금형의 재료 및 특수 가공법: 금형 성능과 수명을 좌우하는 선택 기준

금형 설계와 구조가 아무리 잘 되어 있어도, 금형 재료 선택과 가공 방법이 적절하지 않으면 기대한 성능을 얻기 어렵습니다.

현장에서 금형 문제를 분석하다 보면, 설계나 성형 조건보다는 재료 선택 오류나 가공 방법의 한계로 인해 문제가 발생하는 경우도 많습니다. 이 글에서는 사출 금형을 기준으로 금형 재료의 기본 개념과 특수 가공법의 특징, 적용 기준을 실무 관점에서 정리해 보겠습니다.

금형 재료 선택이 중요한 이유

금형 수명과 직결되는 요소

금형은 반복적인 사출 압력과 온도 변화, 그리고 수지와의 지속적인 마찰을 견뎌야 합니다.

• 재료 강도 부족 → 조기 마모
• 인성 부족 → 균열 및 파손
• 내식성 부족 → 표면 손상

경험상, 동일한 설계라도 재료 선택에 따라 금형 수명은 큰 차이를 보입니다.

성형품 품질과 생산성 영향

금형 재료는 성형품의 외관과 치수 안정성에도 영향을 줍니다.

• 표면 상태 유지
• 치수 반복 정밀도 확보
• 양산 안정성 향상

따라서 금형 재료 선택은 단순한 비용 문제가 아니라 전체 생산 품질을 결정하는 요소라고 볼 수 있습니다.

 

1. 금형의 재료

 

1) 금형 재료의 선택
금형 재료의 선택은 금형의 수명, 가공성에 큰 영향을 주는 것이며, 그 선택은 금형에 요구되는 조건과 가공 설비 등을 검토한 뒤에 결정하는 것이 필요하다.
2) 금형 재료에 요구되는 조건
재료에는 각각 특징이 있으며, 금형의 기능상 금형에 요구되는 내용도 다르므로 일반적으로 다음과 같은 조건을 충족시키는 것이 필요하다. 첫 번째, 연마하기 쉽고, 면이 고르고도 깨끗이 마무리될 수 있을 것. 두 번째, 내마모성이 클 것. 세 번째, 가공성이 좋을 것. 네 번째, 조직이 균일하고 핀 홀 기타 내부의 결함이 없을 것. 다섯 번째, 열처리가 쉬울 것. 여섯 번째, 열처리에 의한 변형이 적을 것. 마지막으로, 입수하기 쉬울 것.
3) 금형 각 부품의 적성 재료
금형 각 부품에 가장 널리 사용되는 재료로는 고정 측 장치 판, 고정 측 형판, 가동 측 형판, 러너 스트리퍼 플레이트, 스트리퍼 플레이트, 받음 판, 스페이서 블록, 이젝터 플레이트, 가동 측 장치 판, 코어, 로케이트링, 가이드 핀, 가이드 핀 부시, 스프루 부시, 스프루 록 핀, 이젝터 핀 등이 있다.
4) 금형용 재료
적성 재료 이외의 비교적 많이 사용되는 구조용 합금강 중의 일부(SNC, S-KCM), 특수 용모 강철 중의 스테인리스강(SUS) 및 합금 공구강의 일부(SKD)를 더하여 만들어진 재료들로는 일반 구조용 압연 강재, 기계 구조용 탄소강, 니켈크롬강, 니켈 크롬 몰리브덴강, 알루미늄 크롬 몰리브덴강, 스테인리스강, 탄소공구강, 합금 공구강 등이 있다.


2. 특수 가공법

금형 제작에 일반적으로 실용화된 특수 가공법으로는 6가지가 있다. 금형의 설계에 있어서는 이들의 방법과 특징을 잘 알아서 필요한 성형법의 형상, 크기, 치수 정도, 제작 수량 등의 조건에 가장 적절한 방법을 채택함과 동시에 이들 가공법에 적응한 설계를 하는 것이 필요하다.
1) 콜드 호빙법
저 탄소강 등 비교적 무른 금속 소재에 상온으로 호브 마시트러를 밀어 넣어 캐비티를 만드는 방법이다. 필요한 압력은 14~20톤/cm^2로 높은 경도를 필요로 할 때는 완성 후 삼 탄 담금질한다. 이 가공법은 가공 면이 대단히 우수하여 연마가 필요하지 않다. 또한 1개의 호브로 치수 형상이 갖추어진 캐비티가 많으며, 단시간으로 이루어진다는 특징이 있다. 치수 정도는 잘하면 0.05~0.1m/m 이하로 할 수가 있다. 용도의 예로는 로렐 혹은 문자, 무늬 등이 있는 캠, 손잡이류, 타이프라이터, 계산기 등의 복잡한 곡면이 있는 단추류 그 외에 복잡한 모양이 있어야 하는 화장품 케이스, 피아노, 오르간의 키 등이다.
2) 압력주조 법
내열성이 있는 재료로 만든 호브를 틀 속에 넣고서 용해 금속에 주입한 후 플런저로 가압하여 캐비티를 제작한다. 금속은 베릴륨구리가 일반적으로 쓰이고 있다. 특징으로는 형상이 복잡하여 호빙으로는 호브가 강도 적으로 견딜 수 없을 때 유효하다는 점이다. 치수 정도는 콜드 호빙법과 동일하다. 열처리에 따라 경화할 수가 있으나, 다소 치수 정도가 낮아진다. 베릴륨구리는 열전도가 좋고, 성형 시 냉각 효과가 좋다. 용도의 예로는 콜드 호빙법과 거의 같으나, 특히 요철이 큰 것 또는 모가 튀어나온 것에 적당하다.
3) 쇼우 프로세스
원형 모델로부터 석고의 패턴을 만들고, 유동성이 풍부한 이장(내화재와 에틸 실리케이트의 가수분해액을 혼합한 것)을 흘려 넣어서 주형을 만든다. 경질고무 모양으로 굳어졌을 때 패턴을 빼고, 소성 후 금속을 부어 넣어서 금형을 만든다. 복잡한 모양이나, 곡면이 있는 금형이 주조로 쉽게 잘 만들어진다.(껍질 무늬 등 실물과 거의 동일하게 재현된다) 정밀 주조로서는 치수 정도가 대단히 정확해서(0.15~0.2%) 표면의 거칠기가 매끈하다. 주조 금속의 선택이 자유로우며 대형 제작이 가능하다. 제작 기간이 짧다. 용도의 예로는 복잡한 모양이나 곡면이 있는 금형으로서 기계가공으로는 곤란하고 또 많은 공수가 있어야 하는 것, 가죽, 천 등의 무늬가 있는 케이스(가방, 라디오 케이스, 테이프 레코드 케이스 등)가 있다.
4) 부식 가공
금속 표면에 감광유제를 도포하고 원판을 통해서 노광을 주어서 현상하면 감광 부분은 물에 녹지 않으므로 남는다. 이것을 산 또는 알칼리 등으로 된 약품에 담가서 부식하여 모양을 만든다. 가공액에 노출된 면은 모두 동시에 가공되므로 복잡한 곡면에도 같은 가공을 할 수 있다. 대단히 큰 것도 가공이 가능하며 가죽 모양, 나뭇결 모양 기타 장식용의 모양 가공에 널리 사용된다. 그러나 입체적인 모양 감은 잘 나타나지 않는다. 용도의 예로는 가죽 무늬, 그 밖의 일반적으로 장식 무늬가 있어야 하는 케이스류 또는 용기류 등이 있다.
5) 방전가공
전기 방전을 이용하여 피가공물을 침식시켜서 전극과 암, 수가 반대인 현상의 캐비티를 가공을 한다. 기계가공 또는 그 밖의 가공 방법으로는 곤란한 좁은 흠, 가는 구멍의 가공 등에 알맞다. 치수 정도는 0.02정도, 전극이 소모하므로 1/1000 정도의 구배가 붙으며 또 바닥 귀퉁이는 얼마의 R이 붙는다. 담금질 후의 단단한 재료에도 가공이 된다. 용도의 예로는 기어류 기타 기계가공이 곤란한 가는 홈 등의 가공, 또 담금질한 금형의 개조 수리 등이 있다.
6) 전주법
금속의 전착을 이용하여 마스터에 도금하여 적당한 두께에 이르면 마스터를 떼어내어서 캐비티를 만드는 방법이다. 전착 재료로는 니켈이 많이 쓰이고 있다. 전사 정밀도는 다른 방법에 비하여 매우 우수하다. 그러나 경제상 전착 성을 너무 두껍게 할 수가 없으므로 백 압(뒷면 살붙이기)의 필요가 있어서 변형, 왜곡에는 주의가 필요한 가공법이다. 용도의 예로는 만년필, 볼펜, 체온계 케이스 등의 축 종류가 있고 리플렉터 렌즈, 각종 렌즈, 플라스틱 모델, 피아노, 오르간의 키, 기어, 캠류, 커트 글라스 모양의 용기류 등이 있다.

 

금형의 재료와 가공 방법은 금형 성능과 수명을 결정하는 가장 기본적인 요소입니다.

비용만을 기준으로 선택하기보다는, 성형품 재질과 생산 조건을 종합적으로 고려해야 합니다.

이 글에서 정리한 기준을 참고해 금형 재료와 가공 방법을 선택한다면, 불필요한 수정과 품질 문제를 충분히 줄일 수 있을 것입니다.