금형 재료

제1장 금형 재료

1. 금형 재료 구비조건

내마모성, 강도, 인성이 우수할 것.

내식성이 좋을 것.

내열성 및 열팽창계수가 적을 것.

가공성(피삭성)이 좋을 것.

열처리가 용이하고 열처리 변형이 적을 것.

용접이 가능하고 수정이 용이할 것.

피로특성이 우수할 것.

2. 종류 및 특징

(1) 탄소공구강(STC1 ~ STC7)

1) 특징

탄소 함유량이 0.6 ~ 1.5% 범위를 가지며 탄소 함유량이 적을수록 내충격성이 증가하고 내마멸성이 감소하므로 저탄소강은 내충격용으로, 고탄소강은 내마멸용으로 사용함.

담금질할 때 치수 변화가 크기 때문에 담금질 균열의 위험이 있어 단순한 형상의 금형 재료로 사용함.(STC3)

용도: 배킹 플레이트

2) 열처리 조건

담금질 800℃ 수냉 ▶ 뜨임 180℃ 공랭 ▶ 풀림 750℃ 서냉

(2) 합금공구강(STS3, STD11, STD61)

1) S종(STS)

( 가) 특징

특수 공구강이라고도 하며 탄소공구강에 Cr 및 W을 첨가하여 담금질성을 개선하고 형의 내구성을 향상시킨 것으로 열처리 변형이 적고 가공성이 좋음.

용도: 펀치 고정판, 스트리퍼판

(나) 열처리 조건

담금질 800℃ 유냉 ▶ 뜨임 180℃ 공랭 ▶ 풀림 850℃ 서냉

2) D종(STD)

(가) 특징

다이스강이라고 불리며 고탄소 크롬강임.(C 1.4%, Cr 12%)

STS보다 담금질 성질을 향상한 것으로 자경성, 열변형이 낮으며 내마모성, 내충격성이 큼.

(나) 열처리 조건

담금질 1000℃ 공랭 ▶ 뜨임 180℃ 공랭 ▶ 서브제로 -60℃ ▶ 풀림 850℃ 서냉

3) 고속도공구강(SKH)

(가) 특징

합금공구강보다 경도와 내마모성, 인성이 큼.

특히 고온 단조에 있어 연화에 대한 저항이 크고 고온 강도, 고온 경도가 높음.

소형 펀치, 다이 인서트 등의 금형 재료로 사용되며 두꺼운 재료의 작은 구멍을 피어싱할 때 효과적이며 가열 블랭킹등의 고온 가공형에 사용됨.

SKH51은 인성, 내력이 우수하고 냉간단조 금형에 사용되며 SKH54는 내마모성이 우수함.

(나) 열처리 조건

담금질 1200℃ 유냉 ▶ 뜨임 550℃ 공랭 2회 ▶ 풀림 900℃ 서냉

4) 초경합금

탄화텅스텐을 Co 분말로 소결 한 재료로서 경도가 높고 내마모성, 내소착성이 우수하며 다이스강보다 수명이 5~10배 긺.

가공은 방전으로만 이루어지며 취성이 있어 초대량 생산용에 한정하여 사용함.

5) 서멧

초경합금의 기계가공에서 단점을 보완할 목적으로 개발되었으며 약 50%의 TiC과 공구강 분말을 혼합한 것으로 기계가공이 가능하고 경도와 인성이 높음.

(3) 플라스틱 금형강

1) NAK55

경도가 HrC31~43으로 열처리되어 모재 상태로 형상 가공이 가능함.

경면성이 좋아 우수한 광택면을 얻을 수 있고 부식성이 양호함.

피삭성와 표면 조도가 우수함.

절삭 및 방전가공 후 연마가 용이함.

용접성이 양호하고 변형이 적어 정밀 금형 제작에 적합함.

고성능, 고정밀 플라스틱 금형 및 고무 금형 제작에 사용됨.

2) NAK80

NAK55의 특성 외에 추가로 다음과 성질을 가지고 있음.

경면 연마성이 매우 우수하고,

방전가공면이 치밀하고 미려하며,

투명이나 광택을 요하는 제품, 정밀 금형에 사용됨.

투명성이나 경면성을 요구하는 제품, 방전가공면을 중시하는 제품을 성형하는 금형 재료임.

3) KP1, KP4, KP4M

가공성이 양호하고 기계가공 시간을 단축시킬 수 있음.

적절한 열처리로 내부 잔류응력을 제거할 수 있고 금형 가공 시 변형이 발생할 우려가 적음.

KP4와 KP4M은 소입성이 커서 소재 내외부의 경도가 균일함.

경도가 높고 내마모성이 우수함.

4) STAVAX(Cr 합금 스테인리스 금형강)

내부식성과 내마모성이 뛰어남.

경면성이 우수함.

냉각수 회로의 부식 문제를 완전히 해결하므로 냉각 효율을 높일 수 있음.

5) ASSAB 718

경면성이 뛰어남.

청청도가 높고 조직의 균일성이 좋음.

약한 부위 및 인성이 요구되는 부위에 사용함.

부식 가공면이 우수함.

치수와 관계없이 경도가 균일함.

6) SKD61(열간 공구강)

열충격 및 열피로에 강함.

치수 변화량이 커서 금형 제작 시 주의를 요함.

열처리 강도는 HrC40~48.

내마모성, 내열성이 우수함.

정밀 금형 및 열처리 금형에 주로 사용됨.

3. 탄소강의 함유 원소와 비금속 개재물의 영향

(1) 개요

탄소강의 성질은 함유된 원소 성분과 가공 및 열처리 상태에 따라 달라지며 특히 탄소 함유량은 기계적 성질에 많은 영향을 미침.

탄소강은 온도에 따라 성질의 변화가 있으며 P, S, H 등의 유해 원소에 의하여 취성, 편석 등의 결점이 나타나게 됨.

(2) 탄소강의 표준상태 성질

1) 물리, 화학적 성질

(가) 탄소량의 증가에 따라 증가하는 성질

비열, 전기저항, 보자력

(나) 탄소량의 증가에 따라 감소하는 성질

비중, 선팽창계수, 열전도율, 내식성

(다) 내식성

강에 내부응력이 존재하게 되면 부식이 촉진되어 냉간가공한 상태에서는 풀림 상태의 것보다 부식이 되기 쉬움.

탄소강에 0.15~0.25%의 구리를 첨가하면 대기 중의 내식성이 개선됨.

탄소강은 알칼리에는 거의 부식이 되지 않으나 산에는 약함.

시멘타이트(Fe₃C)는 페라이트보다 내식성이 우수하나 페라이트와 공존하면 시멘타이트가 페라이트의 부식을 촉진시킴.

2) 기계적 성질

(가) 탄소량 증가에 따라 변하는 성질

① 아공석강

– 강도와 경도가 증가하고 연신율과 충격값이 낮아짐.

② 과공석강

– 경도는 증가되나 강도는 급속히 감소하며 변형이 어려워 냉간가공이 잘되지 않음.

(나) 온도에 따른 성질

① 청열취성

– 200~300℃에서 상온일 때보다 연신율이 저하하는 특징으로 탄소강 중의 C의 석출, 비금속으로 함유한 질소의 영향으로 볼 수 있음.

② 적열취성

– 황(S)을 많이 함유한 강이 약 950℃에서 인성이 저하되는 특성이며 황은 Fe와 결합하여 황화철(FeS)를 형성하는데 황화철은 결정립계에 그물 모양으로 석출되어 매우 취약하고 용융온도가 낮기 때문에 단조와 압연과 같은 고온 가공성을 나쁘게 함.

③ 상온취성

– 탄소강은 온도가 상온 이하로 내려가면 강도와 경도가 증가되나 충격값이 크게 감소됨.

– 특히 인(P)을 함유한 탄소강은 인에 의하여 인화철(Fe₃P)을 만들어 결정립계에 편석하여 충격값을 감소시키고 냉간가공 시 균열을 초래함.

(3) 함유 원소의 영향

1) 탄소(C)

오스테나이트에 고용되어 담금질 시 마텐자이트 조직을 형성함.

철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성함으로써 강도 및 경도를 향상시킴.

2) 망간(Mn)

탄소강에 보통 0.2~0.8% 정도 함유되어 있어 일부는 강 속에 고용되며 용해되지 못한 망간은 황과 화합하여 황화망간(MnS)을 만들어 슬래그로 제거되므로 적열취성의 원인이 되는 황화철의 형성을 억제함.

3) 황(S)

황은 철과 화합하여 용융온도가 낮은 황화철을 만들어 고온 가공에서 취약한 적열취성의 원인이 됨.

황이 함유된 탄소강은 적열취성을 방지하기 위하여 Mn:S의 비율 5:1로 망간을 첨가하는데 보통은 0.03% 이하로 제한해야 함.

4) 인(P)

인은 철과 화합하여 인화철을 만들어 상온취성의 원인이 됨.

철에 용해된 인은 결정입자를 크고 거칠게 하여 강도와 경도를 다소 증가시키지만 연신율은 감소시킴.

5) 규소(Si)

탄소강 속에 규소는 선철과 탄산제에서 잔류되는 것으로 주로 페라이트 속에 고용되므로 경도, 인장강도, 탄성한계를 높이나 연신율은 감소시킴.

단접성과 냉간가공성을 나쁘게 하므로 첨가량에 한계가 있음.(0.35% 이하)

6) 질소(N)

냉간가공 시 청열취성의 원인이 되며 페라이트에 고용되어 충격값을 감소시키고 연신율이 저하됨.

7) 수소(H)

백점, 헤어 크랙이 발생하여 내부 균열을 일으키고 파괴의 원인이 되며 용접 시에는 비드 균열이 발생함.

최근에는 탈수소를 위하여 진공용해 또는 진공처리를 함.

고탄소강 등과 같이 수소취성이 많이 발생하는 금속은 산으로 처리하는 대신 블라스팅 등 기계적으로 녹을 제거하거나 특수 알칼리 탈청방법을 사용해야 함.

(4) 비금속 개재물의 영향

1) 비금속 개재물의 종류

Fe₂O₃, FeO, MnS, MnO, Al₂O₃, SiO₂

2) 영향

재료의 내부에 점 상태로 존재하여 인성을 저하시키고 취성을 유발함.

열처리를 할 때 균열의 시작점이 됨.

단조, 압연 작업 중에 균열을 일으키기 쉽고 고온취성의 원인이 됨.

금형 재료 및 열처리에 대한 포스트가 늦었습니다. 앞으로는 이 주제를 가지고 연재를 할 예정입니다.