사출 금형강 선택 가이드: P20, H13 및 S136

금형 강재 선택이 부품 품질과 금형 비용을 좌우하는 이유

사양서는 문제가 없어 보였습니다. 수지도 승인되었고 벽 두께도 DFM¹을 통과했습니다. 하지만 첫 사출품이 프레스에서 나오자 표면은 사포로 문지른 듯했습니다. 원인은 30% 유리섬유 강화 나일론 작업에 지정된 P20 캐비티였습니다. 금형 업체가 보유 재고를 그대로 사용했던 것입니다. 3주간 재연마한 끝에 고객은 경쟁사로 옮겨갔습니다. 그 후 저희 팀은 프로젝트 착수 시 금형강 논의를 절대 생략하지 않습니다.

대부분 사출 금형 고장은 강재 등급과 수지의 연마성, 화학적 공격성 또는 금형에 요구되는 생산량 중 하나가 맞지 않아 발생합니다. 잘못된 강재를 선택하면 표면 품질만 저하되는 것이 아닙니다. 파팅 라인의 마모를 가속하고 부식 생성물로 벤트를 막으며 금형의 사용 수명을 절반으로 줄일 수 있습니다. 처음부터 올바른 강재를 선택하는 비용과 사후 보수 비용의 차이는 일반적으로 원래 강재 프리미엄의 3~5배입니다.

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P20 금형강: 예산과 중간 생산량에 가장 적합한 선택

P20은 HRC 28–33 상태로 공급되는 사전 경화 크롬-몰리브덴 공구강³이므로 황삭 후 열처리 과정 없이 바로 가공할 수 있습니다. 이를 통해 제작 일정을 5–10일 단축하고 가공 후 열처리에 따른 변형 위험을 없앨 수 있습니다. 저희 공장에서는 수지가 비충전 ABS, PP 또는 PE이고 연간 생산량이 캐비티당 500,000샷 미만인 소비재 금형의 약 60%에 P20을 사용합니다.

절충 요소는 경도입니다. HRC 30의 P20은 약한 연마성 수지로 약 300,000–500,000회 사출한 후 파팅 라인과 게이트 부위에 눈에 띄는 마모가 나타납니다. 완전 비충전 범용 수지의 경우 동일한 금형은 재연마나 게이트 수리가 필요하기 전까지 800,000–1,000,000회 사출할 수 있습니다. P20은 텍스처 마감(EDM 그레인, VDI 24–36)도 비교적 잘 수용하지만, 탄소 함량이 낮아 달성 가능한 표면 경도가 제한되므로 VDI 12 미만의 경면 연마는 어렵습니다.

엔지니어가 놓치기 쉬운 결정 지점이 있다. P20은 표면을 HRC 50–55로 표면 경화하고 코어는 연질로 유지하는 질화 변형(P20+Ni 또는 P20H)으로 제공되는 경우가 많다. 완전 열처리 사이클 없이 게이트와 파팅 라인의 내마모성을 높인다. 당사는 경미한 충전 수지(유리섬유 최대 10%)로 600,000–900,000 샷을 생산할 P20 금형에 이 변형을 지정한다.

H13 공구강: 고온 수지와 연마성 충전재에 적합한 선택

H13은 진공 경화와 뜨임 후 HRC 48–52에 도달하는 크롬-몰리브덴-바나듐계 열간 공구강입니다. 바나듐 성분은 유리섬유, 무기 충전재 및 탄소섬유 보강재의 연마 마모에 저항하는 경질 탄화물을 형성합니다. 고객이 200만 회 사출이 필요한 30% GF 나일론 66 부품을 의뢰하면 거의 항상 H13을 지정합니다. 유일한 선택이라서가 아니라 해당 생산량 구간에서 내마모성, 인성 및 가공성의 균형이 가장 좋기 때문입니다.

H13의 또 다른 강점은 열 피로 저항성입니다. PPS, PEI(Ultem) 및 LCP의 성형 온도는 종종 300°C를 초과합니다. 이 온도에서는 사출과 냉각의 반복적인 열 사이클로 인해 더 연한 강재가 200,000 사이클 이내에 얇은 리브나 날카로운 모서리 반경에서 균열될 수 있습니다. H13은 크롬과 몰리브덴 함량이 높아 열팽창계수 변동이 줄어들며, 동일한 조건에서 P20보다 열 피로 수명이 약 3× 더 깁니다. 당사 공장에서는 용융 온도가 280°C를 초과하거나 유리섬유 함량이 15%를 넘는 모든 금형에 H13을 사용합니다.

현장의 실무적 참고 사항: H13은 황삭 가공 후 최종 경화 전에 적절한 응력 제거 사이클이 필요합니다. 이 단계를 생략하는 것은 납기를 줄이려는 금형 업체의 H13 금형 균열 원인 중 가장 흔한 사례입니다. 응력 제거 사이클(단면 두께 25 mm당 550–600°C에서 2시간)은 2–3일이 추가되지만 진공 경화 중 변형을 방지합니다. 이 단계를 생략한 금형이 최초 50,000회 이내에 리브 루트에서 균열된 사례를 보았으며, $15,000+의 수리비를 고려하면 시간 절약은 무의미합니다.

S136 스테인리스 금형강: 부식성 수지와 광학 표면에 필수

S136(AISI 420 개질 스테인리스강과 동등)는 약 13%의 크롬을 함유하며, 이 크롬은 PVC, 할로겐계 난연제, POM(아세탈) 및 일부 폴리우레탄에서 발생하는 산성 가스에 대해 부동태 산화막 방식 보호를 제공합니다. 내식성은 단순히 외관상의 문제가 아닙니다. 캐비티 표면의 산 부식은 부품 표면으로 그대로 전사되는 미세 피팅을 만들어 내며, 캐비티를 재가공하지 않고서는 연마로 제거할 수 없는 결함을 유발합니다.

S136은 일반 금형강 중 연마성도 가장 뛰어나며, 올바르게 가공하면 VDI 0~3(미러 마감, Ra 0.01~0.02 µm)에 도달합니다. 이는 광학 렌즈, 라이트 가이드, 의료기기 하우징 및 Class A 수준의 투명 외관이 필요한 모든 부품에 필수적입니다. 당사 공장에서는 모든 의료기기 금형, 투명 PC 및 PMMA 부품, PVC 또는 POM 수지를 사용하는 모든 응용 분야에 S136만 사용합니다. S136 캐비티의 미러 연마 표면은 적절한 이형 및 세척 절차를 따르면 500,000~1,000,000샷 동안 유지할 수 있습니다.

S136의 단점은 인성입니다. 같은 경도에서 H13보다 약간 더 취성이 있어 얇은 리브 가장자리(0.5 mm 미만)나 깊고 좁은 슬롯에서 치핑이 발생하기 쉽습니다. 저희는 S136 금형에 최소 1:6의 리브 두께 대 깊이 비율을 적용하고 모든 내부 예각에 0.3 mm 반경을 추가합니다. 이러한 설계 변경으로 가공 시간이 2–4시간 늘어나지만 사용 중 취성 파손을 방지할 수 있습니다. 사출 금형 설계⁴ 팀에는 이것이 중요한 DFM 점검 항목입니다.

강재 등급 비교: P20 vs H13 vs S136 나란히 비교

엔지니어가 어떤 강재를 사용해야 하는지 물으면 답은 거의 항상 다음 세 질문으로 귀결됩니다. 사출 횟수는 몇 회인가? 수지는 무엇인가? 표면 마감은 무엇인가? 아래 표는 당사의 20년 공장 경험을 직접 비교로 정리한 것입니다. 모든 면에서 우월한 단일 강종은 없으며, 각각 뚜렷한 운용 영역을 차지합니다.

H13과 S136의 HRC 범위가 같아 서로 대체할 수 있다고 판단하는 것은 흔한 오류입니다. H13의 바나듐 탄화물은 내마모성을 높이고 S136의 13% 크롬은 내식성을 제공합니다. H13 금형에서 PVC를 가공하면 50,000회 사출 이내에 공식이 발생합니다. S136 금형에서 40% GF 나일론을 가공하면 바나듐 탄화물상이 없어 표면 마모가 빨라집니다.

3단계 금형 강재 선정법: 실용적인 의사결정 프레임워크

1단계: 수지 화학 조성 적합성 평가

첫 번째 필터는 항상 화학적 특성입니다. 수지 기술자료에서 방출 가스, 권장 가공 온도 및 부식 경고를 확인하십시오. PVC, 할로겐 함유 난연제, 아세탈(POM), 그리고 고온에서 분해되는 흡습성 엔지니어링 수지는 모두 가공 중 산을 생성합니다. 정상 가공 중 HCl, HBr, HF 또는 포름알데히드 가스를 생성하는 수지에는 S136 또는 최소 2316 스테인리스강이 필요합니다. 예외는 없습니다. PVC 용도에서 P20이나 H13이 눈에 보이는 캐비티 피팅 없이 200,000샷을 견딘 사례를 본 적이 없습니다.

광학 또는 의료 용도에서는 수지가 화학적으로 공격적이지 않더라도 표면 마감 요구사항 때문에 S136을 선택해야 합니다. 라이트 가이드용 폴리카보네이트, 렌즈용 PMMA, 의료용 바이알용 COC/COP는 모두 Ra 0.025 µm 미만이 필요하며, 이는 S136과 캐비티 표면을 6–8시간 연마하는 숙련 작업자로만 달성할 수 있습니다.

2단계: 생산량 목표 설정

생산량에 따라 비용을 투자해야 하는 내마모성 수준이 결정됩니다. 양산 금형을 제작하는 동안 50,000–100,000샷을 생산할 브리지 금형 프로그램이라면 P20이 거의 항상 올바른 선택입니다. 툴링 비용 절감분을 양산 금형에 투자할 수 있기 때문입니다. 5년에 걸쳐 300만 샷을 생산하는 프로그램이라면 H13 또는 S136은 선택 사항이 아닙니다. 500,000샷에서 P20 금형을 재제작하면 가동 중단과 재툴링 비용이 최초 가격 차이보다 더 커집니다. 당사 공장에서 P20을 H13으로 업그레이드하는 손익분기 계산은 연마성 수지의 경우 캐비티당 연간 생산량이 250,000샷을 초과하면 일반적으로 H13에 유리합니다.

3단계: 표면 마감과 강종 일치

표면 마감 요구사항은 부품 사양에서 직접 결정됩니다. SPI A1/A2(경면)에는 S136이 필요합니다. SPI B1(반광택)에는 H13을 사용할 수 있습니다. SPI C1/C2(무광)에는 P20을 사용할 수 있습니다. 부품 도면에 SPI 등급 없이 ‘성형 상태 광택’이라고 표기되어 있으면 강재 견적 전에 명확한 사양을 요청해야 합니다. 모호한 ‘광택’ 사양과 SPI A1 사양의 차이로 단일 캐비티 금형 비용이 $4,000–$6,000 늘어날 수 있습니다. 고객은 종종 ‘반짝이는 부품’ 요구사항이 광학 등급 연마 작업을 뜻한다는 사실을 인식하지 못하므로, 당사의 DFM 검토에서는 강재를 선택하기 전에 항상 표면 마감 등급을 확인합니다.

강재 등급 선택이 실제 비용과 일정에 미치는 영향

강종에 관한 논쟁은 이론보다 수치로 더 빨리 결론을 낼 수 있습니다. 다음은 고객 기밀을 보호하기 위해 익명화한 당사 공장의 최근 금형 제작 실적 데이터입니다. 캐비티당 표면적이 약 150cm²인 소비재 및 산업용 부품의 단일 캐비티 패밀리 몰드를 기준으로 한 수치입니다.

리드 타임 차이는 열처리 일정과 H13 및 S136에 필요한 추가 EDM·연마 작업을 모두 반영합니다. 대부분의 금형 업체에서 진공 경화로는 배치 일정에 따라 가동됩니다. 금형이 주간 작업을 놓치면 5~7일이 추가됩니다. 그래서 당사는 고객에게 금형을 작업장에 있던 임의의 강재로 황삭한 뒤가 아니라 툴링 착수 첫 주에 강종을 확정하도록 권고합니다.

사출 금형강 선택에 관한 자주 묻는 질문

투명 플라스틱 부품에 가장 적합한 몰드강은 무엇인가요?

S136 스테인리스 금형강은 투명 사출 성형 부품의 업계 표준입니다. PC, PMMA 및 COC 수지에서 광학 등급의 투명도를 구현하는 데 필요한 경면 연마 표면 마감(SPI A1/A2, Ra ≤ 0.025 µm)을 달성합니다. 13% 크롬 함량은 연마된 캐비티 표면을 흐리게 할 수 있는 이형제 얼룩도 방지합니다. P20과 H13은 SPI B1에 도달할 수 있지만 렌즈나 도광판 용도에 필요한 Ra 0.01–0.02 µm 값을 유지할 수 없습니다. 의료용 광학 부품에는 S136H(HRC 38–42의 프리하든 변형)가 연마성 요건을 충족하면서 더 빠른 제작 일정을 제공합니다.

고용량 생산 금형에 P20 강을 사용할 수 있습니까?

P20은 사출 압력 1,200 bar 미만에서 비충전 범용 수지(ABS, PP, PE, PS)를 사용하면 최대 500,000–1,000,000숏의 생산량을 처리할 수 있습니다. 이 생산량을 초과하거나 유리 섬유 함량이 10%를 넘는 충전 수지를 사용하면 게이트 부위와 파팅 라인에 눈에 띄는 마모가 발생하고, 이는 플래시 또는 치수 편차로 부품에 전이됩니다. 마모성 수지로 캐비티당 연간 500,000숏을 초과해 생산하는 경우 H13으로 업그레이드하면 생산 중 캐비티 수리를 없애 대개 첫해 안에 비용을 회수할 수 있습니다. 강재 등급을 확정하기 전에 반드시 수지 종류와 연간 생산량을 확인하십시오.

PVC 사출 성형에는 어떤 몰드강을 사용해야 합니까?

PVC 사출 성형에는 예외 없이 S136(또는 2316) 스테인리스 금형강을 사용해야 합니다. 가공 중 PVC는 약간 분해되며 염산(HCl) 가스를 방출합니다. 이 가스는 50,000–100,000샷 이내에 비스테인리스 캐비티강 표면을 공격해 표면 조도를 망치고 부품 결함을 유발하는 공식 부식을 일으킵니다. S136의 13% 크롬은 HCl 공격을 견디는 부동태 산화막을 형성합니다. 내부 부식을 방지하려면 PVC 용융 구역과 접촉하는 모든 냉각 라인, 코어 핀 및 슬라이드도 스테인리스강으로 만들거나 크롬 도금해야 합니다. 단기 생산용 PVC 시제품 금형에도 S136을 사용해야 합니다. HCl 손상은 빠르게 누적됩니다.

금형강의 경도가 표면 마감 품질에 어떤 영향을 미치나요?

경도가 높은 강재(HRC 48–52, H13 및 S136)는 경화강의 높은 탄화물 함량 덕분에 연마재가 균일하고 흠집 없는 표면을 만들 수 있어 경도가 낮은 강재(HRC 28–33, P20)보다 더 미세한 표면으로 연마할 수 있습니다. HRC 30의 P20은 다이아몬드 연마 중 찢어지는 연질 기지 영역 때문에 달성 가능한 Ra가 약 0.05–0.10 µm(SPI B1)로 제한됩니다. HRC 50의 S136은 6 µm에서 0.25 µm 입도까지 단계적으로 다이아몬드 연마하면 Ra 0.01 µm(SPI A1)에 도달할 수 있습니다. HRC 50의 H13은 Ra 0.03–0.05 µm(SPI A2–B1)에 도달합니다. 경도는 양산 조건에서 연마 표면이 얼마나 오래 유지되는지도 결정합니다.

H13과 S136 중 의료 기기 금형에 더 적합한 것은 무엇인가요?

대부분의 경우 의료기기 금형에는 S136이 선호됩니다. 의료 부품은 일반적으로 세척 용이성과 외관 검사 준수를 위해 경면 연마 표면이 필요하며, 약품 포장용 LDPE, 기기 하우징용 PC, 여러 약물 용출 폴리머를 비롯한 많은 의료용 수지에는 비스테인리스강을 부식시키는 첨가제가 들어 있을 수 있습니다. S136은 의료 생산 환경에 필요한 표면 마감 요구사항(VDI 0~3)과 내식성을 모두 충족합니다. 의료 툴링에서 H13은 부품 형상에 얇은 리브나 깊은 코어가 있어 S136의 다소 낮은 인성이 치핑 위험을 일으키고 수지는 부식성이 없을 때만 사용합니다.