금형 부품 소재: 수명과 품질을 결정하는 선택 기준

금형은 단순한 형상이 아닌 수많은 부품이 조합된 정밀 구조물입니다. 이때 각 부품에 어떤 **소재(Material)**를 선택하느냐에 따라 금형의 수명, 유지보수 주기, 성형 품질이 크게 달라집니다. 이 글에서는 금형 설계와 제작에서 반드시 고려해야 할 대표적인 금형 부품 소재와 선택 기준을 실무 관점에서 정리해 보겠습니다.

금형 부품 소재가 중요한 이유

금형 부품의 역할

금형은 다음과 같은 부품으로 구성됩니다.

• 코어(Core)
• 캐비티(Cavity)
• 슬라이드 및 리프터
• 인서트
• 가이드 부품

각 부품은 서로 다른 하중과 마모 조건을 받기 때문에 동일한 소재를 사용하는 것은 비효율적입니다.

소재 선택이 미치는 영향

소재 선택은 다음 요소에 직접적인 영향을 줍니다.

• 마모 수명
• 가공성
• 열처리 가능 여부
• 성형 품질 안정성

즉, 소재는 금형 성능의 기반입니다.

 

1. 금형 제조용 철강의 화학 성분
플라스틱 성형용 금형에 사용되는 강재는 기본 재료로 페라이트-탄소 합금(일반적으로 강재로 불린다)이 있다. 열처리 및 기계적 특성 등을 고려할 때 유용하게 쓰일 수 있기 때문에 일부 기본적 강재의 화학적 조성을 기본적으로 이해하는 것이 도움이 된다.

 

2. 스틸의 탄성 계수
탄성 계수는 금형 부품을 제조하는 데 사용되는 강재의 강도 또는 탄성을 나타내는 재료 특성이다. 타성 계수는 일반적으로 영계수라고도 한다. 탄성 계수는 강재를 잡아당길 때의 변형률과 인장 응력 사이의 비례 계수이다. 즉, 응력은 변형률에 비례한다. 탄성 계수의 실제 값은 금속 재료의 종류에 의해 결정된다. 탄성률의 물리적인 값은 금속 재료의 유형에 의해 결정된다. 일반적으로 탄성률에 대한 값이 더 큰 재료는 보다 높은 인장 응력 또는 강성을 갖는다.

 

3. 금형 부품의 변형
금형이 실제로 사출 성형에 사용된 후에는 탄소강 및 합금 공구강으로 만들어진 부품들은 휘어짐, 변형 또는 치수의 증가가 있을 수 있다. 이러한 현상이 지속되어 치수가 변하는 현상을 에이징이라고 한다. 합금 공구강 중에서 탄소강이 시간에 따라서 변화하는 주요 원인은 담금질 중에 잔류하는 오스테나이트 구조가 마르텐사이트 구조로 변화할 때 발생하는 부피의 팽창으로 알려져 있다. 담금질 과정 중 담금질 온도에서 갑자기 냉각시켜 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변화시키는 것이다. 물, 기름, 염욕을 통한 급속 냉각이 이루어지지만, 온도가 0℃ 미만이면 마르텐사이트로 전환되지만 낮지 않으면 소량의 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 구조 내에 남아있게 된다. 이 나머지 부분은 잔류 오스테나이트라고 한다. 이 잔류 오스테나이트는 시간 경과에 따라 서서히 마르텐사이트 조직으로 변화하고 그 시간에 부피가 팽창하는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 잔류 오스테나이트의 양이 많다면 그 경향은 시간에 따른 커다란 변화라고 추측할 수 있다. 잔류 오스테나이트를 줄이게 하기 위해서 프레온 등의 냉매를 사용하여 약 -80℃의 저온 환경을 조성하여 깊은 냉각 처리(서브제로 처리)를 실시하는 것이 효과적이다. 그 환경에서 급속 냉각을 수행할 수 있다. 액체 산소 또는 액체 질소를 사용하는 경우 -180℃~-190℃까지 냉각할 수는 있지만 비용이 많이 들기 때문에 특별한 경우에만 수행된다. 따라서 시간 경과에 따른 변화가 없어야하는 부품의 경우, 서브제로 처리를 수행하는 것이 좋다.

 

4. 재료의 열전도
금형 또는 플라스틱 재료에서 가공 또는 변형의 물리적 현상은 열의 가열 또는 냉각에 의해 수행된다. 열전달은 재료의 구조에 의해 결정된다. 열 전도성은 소재를 통해 열을 쉽게 전달할 수 있는 특성 중 하나이다. 열 전도성은 단위 시간 내에 단위길이에 걸쳐 단위 온도 변화와 함께 얼마나 많은 양의 열이 전달되는지를 나타내는 지표이다. 이를 위해 가장 일반적으로 사용되는 기호는 람다이다.

 

5. SKD61의 템퍼링
합금 공구강 중 캐비티 또는 코어의 재료로서 열간 가공용 다이스틸(SKD61)이 사용되고 있다. 그것은 또한 경도가 비교적 높고 마모를 견디며 충격에도 비교적 높은 내성을 갖기 때문에 얇은 코어 핀의 소재로 고려된다. 탁월한 특성을 끌어내기 위해 SKD61은 담금질이 필요하다. 담금질 후 금속 조직을 안정시키고 인성을 개선하기 위해 템퍼링 처리를 한다. 그러나 템퍼링 조건에 따라 치수의 변화 및 경도의 감소를 일으키는 것으로 알려져 있으므로 이러한 것을 이해하지 않고 템퍼링을 수행하면 예기치 않은 결함이 발생할 수 있다.
1) 템퍼링에 의한 치수 변화
작업물의 외형 치수는 SKD61이 담금질 된 후 템퍼링 될 때 변경된다. 템퍼링 온도에 따라 외부 치수가 커지거나 작아질 수 있다. 템퍼링 후에 추가 가공을 하지 않으려면 템퍼링 후 치수 변화를 고려하여 담금질 전에 가공 작업을 수행해야 한다.
2) 템퍼링에 의한 경도 저하
SKD61의 경도는 담금질 후 템퍼링에 의해 다양한 경우에 감소한다. 예를 들어 1030℃에서 담금질된 재료가 템퍼링 되면 템퍼링 온도에 따라 변화될 수 있다. 따라서 불필요한 고온에서 템퍼링을 하면 경도가 급격히 떨어지므로 마모 저항이 필요한 경우에는 주의를 기울여야 한다.

 

6. 문양과 철강 재료
질감은 성형 제품 표면에 인공적인 패턴이나 무늬를 만들 때 사용된다. 질감은 식각 또는 샌드블라스트와 유사한 캐비티의 표면에 무늬를 새겨 넣는다. 무늬와 에칭에서 부식성·산성 액체는 일정 조건에서 강재의 표면과 접촉하여 침식시킨다. 무늬 제작 시에 주의해야 할 점들이 있다.
1) 방전 가공으로 준비된 표면에는 특히 주의해 깊은 연마를 해야 한다. 방전 가공된 표면에는 가공 경화층이 생길 수 있으므로 이러한 표면을 철저히 연마하는 것이 좋다.
2) 캐비티 면의 표면 거칠기는 가능한 한 미세하게 연마되어야 한다. 또한, 연마의 정도도 가능한 한 균일하게 해야 한다.
3) 강재는 가능한 동일한 강재이어야 하며, 동일한 롯트에서 선택되어야 한다. 동일한 강재를 사용해도 재료의 롯트나 압연 방향의 차이에 의해 무늬 가공 후의 마무리 상태에 차이가 있을 수 있다. 또한, 강재 유형이 다르면 침식 상태가 미묘하게 바뀔 수 있다. SKD11과 프리 하든 강 S55C에 대해 동일한 침식 처리가 수행되어라도 무늬 상태에 미묘한 차이가 있을 수 있다. 무늬의 상태가 다르게 되면 다시 무늬 작업을 수행하기 위해 시간이 엄청나게 길어질 수 있고, 캐비티 표면의 연마를 다시 수행해야 한다.

 

7. 재료의 선팽창 계수
탄소강을 기반으로 하는 재료가 금형에 사용되더라도 비금속 재료의 비철금속은 단열 목적으로 금형에 사용된다. 금형 조립 시 실온에서 치수를 조정할 수는 있지만 사출 성형 중에 온도가 상승 및 하강하기 때문에 부품이 열팽창 되는 경향이 있다. 팽창 여유가 고려되지 않은 경우 금형의 작동이 불량해지거나 부품이 파손될 수 있다.

 

금형 부품 소재는 금형의 수명과 품질을 결정하는 가장 기본적이면서도 중요한 요소입니다. 부품별 역할, 성형 수지 특성, 생산 수량을 종합적으로 고려해 적절한 소재를 선택한다면 불필요한 비용과 문제를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이 글에서 정리한 소재 선택 기준은 안정적인 금형 설계를 위한 기본 가이드로 활용할 수 있습니다.