금형의 열처리와 표면처리: 금형 수명과 품질을 결정하는 핵심 공정

금형 설계와 가공이 아무리 잘 이루어졌더라도, 열처리와 표면처리가 적절하지 않으면 금형의 수명과 성형품 품질은 크게 떨어질 수 있습니다. 현장에서 금형 문제를 분석하다 보면, 구조적인 문제보다 열처리 불량이나 표면처리 선택 오류로 인한 마모·파손 문제가 원인인 경우도 적지 않습니다. 이 글에서는 금형 제작 과정에서 반드시 이해해야 할 열처리와 표면처리의 기본 개념, 목적, 적용 기준을 실무 관점에서 정리해 보겠습니다.

금형에서 열처리와 표면처리가 중요한 이유

금형 수명과 직접적인 연관성

금형은 반복적인 고온·고압 환경에서 사용되기 때문에 재질 특성만으로는 충분한 내구성을 확보하기 어렵습니다.

• 열처리 → 내부 강도와 인성 확보
• 표면처리 → 마모·부식 방지

경험상, 동일한 설계의 금형이라도 열처리와 표면처리 상태에 따라 사용 수명이 크게 달라집니다.

또한, 금형 표면 상태는 성형품 외관 품질에 직접적인 영향을 줍니다.

• 표면 마모 → 외관 불량
• 표면 거칠기 변화 → 제품 질감 불균형
• 부식 발생 → 제품 오염

따라서 열처리와 표면처리는 단순한 후공정이 아니라 성형품 품질을 유지하기 위한 필수 공정이라고 볼 수 있습니다.

열처리의 목적

금형 열처리는 금속 재질의 조직을 변화시켜 필요한 기계적 특성을 확보하기 위한 공정입니다.

주요 목적은 다음과 같습니다.

• 경도 확보
• 마모 저항 향상
• 내부 응력 제거
• 균열 및 파손 방지

열처리는 금형 재질과 사용 조건에 맞게 선택해야 합니다.

 

1) 조질화
주조, 단조, 압연 또는 고온 과열 때문에 생긴 거친 조직을 제거하여 적당한 조직으로 한다든가 가공 때문에 생긴 내부응력을 제거하기 위한 열처리이다. 조작은 Acm 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 뒤 공기 중에 방랭하는 것이다. 큰 물체의 구조용 강철을 금형에 사용할 경우 소재 단조 후 이 상태에서 형 파기를 하여 사용할 경우가 많다.

2) 템퍼링
강재는 담금질한 상태로는 대단히 단단하지만 잘 부서지고 불안정한 상태로 되어 있다. 템퍼링은 담금질로 생긴 내부응력을 제거하여 안정상태로 만들어 주고 여러 가지 용도에 맞는 강도와 인성을 주기 위해 변태점 이하의 적당한 온도로 가열한 뒤 냉각시키는 조작이다. 템퍼링에는 그 목적에 따라 저온 템퍼링과 고온 템퍼링으로 나누어진다. 담금질에 의한 경도가 매우 높은 것이 필요할 때는 고탄소강을 쓰며, 템퍼링 온도는 200도 내외의 낮은 온도에서 하여 담금질 경화에 의한 응력의 제거를 목적으로 하는데, 구조용강의 경우는 조직을 솔바이트화하여 강인한 성질로 만드는 것이 목적이어서 템퍼링 온도는 500~600도의 높은 온도로 행한다. 고합금강이나 고속 도강 등과 같이 1회의 템퍼링으로는 템퍼링 효과가 충분하지 않을 경우에는 템퍼링을 2~3회 되풀이하는 것이 좋다. 그 외에 기계적 성질을 향상하기 위해서도 2~3회 되풀이하는 경우가 있다.

3) 질화
질화란 강철 표면을 경화시키기 위하여 암모니아 가스 또는 질소를 포함한 적당한 매제 중에서 가열하여, 그 부분의 질소 함유량을 증가시키는 조작이다. 질화 층이 매우 단단하며, 그 때문에 내 마성이 특히 우수하고 내식성도 비교적 좋다. 따라서 금형 중에서 특히 마찰 부분에는 매우 효과가 있다. 질화의 방법에는 여러 가지가 있으나 보통 행하여지는 방법은 두 가지이다. 첫 번째, 가스 질화법. 피 처리 부품을 질화 상자 속에 넣고 노속에 납입하여 암모니아 가스를 통하면서 온도 500~550도 정도에서 50~100시간 질화하는 것이다. 이 방법은 저온처리이기 때문에 열처리 변형은 비교적 적다. 질화 층은 대단히 단단하며, 대체로 Hv-1000~1200 정도이다. 질화 층의 두께는 질화강의 경우 50시간에서 0.5mm, 100시간에서 0.7mm 정도가 표준이다. 사용 재료는 Al을 포함한 질화강이 좋다. 두 번째, 저온 염욕 질화법. 이 방법은 청화 칼리염(KCN) 등의 용융염욕 중에서 처리 온도 550도 가까이에서 이루어진다. 용융염에서 행하는 탄단 처리의 방법과 원리적으로는 같으나, 처리 온도가 낮기 때문에 질화가 주로 되는 것이다. 질화 시간은 가스 질화법과 비교하면 극히 짧아 1~2시간이다. 이 방법에 따라서 얻어지는 표면층의 경도는 저탄소강, 중 탄소강의 경우에는 Hv-570~680 정도로서 가스 질화법에 비하면 낮으나 내마모성, 강인성이 모수 우수하다. 또한, 긁힘 등을 막는 데 특히 효과가 있다. 또 열처리 시의 변형이 극히 적다. 사용 재료는 질화 생성 원소를 함유하지 않은 보통강이 좋다.

4) 담금질
담금질이란 강철의 경도나 강도를 증가시키기 위하여 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 뒤에 적당한 매제 중에서 급히 냉각시키는 조작을 말한다. 여기에는 여러 가지 방법이 있으나 가장 일반적으로 이루어지는 방법은 3가지이다. 첫 번째, 보통 담금질. 강철의 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 뒤 물 또는 기름 속에서 급히 냉각시키거나, 공기 냉각에 따라 마텐자이트 조직을 얻는 방법이다. 보통 담금질할 때의 가열에서 주의할 점은 과열과 산화, 탈 탄의 방지이다. 금형처럼 아주 불균일한 살이 두꺼운 제품의 경우 불균일한 가열에 의한 부분의 온도차는 열팽창의 차 및 변태점에서의 변태의 차에 영향을 미치며 담금질 변형, 담금질 균열의 원인이 된다. 산화, 탈 탄의 방지 방법으로서는 산화 및 탈탄 방지제 도포, 스테인리스 팩 가열, 염욕 가열 등이 있다. 기타 열처리 변형을 방지하기 위해서는 담금질 온도가 낮은 종류의 강철을 쓸 것이며, 자경성이 크고 공기 냉각 정도로 담금질이 될 수 있는 강철 종류를 선택하는 것이 좋다. 두 번째, 마퀜칭. 담금질 온도로 가열된 피 처리제를 Ms점(냉각 시에 오스테나이트가 마텐자이트로 변태가 시작되는 온도) 바로 위의 뜨거운 탕 속에 투입하여 강재의 온도가 균일하게 된 후 노에서 끌어내어 공기 중에서 냉각시키고 마르텐사이트 변태를 천천히 일으켜서 경화시키는 방법으로 공기 냉각 후에는 템퍼링 처리를 한다. 담금질 균열, 담금질 변형이 적은 담금질 방법이다. 마지막으로 마르 템퍼. 담금질 온도로 가열한 뒤, Ms점과 Mf점(냉각 시에 오오스테나이트가 마르텐사이트로 변태가 끝나는 온도) 내의 뜨거운 탕 속에 담금질하여 과 냉 오 오스테나이트를 서서히 마르텐사이트로 변화시켜 변화가 거의 완료할 때까지 유지하는 방법이다. 이 방법에 따르면 마텐자이트의 자기 템퍼링, 담금질 응력의 제거 등에 의하여 강도는 그다지 저하하지 않으며 충격치가 높은 것을 얻을 수 있다. 그러나 마르 템퍼는 항온 변태 완료에 상당히 긴 유지 시간을 요구하므로, 공업상은 항온변태의 완료를 기다리지 않고 끌어올려서 공기 중에서 냉각한 후 템퍼링 뒤에 사용하는 것이 보통이다.

5) 어닐링
강철의 연화, 결정 조직의 조정 또는 내부응력 제거를 위하여 적당한 온도로 가열한 후 서서히 냉각시키는 조작을 말하는데, 그 목적이나 재료에 따라 어닐링 온도나 조작도 여러 가지로 달라진다. 금형 가공에 있어서 가장 보편적으로 행하여지고 있는 것은 가공 변형의 제거, 재료의 연화, 절삭성의 향상을 목적으로 한 대표적으로 2가지가 있다. 첫 번째, 변형을 없애기 위한 어닐링 설 담금. 가공으로 생긴 내부응력을 제거하기 위해서 이루어지는 어닐링으로서, 특히 담금질이 필요한 금형의 경우 거친 다듬질, 중간 다듬질의 공정으로 하는 경우가 많다. 어닐링을 하지 않으면 가공에 의한 내부 변형과 담금질할 때의 마르텐사이트 변태에 의한 변형이 가해져서 담금질 균열, 캠버 등의 원인이 된다. 두 번째, 구상화 어닐링. 가공성을 잘되게 함과 동시에 담금질 후의 인성을 늘리고, 담금질 균열을 방지하기 위해서는 강철의 탄화물을 구상화로 하여 둘 필요가 있다. 이 목적을 위한 가열, 냉각의 조작이다.

 

금형의 열처리와 표면처리는 금형 수명과 성형품 품질을 동시에 좌우하는 핵심 요소입니다.

설계와 가공이 끝난 후의 선택이 아니라, 금형 사용 목적을 기준으로 계획 단계에서부터 고려해야 할 공정입니다.

이 글에서 정리한 기본 개념을 이해하고 적용한다면, 불필요한 금형 파손과 품질 문제를 충분히 예방할 수 있을 것입니다.