금형 제작에 사용할 금속을 선택하는 것은 작업 생산성, 부품 품질, 공구 수명 및 비용에 영향을 미치는 중요한 초기 결정 중 하나입니다. 최적의 재료를 선택하려면 다양한 재료가 지닌 고유한 특성에 대한 이해와 이를 응용 요구사항과 조율하는 것이 필요합니다. 이제 주요 경쟁 재료들을 비교해 보겠습니다.
1. 공구강: 작업의 핵심 주역
특성: 극도의 경도와 뛰어난 내마모성으로 유명하며, 압축 강도 또한 양호한 편입니다. 열처리를 통해 이러한 특성이 크게 향상되며, 고압과 고온 환경에서도 형태 유지에 우수합니다.
장점: 대량 생산 작업에서 뛰어난 장기 내구성, 마모성 부품 가공에 적합, 정밀도가 요구되는 장시간 운전 및 복잡한 형상에도 적합. 사전 경화 상태에서도 좋은 가공성이 가능한 등급이 많습니다.
단점: 비철금속에 비해 일반적으로 비용이 높음. 열전도율은 중간에서 낮은 수준이며, 이로 인해 보다 고급 냉각 채널 설계가 필요할 수 있음. 매우 높은 경도에서 인성 감소.
적합한 용도: 대량 생산 삽입 사출 성형, 다이캐스팅(특히 코어 및 캐비티), 블로우 성형, 압축 성형 및 까다로운 스탬핑 및 단조 다이.
2. 알루미늄 합금: 속도와 열전도성의 최강자
특성: 강철에 비해 훨씬 가벼움. 높은 열전도성을 가지며(일반적으로 공구강보다 4~5배 이상 큼), 경화 상태에서도 가공이 쉬움. 다만 공구강에 비해 마모 저항성과 경도가 낮음.
장점: 가공 및 연마가 빠르기 때문에 리드타임과 비용을 크게 줄일 수 있음. 열 방산성이 높아 사이클 타임이 단축되며, 제품 품질도 향상됨(휘어짐, 움푹 들어간 현상 감소). 변경 및 수리가 더 용이함.
단점: 경도가 낮아 마모, 마찰 및 손상이 쉽게 발생하며 매우 마모성 있는 재료나 고용량 극한 조건에서는 부적합합니다. 강도가 낮은 경우 클램핑 압력이 감소하고 부품의 크기/복잡성이 제한됩니다.
최적 적용 분야: 프로토타입 제작, 소량 및 중량 생산, 매우 우수한 표면 마감이 필요한 부품, 냉각이 복잡한 인서트, 열성형, RIM(반응 사출 성형), 신속한 금형 제작이 요구되는 응용 분야
3. 구리 합금(베릴륨 불포함): 열 전문가
특성: 일반적으로 사용되는 금형용 금속 중 가장 뛰어난 열전도성을 가짐(종종 알루미늄보다 2~3배, 공구강보다 8~10배 이상 높음). 부식 저항성이 좋고 적절한 경도를 가지며 열처리가 가능함
장점: 열 제거 능력이 뛰어나 금형의 문제 있는 핫 스팟을 제어할 때 매우 유용함. 부품의 리드타임 단축과 정확도 향상에 기여함. 우수한 표면 마감 가능. 갈링 저항성도 양호함.
단점: 공구강보다 경도와 마모 저항성이 높아 고마모 영역에서의 사용성이 제한됨. 알루미늄보다 훨씬 비쌈. 가공 난이도가 알루미늄보다 높을 수 있음. 밀도가 높음.
최적 활용 분야: 주로 사출 성형 및 다이캐스팅 금형에서 냉각 요구가 높은 구역의 인서트(코어, 캐비티 디테일, 이젝터 핀)로 사용. 복잡한 냉각 구조나 열에 민감한 재료를 다룰 때 필수적임.
4. 구리 합금 (베릴륨 프리 대체재):
특성: 베릴륨의 건강 위험 없이 기존의 구리-베릴륨 합금 수준의 높은 열전도성을 제공하도록 설계됨. 이러한 합금에는 구리-니켈-실리콘, 구리-크롬-지르코늄 합금 등이 있음.
장점: 전통적인 고구리 합금 대비 우수한 열전도성과 더불어 경도, 강도 및 내마모성이 향상되었습니다. 가공 및 취급 시 위험성도 낮습니다.
단점: 일반적으로 순수 고구리 합금 또는 구리-베릴륨에 비해 다소 낮은 열전도성을 가지며, 이는 상대적으로 감소합니다. 가격이 비쌀 수 있으며, 등급에 따라 공급 가능 여부가 달라질 수 있습니다.
최적의 용도: 베릴륨 프리 안전성이 요구되는 열 삽입 부품으로, 열전도성, 강도 및 내마모성 사이의 균형이 필요한 경우에 적합합니다.
5. 고품질 금형강 (분말야금 - PM):
특성: 첨단 분말야금 공법을 통해 보다 미세하고 균일한 미세조직을 형성할 수 있어 개발되었습니다. 이를 통해 기존 방식으로 가공된 금형강보다 높은 경도와 훨씬 개선된 인성 및 내마모성을 실현할 수 있습니다.
장점: 경도, 인성 및 마모 저항성의 탁월한 균형. 높은 연마성과 세부 작업 시 또는 심한 응력이 가해지는 상황에서 경화된 칩핑이나 균열에 강함. 개선된 등방성(모든 방향에서 동일한 특성).
단점: 옵션 대비 재료 비용이 가장 높음. 경화된 PM 강은 가공 속도가 느릴 수 있으며 보다 전문화된 공구가 필요할 수 있음.
최적 활용 분야: 마모성 제품 제조를 위한 고정밀 난가공 몰드, 극도로 긴 양산 주기, 마모나 파손이 쉬운 소형 부품이 포함된 몰드, 다이캐스팅에서 심한 코어 및 캐비티 적용.
주요 선택 요소:
생산 규모: 부피가 큰 경우 도구강 또는 PM 강으로 견딜 수 있어야 하며, 소규모 부피는 알루미늄 사용이 유리함.
부품 재질: 유리 충전재, 광물(마모성)은 마모 저항성이 매우 요구되므로 도구강/PM을 필요로 함. 높은 열전도성(구리/알루미늄 인서트)은 열에 민감한 재료에 유리함.
부품 형상 및 복잡성: 고전도성 인서트는 냉각이 복잡하며, 미세한 부위에 대해 높은 연마성과 경도(공구강/분말금속)가 요구됩니다.
사이클 타임 요구사항: 시간당 사이클 수를 극대화하기 위해 고전도성 소재(동/알루미늄 인서트)를 사용하게 됩니다.
예산: 알루미늄은 초기 비용이 가장 낮은 반면, 분말금속(PM) 강재는 가장 높은 비용이 발생합니다. 총 소유비용(자재비, 가공비, 내구성, 사이클 수)을 기준으로 결정해야 합니다.
요약:
금형용 이상적인 금속이 단 하나 있다면, 그것은 분명히 알루미늄이 아니다. 장기적으로 뛰어난 내구성을 제공하는 것은 공구강이다. 알루미늄은 프로토타입 및 소량 생산에서 가공 속도와 냉각 속도 측면에서 이점을 갖는다. 열 관리의 슈퍼스타인 인서트 재질은 구리 합금(특히 베릴륨 프리)이다. 최고 등급의 공구강은 극한의 경도를 요구하는 정밀 공구와 같은 가장 까다로운 용도까지 적용 범위를 확장한다. 금형 수명, 부품 품질, 생산 효율성 측면에서 최적의 결정을 내리기 위해 본격적인 재료 특성을 고려하여, 특히 생산 수량, 사용 재료, 복잡성, 냉각 요구사항과 예산 간의 우선순위를 조화시켜야 한다.