공구강 금형의 표면 처리(질화, PVD 및 경질 크롬 도금 포함)

Most mold and die failures begin at the surface. Wear opens up dimensions; galling and adhesion damage the finish; corrosive resins attack the cavity; and parts start to stick during ejection. The through-hardened tool steel you select sets the core strength and the bulk hardness, but the surface treatment decides how the mold behaves in the second half of its service life. The three treatments most commonly used are nitriding, physical vapor deposition (PVD), and hard chrome plating. Each one suits a different set of steel grades, and the wrong pairing of treatment and base steel is a common cause of early coating failure.

이 가이드는 완전 경화 공구강으로 이미 제작된 금형 및 다이의 표면 엔지니어링에 대해 다룹니다. 기어, 샤프트 또는 기타 구조 부품에 사용할 저탄소강을 선택하여 침탄 처리하는 경우에는 다른 결정이 필요하며, 해당 내용은 별도의 가이드에서 다룹니다. 표면 경화강.

질화

Nitriding is a thermochemical diffusion process that introduces atomic nitrogen into the steel surface to form a hard, wear-resistant case. Because it runs below the steel’s phase-transformation temperature, no quench is required, so distortion and dimensional change are very low. That makes it attractive for finished tooling where geometry has to hold. The depths and hardness tool steels actually reach under it, and the surface layers behind those numbers, are in the 공구강 질화 가이드. The underlying diffusion mechanism is the same one described under nitriding in our 표면 경화 가이드; 이 섹션에서는 이것이 공구강 금형 및 다이에 어떻게 적용되는지에 대해 중점적으로 다룹니다.

가스 질화는 일반적으로 495~565°C 사이의 암모니아 분위기에서 수행됩니다. 플라즈마 질화(이온 질화라고도 함)는 진공 챔버에서 고전압 방전을 통해 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마가 질소 이온을 가공물 내부로 침투시키는 방식으로 진행됩니다. 플라즈마 질화는 약 375°C까지 낮은 온도에서 작동할 수 있어 변형을 더욱 줄이고 정밀한 치수 제어를 가능하게 합니다. 또한, 가공 시 연질 상태를 유지해야 하는 영역을 마스킹할 수 있어 나사 구멍이나 기준 형상이 있는 금형 제작에 유용합니다.

질화 처리가 일반 탄소강이 아닌 공구강에 적용되는 이유는 화학적 성질 때문입니다. 질화 처리를 위해서는 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 알루미늄과 같은 질화물 형성 원소를 함유한 강이 필요합니다. 실제로 이는 공구 제작에 이미 사용되고 있는 열간 가공용 및 냉간 가공용 강종에 적합합니다. H13 이 소재는 반응성이 매우 뛰어나며, 표면 마모와 열 침식이 고장의 주요 원인인 다이캐스팅 및 압출 툴링에 일상적으로 질화 처리됩니다. D2 그리고 A2, 크롬 함량이 높은 두 재질 모두 별도의 코팅 공정 없이 단단하고 냉간 가공에 적합한 금형 표면이 필요할 때 질화 처리에 잘 반응합니다. P20 플라스틱 금형강도 흔히 사용되는 재료입니다. 질화 처리된 표면은 대략 65~70 HRC의 경도와 최대 약 1100 HV의 강도를 나타냅니다.

제어해야 할 핵심은 최외곽 표면에 형성되는 얇은 질화철 화합물층인 백색층입니다. 이 층은 매우 단단하지만 취성이 강해 충격 시 박리되거나 깨질 수 있습니다. 다이캐스팅 금형과 같이 균열에 민감한 작업에서는 백색층을 최소화하거나 제거해야 하는데, 최신 플라즈마 질화 처리 기술이 이를 효과적으로 처리합니다. 금형이 충격 하중을 받는 경우, 부품 투입 전에 처리 업체와 백색층 제어에 대해 상의해야 합니다.

물리적 증착(PVD)

PVD(물리증착)는 저온 진공 공정으로, 금형 표면에 얇고 매우 단단한 세라믹 박막을 증착하는 기술입니다. 고진공 챔버 내부에서 고체 타겟은 아크 증발 또는 스퍼터링 방식으로 미세하게 분무됩니다. 기화된 금속은 질소나 탄소와 같은 기체와 반응하여 화합물을 형성하고, 이 화합물이 금형 표면에 응축됩니다. 일반적으로 사용되는 박막으로는 질화티타늄(TiN, 익숙한 금색), 탄질화티타늄(TiCN), 질화티타늄알루미늄(TiAlN), 질화크롬(CrN) 등이 있습니다. 이러한 코팅은 두께가 약 2~5µm에 불과하며 경도는 70HRC를 초과하는 경우가 많아, 금형의 정밀한 공차를 유지하면서도 표면 경도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

PVD 코팅은 두 가지 특성 덕분에 완제품 금형 가공 공정에 쉽게 적용할 수 있습니다. 첫째, 200~550°C의 저온에서 진행되므로 대부분의 공구강의 템퍼링 온도보다 낮습니다. 따라서 완전히 경화되고 가공된 금형에 코팅을 해도 연화, 변형 또는 추가 열처리가 필요하지 않습니다. 둘째, 증착 공정이 직선 방향으로 진행되기 때문에 복잡한 형상이나 깊은 포켓에는 균일한 코팅을 위해 회전식 고정 장치가 필요하며, 완전히 막힌 구멍에는 적용이 제한적입니다.

PVD 코팅의 내구성은 바탕 강재의 경도에 따라 결정됩니다. 코팅막은 얇고 단단하기 때문에, 하부 기판은 변형 없이 하중을 지탱할 수 있을 만큼 충분히 단단해야 합니다. 실질적인 최소 경도는 약 43 HRC입니다. 이보다 무른 기판에 코팅을 하면 강재와 함께 휘어지면서 균열이 발생하는데, 이를 달걀 껍질 효과(eggshell effect)라고 합니다. 따라서 D2나 A2와 같이 50~60 HRC 정도로 경화된 냉간 가공용 강재가 PVD 코팅에 적합한 반면, 무른 금형 바탕재는 적합하지 않습니다. 코어 지지력이 부족한 경우에는 이중 처리를 사용합니다. 먼저 금형을 질화 처리하여 지지층을 형성한 후, 그 위에 PVD 코팅을 합니다. 표면 마감 또한 중요합니다. 코팅 전에 금형 표면을 평균 조도(Ra)가 1µm 미만이 되도록 정밀하게 연마해야 합니다. 요철이나 홈이 있는 부분은 응력 집중을 유발하여 코팅막의 손상을 초래할 수 있기 때문입니다.

경질 크롬 도금

경질 크롬 도금은 금형에 높은 표면 경도, 낮은 마찰 계수 및 우수한 내식성을 부여하는 전기 도금 공정입니다. 크롬은 약 60~70°C의 저온에서 크롬산 용액을 이용하여 도금됩니다. 플라스틱 금형의 경우, 도금층의 두께는 일반적으로 5~13µm이지만, 마모된 금형 표면을 복구하고 재건하기 위해 최대 약 0.25mm까지 훨씬 두꺼운 도금층을 형성할 수도 있습니다. 도금 후 경도는 대략 62~72 HRC입니다.

크롬 도금의 가장 큰 장점은 이형성입니다. 마찰 계수를 낮춰 금형 내부로 재료가 원활하게 흐르도록 하고, 부품 배출을 용이하게 합니다. PVC와 같은 부식성 수지를 사용하는 플라스틱 사출 금형에 표준적으로 사용되는 재질인데, 성형 과정에서 발생하는 염산 가스가 강철을 부식시킬 수 있기 때문입니다. 크롬 도금은 금형 내부를 이러한 부식으로부터 보호합니다.

실제로는 몇 가지 한계가 있습니다. 금형의 흠집이나 불규칙한 부분은 도금층을 통해 그대로 드러나 확대되기 때문에 도금 전에 고품질 연마 작업이 필수적입니다. 공구강은 도금 과정에서 수소 취성이 발생할 수 있으므로 이를 완화하기 위해 도금 후 열처리가 필요합니다. 크롬 도금은 날카로운 모서리에서 벗겨지거나 갈라지기 쉬우므로 칼날처럼 날카로운 형상이나 난연성 염화물을 함유한 플라스틱에는 적합하지 않습니다. 또한 깊은 공동의 균일한 도금은 형상에 맞춰지는 양극에 의존하기 때문에 매우 복잡한 내부 형상에는 균일한 도금이 어렵습니다.

강철에 맞는 처리 방법 선택

기본 강재는 처리 방법을 선택한 후에 결정해야 할 사항이 아닙니다. 두 가지 결정은 서로 연관되어 있습니다. 질화 처리는 H13, D2, A2와 같은 등급의 질화물 형성 합금을 필요로 합니다. PVD 코팅은 얇고 단단한 막을 형성할 수 있을 만큼 충분히 단단한 기판이 필요하므로 연질 강재는 적합하지 않고, 적절히 경화된 냉간 가공 및 열간 가공 강재 또는 질화 처리와 PVD 코팅이 결합된 복합재가 적합합니다. 크롬 도금은 플라스틱 금형의 이형 및 부식 방지에 효과적이지만, 모서리 가공 및 복잡한 캐비티 형상에 제약이 따릅니다.

기본 철골이 결과에 결정적인 영향을 미치는 이유

이러한 모든 처리 과정은 화학적 및 기계적으로 균일한 기본 강철을 전제로 합니다. 질화 처리는 크롬, 몰리브덴, 바나듐이 규격에 맞게 존재해야 하는데, 이 원소들이 경도를 부여하는 질화물을 형성하기 때문입니다. PVD 도금은 기판이 도금막을 지탱하는 데 필요한 경도를 달성하고 유지해야 합니다. 크롬 도금은 도금이 고르게 이루어질 수 있는 깨끗하고 견고한 표면을 필요로 합니다. 입고되는 강철의 조성이 일치하지 않거나 경화가 불균일할 경우, 강철 자체에서 시작된 결함의 원인이 처리 과정 때문이라고 여겨지게 됩니다.

아오보 스틸은 H13, D2, D3, A2를 포함한 다양한 공구강 등급을 공급하며, 입고 시 화학 조성 및 경도 검증을 완료하여 질화, PVD 또는 도금 공정에 투입되는 강재가 해당 처리 방식에 맞게 성능을 발휘하도록 보장합니다. 표면 처리된 공구를 계획 중이시거나, 강재 등급의 적합성을 확인 또는 특정 배치에 대한 인증서 발급을 원하시는 경우, 당사로 문의해 주십시오. [email protected] 등급, 구역 크기 및 목표 치료법을 고려하십시오.