사출금형재료의 종류 및 선택기준

금형재료에서 금형의 수명 및 가공성이 중요시되고 있다. 정밀하게 제작된 금형에서는 우수한 성형품을 제작할 수 있고 우수한 사출 금형을 제작하는데도 좋은 재료를 선택하고 부품을 금형 가공한 후 조립하여 사용한다.

최근에는 전용 플라스틱용 形鋼(형강)을 많이 사용하고 있으며 특히 사출 성형에서는 型面의 상태가 그대로 성형품에 轉寫(전사)되고 또 금형에는 반복해서 높은 압력과 고온이 작용한다.

금형재료의 적부는 금형의 수명, 정밀도, 가격에 큰 영향을 미치고 금형 재료 선택은 금형에 요구되는 생산량, 사용수지, 금형의 構造(구조)와 부품의 기능, 성형품의 외관, 치수 정밀도 등을 구별하여 선정하고 사용처의 가공 설비의 질과 양의 정도 등을 검토한 후 결정하는 것이 바람직하다.

1. 플라스틱 사출금형재료의 필요조건

가. 기계가공성이 우수할 것

플라스틱 금형의 캐비티 또는 코어는 기계가공에 의해 제조되고 생산비에서 기계가공비의 비율이 높기 때문에 가능한 한 가공성이 좋은 것이 요구된다. 일반적으로 경도가 높으면 기계의 가공성이 나쁘고, 낮으면 좋은 반면에 열적 연마성 등 여러면에서 형재로 성능이 떨어지는 성질이 있다. 그 때문에 이 양쪽의 결점을 잘 조화시켜 단단하고 알맞은 기계가공성을 갖게 한 프리 하든강(Prehardening)등이 사용된다.

최근에는 기계가공 설비와 절삭 공구의 성능이 매우 우수하여 수년 전만 해도 어렵다고 여겨왔던 鋼種(강종)도 쉽게 가공할 수 있게 되었다.

 

나. 충분한 강도, 靭性(인성), 내마모성이 좋을 것

사출금형을 성형할 때에는 압축 응력을 받고, 캐비티 내부에는 인장응력을 항상 반복해서 받으며, 최근에는 정밀도를 높이기 위해 고압으로 사출성형을 하는 경우가 많고 또 유리섬유나 금속분말, 또는 무기질을 다량 함유한 성형재료가 많으므로, 이들의 성능은 매우 중요시 된다.

 

다. 열처리가 쉽고 열처리시의 변형이 적을 것

형재에 경도와 인성을 부여하기 위해서 담금질, 뜨임을 하는 경우가 많고 열처리에 의해 필요한 경도와 중심부까지 균일하게 경화가 분포되는 것을 요구한다. 특히 형 조각후의 열처리 할 때 변형이 되지 말아야 한다.

 

라. 표면 가공성이 우수할 것

도금, 줄무늬 가공의 표면가공, 軟窒(연질)화 등의 표면 경화처리는 마모가 클 때나 긁힘을 일으킬 때에 실시되며 특히 줄무늬 가공은 일종의 화학약품에 의한 부식이므로 SM45C와 SM50C등에서 가공하기 쉬우나, 부식온도, 부식시간 등의 조건이 어려워 부품마다 줄무늬의 상태를 갖추기도 어렵고 얼룩 등을 일으키기 쉬우므로 담금질성이 우수한 고합금계의 형재에 적합하다.

 

마. 수정시에는 덧살붙이기 용접이 가능할 것

정밀 금형에서 약간 불량한 곳을 고쳐야 할 경우 부분적 수정에 고정된 덧붙이기용 용접봉을 이용하는데 그 작업전후의 원리는 될 수 있는 대로 간결한 것이 좋으며 강종에 따라 덧붙인 후의 시효처리만으로 강도를 부여할 수도 있다.

 

바. 내식성이 좋을 것

염화 비닐계 수지, 나일론, 폴리비닐아세탈은 성형시 염화비닐 또는 나일론의 부식성 가스를 발생하며, 발포성 재료도 유기계 발포제의 사용으로 암모니아성 가스를 발생한다. 이밖에 최근에는 할로겐, 인산 에스테르계 등에 첨가한 불연소제나 염소, 브롬, 인 등의 불연성 원소를 함유된 화합물의 반응형 불연제를 사용하는 경우가 많기 때문에 금형의 내식성은 중요시되고 있다. 그러므로 내식도가 SC제에 크롬 도금을 하는 것은 불충분하며, 크롬 함유량이 큰 STD61은 혹은 STD11을 사용하고 내식성이 크게 요구될 때는 스테인레스강이 사용된다.

또 플루오르계 수지는 다른 수지보다 고온에서 성형되고, 부식에 강한 가스를 발생하기 때문에 니켈을 주성분으로 하는 내열 합금인 하스텔로이를 사용하면 좋은 성과를 얻을 수 있다.

 

사. 내열성 및 열팽창 계수가 적을 것

폴리 카보네이트(PC), 폴리 페닐렌 옥사이드(PPO)등 성형밀도가 높은 성형재료가 많이 요구되므로 온도를 높여서 성형해도 슬라이드부 등의 긁힘이 발생하지 않도록 팽창성이 적은 형재가 사용된다.

 

2.금형재료의 종류

금형재료는 탄소함유량, 합금여부 및 열처리 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.

1) 기계 구조용 탄소강 : S45C, S50C, S10C, S20C 등

2) 구조용 합금강 : SCM4등

3) 비 조질강 : MF, HMF 등

4) 탄소 공구강 : SK3, SK4, SK5 등

5) 합금 공구강 : SKS3, SKD종, DC53등

6) 고속도 공구강 : SKH55 등

7) 특수 용도강 : SUP, SUM 등]

8) 플라스틱 금형강 : KP1, KP4, KP4M, HPPM, NAK 등

 

3.프레스금형과 사출금형의 재료

프레스금형과 사출금형의 재료는 많은 차이가 있다. 우선 프레스 금형에서 대표적으로 많이 사용되는 강종은 SKD11(합금공구강), S45C,S20C(구조용탄소강) 등이 주로 쓰이며 제품에 따라 다른 재료들도 쓰일 수 있다.

사출금형은 폭넓게 여러가지 재료들이 많이 사용되고 제품의형테,작업조건,금형가격등과 같은 여러 조건에 의해 결정된다. 기본적 틀인 몰드베이스(S45C,SK-3등)와 핵심코어(NAK-80,HP-4MA,HP-4A,HP-1,SKD-61등)와 부품(S45C,SK-3,SKD-61등)등이 주로 사용된다. 하지만 제품에 따라 다른 여러 재료 들이 사용될수 있고 이런 강종들의 선택은 위에서 언급했듯이 전적으로 여러조건에 맞추어 선택하여 사용된다.

가격은 업체마다 다소 차이가 있으며 강종에 따라 몇만원에서 몇백원으로 차이가 난다.

STAVAX.HPM-38,(SUS420J2계열): 내식성,내마모성(광디스크,각종염화용금형,렌즈등)

NAK-80,HPM-50 (석출경화강): 경면가공성,내마모성(라디오및카세트,화장품용기,카메라본체)

HP-4MA,4A,1A (프리하든강) : 계가공성,부식가공성(자동차범퍼,케비네트,OA기기,라지에터그릴)

SK-3(탄소공구강) : TAP GAUGE, TAP DIES, 가이드레일및 복잡하지 않는 성형의 제품

S45C,S20C (구조용탄소강) : 몰드베이스, 기계본체, 금형부품

SKD-61 (열간합금공구강) : 마모성,내질화성(다이케스팅금형,슬라이드코아,각종금형,각종임펠라)

SKD-11 (냉간합금공구강) : 내마모성,영간경도,내충격성(프레스금형,냉간성형용,다이스,펀치,트리밍다이)