는 DIN 1.2312와 같이 황 함량이 높은 편석이 심한 강이나 쾌삭강은 내부 구조의 변화로 인해 에칭이 고르지 않게 되므로 피해야 합니다.

결정을 내리는 과정

모든 금형에 가장 적합한 단일 등급은 없습니다. 올바른 선택은 다음 세 가지 질문에 순서대로 답함으로써 이루어집니다. 금형으로 생산해야 하는 부품의 수량, 사용할 플라스틱 종류, 그리고 부품에 필요한 마감 처리입니다. 이 세 가지 질문에 답하면 일반적으로 선택 가능한 등급은 두세 가지로 좁혀지며, 그 후에는 가공성, 가용성 및 비용을 고려하여 나머지를 결정합니다.

이번 결정에 포함된 대부분의 강종은 아오보 스틸에서 재고를 보유하고 있습니다. 플라스틱 금형용 강철 제품군 일반 및 내식성 금형용 사전 경화 P20 및 420 스테인리스강부터 고마모성 및 대량 생산 작업용 H13, S7, A2 및 D2까지 다양한 재질을 제공합니다. AISI, DIN 및 JIS 규격 간의 상호 참조는 당사 웹사이트를 참조하십시오. 공구강 등가 등급 찾기 전체 지도 정보를 포함합니다.