사출 금형에 일반적으로 사용되는 강재는 무엇입니까?

금형강이란 무엇이며 왜 금형 수명을 결정하나요?

금형강은 사출 금형 코어와 캐비티가 가공되는 하중 지지 재료입니다. 올바른 선택은 생산 기간 동안 공구 수명, 표면 마감 품질, 사이클 시간, 그리고 총 공구 비용을 결정합니다.

금형강 선택은 CNC 장비 가공을 시작하기 전에 확정됩니다. 강재를 발주하고 황삭한 뒤 등급을 변경하면 블록을 폐기하고 다시 시작해야 하며, 일반적으로 $3,000–$15,000의 손실이 발생합니다. 잘못 선택한 엔지니어는 한 번 대가를 치릅니다. 올바르게 선택하면 다음 500,000회의 사출 동안 금형강을 걱정할 필요가 없습니다.

핵심 절충점은 간단합니다. 강재가 단단할수록 수명이 길고 내마모성이 우수하지만 가공과 수리 비용이 더 듭니다. P20 같은 예비 경화강¹은 약 HRC 28~³6으로, 빠르게 밀링할 만큼 부드럽고 대부분의 열가소성 수지에 충분히 단단합니다. H13과 S136 같은 완전 경화강은 열처리 후 HRC 45~55에 도달하여 더 많은 3시간과 주의가 필요하지만, 마모성 수지나 광학 투명성이 필요한 경우 유일하게 실용적인 선택입니다.

금형강 선택을 좌우하는 네 가지 특성은 ²(내마모성), 인성(균열 저항성), ⁴(수지와의 화학적 적합성), 가공성(캐비티 가공 및 수리 비용)입니다. 모든 특성을 동시에 극대화하는 강재는 없으며, 각 선택은 특정 수지, 생산량 및 표면 마감 요구에 맞춘 절충입니다.

P20: 일반 목적 금형의 산업 기본값

P20은 HRC 28–36으로 공급되는 예비 경화 저합금강으로, 추가 열처리 없이 바로 가공할 수 있습니다. 전 세계 양산 사출 금형의 약 60%에 사용되는데, 모든 범주에서 최고의 강재이기 때문이 아니라 모든 범주에서 충분한 성능을 제공하기 때문입니다.

P20는 대부분 상용 열가소성 수지를 문제 없이 처리합니다: ABS, PP, PE, PC 및 표준 나일론 등급 모두 강재를 손상시키지 않고 작동합니다. 예경강 상태는 표준 카바이드 도구로 직접 CNC 밀링할 수 있고, 블록을 파손하지 않고 작은 손상을 용접 수리할 수 있으며, 특별 폴리싱 없이 Ra 0.4–0.8 µm 범위의 표면 마감을 얻을 수 있습니다. 최대 400,000 주입까지 P20는 비용 최적 선택입니다.

P20이 적합하지 않은 경우: 유리 함량이 20–30%를 넘는 연마성 수지는 200,000샷 이내에 P20 캐비티를 뚜렷하게 마모시켜 치수 편차와 표면 열화를 일으킵니다. PA66-GF30 또는 PEEK를 사용한다면 P20은 적합하지 않습니다. 또한 P20에는 내식성이 전혀 없어 PVC에서 방출되는 염산 가스가 생산 시작 후 몇 주 내에 캐비티 표면에 공식 부식을 일으킵니다.

718H(P20+Ni라고도 함)는 표준 P20을 두 가지 측면에서 개선한 니켈 개질 강종으로, 연마성이 더 우수하고(Ra 0.2 µm까지) 인성이 약간 높습니다. 투명 ABS를 생산하거나 다중 캐비티 금형 전반에서 표면 일관성을 높이려면 P20 대비 ~8–12%의 비용 프리미엄을 감수하고 718H를 검토할 가치가 있습니다.

H13: 대량 생산 및 마모성 수지에 최적의 선택

H13은 진공 담금질과 템퍼링 후 HRC 46–54에 도달하는 열간 작업용 공구강입니다. 이 경도에서 유리 섬유 강화 수지로 인한 마모에 대한 저항성이 P20보다 약 3배 더 우수합니다 — 이는 PA66-GF30과 POM을 사용하는 당사의 자체 생산 프로그램에서 검증된 관찰 결과입니다.

H13의 핵심 장점은 열 안정성입니다. 크롬-몰리브덴-바나듐 합금 조성은 고온에서의 연화를 방지합니다. 이는 고속 사이클과 280°C를 초과하는 배럴 온도가 필요한 열 민감성 수지에 매우 중요합니다. H13은 P20과 달리 연속 다교대 생산에서도 크리프나 캐비티 변형 없이 경도를 유지합니다.

H13의 단점은 가공 비용입니다. 강재는 연화 상태(HRC ~18–22)에서 가공 후 진공 열처리를 위해 보내야 하므로 제조 순서가 더 길고 비용이 높습니다: 조 CNC → 세미 마무리 → 열처리 → 마무리 연삭 → 정밀 디테일 EDM. 동급 P20 금형보다 도구 비용이 25–40% 더 높을 것으로 예상됩니다.

H13은 다음과 같은 경우 올바른 선택입니다: (1) 수지에 20% 이상 글래스 또는 미네럴 충전재가 포함된 경우, (2) 예상 생산량이 500,000 주입 이상인 경우, (3) 주입 온도가 지속적으로 280°C 이상인 경우, 또는 (4) 부품이 P20가 장기간 유지할 수 없는 정밀 치수 허용 오차를 요구하는 경우.

S136 및 420 스테인리스: 부식이나 표면 결함을 허용할 수 없는 경우

S136 (AISI 420 스테인리스와 동급, Uddeholm 명칭)은 13.6% 크롬 함량을 가진 마르텐시틱 스테인리스 도구강으로 열처리 후 HRC 50–52를 제공합니다. 주 기능은 부식 저항성입니다 — 작업장 습도뿐만 아니라 PVC, POM 및 난연성 수지 분해 시 생성되는 산에도 저항합니다.

S136이 필수인 세 가지 상황: PVC 처리 (배럴 온도에서 염산 발생), 210°C 이상에서 POM-C 또는 POM-H 운전 (포름알데히드 가스가 일반 강재를 공격), Ra ≤ 0.025 µm 미러 폴리시가 필요한 광학급 투명 부품 생산. S136은 미세한 카바이트 구조가 고광택 연마를 받고 유지할 수 있어 그 미러 마무리를 달성할 수 있습니다 — P20과 H13은 불가능합니다.

S136은 킬로그램당 P20보다 50–70% 비싸고 엄격한 가공 절차가 필요합니다. 용접 전 예열, 열처리 후 제어 냉각, 미세 균열을 방지하기 위한 전용 EDM 매개변수를 적용해야 합니다. 그러나 PMMA를 240°C에서 가공하고 요구 광투과율이 >92%인 렌즈 금형에는 대안이 없습니다. 이 비용은 선택 사항이 아니라 사양을 충족하기 위한 대가입니다.

한 가지 중요한 차이점: S136은 염욕 방식보다 진공 경화를 선호합니다. 진공 경화는 더 깨끗한 표면 산화물과 더 나은 치수 안정성을 제공하여 열처리 후 마무리 가공 여유를 줄입니다. 구매 발주서에 진공 경화를 지정하는 것은 꼼꼼함이 아닙니다 — 최종 미러 표면 품질에 직접 영향을 미칩니다.

718H 및 NAK80: 복잡한 형상에 대한 예비 경화 대안

718H(718 또는 P20+Ni로도 표기)와 NAK80(P21 등급)은 표준 P20과 완전히 심부 경화된 등급 사이의 간극을 채우는 사전 경화 강종입니다. 둘 다 HRC 33~38 상태로 도착하며, 추가 가공 후 열처리가 필요하지 않아 리드 타임을 1~2주 단축하고 복잡한 형상에서 열처리 변형 위험을 제거합니다.

718H는 니켈 함량(약 1%)으로 인해 표준 P20보다 더 나은 광택 성능을 달성하며, 이는 결정 구조를 미세화합니다. 투명 ABS, 투명 PC/ABS 혼합물 또는 SPI A3–B1 마감이 필요한 부품의 경우, 718H는 사전 경화 처리된 선택 옵션입니다. NAK80는 Al, Cu, S의 첨가로 더 나아가 시효 경화 능력과 우수한 텍스처링 성능을 제공합니다 — 텍스처 처리된 표면 또는 입자 에칭된 자동차 내장 패널에 이상적입니다.

금형강 선정 의사결정 체계: 적합한 강종 선택 방법

강재 선정은 성형할 수지와 예상 생산량이라는 두 가지 입력에서 결정됩니다. 예산, 리드타임, 표면 마감 등 나머지 요소는 이 두 기준에 맞춰 조정됩니다.

흔한 실수는 냉각 시스템 설계와 별개로 강종을 선택하는 것입니다. P20의 열전도율 29–36 W/(m·K)는 이미 대부분의 사이클 타임 목표에 충분합니다. 그러나 H13(32–34 W/(m·K)) 또는 S136(24–28 W/(m·K))으로 전환한다면 냉각 채널 배치를 검토해야 합니다. 채널을 캐비티 벽에 더 가깝게 재배치하지 않으면 S136의 낮은 열전도율로 인해 P20 대비 사이클 타임이 5–10% 늘어날 수 있습니다.

엔지니어들이 간과하는 두 번째 요소는 리드타임입니다. P20은 중국, 미국, 유럽 전역의 금형강 유통업체가 널리 재고를 보유하고 있어 일반적인 납기는 3–5영업일입니다. 대형 H13 블록(두께 200mm 초과)은 Daido 또는 Finkl에서 조달하는 데 10–15일이 걸릴 수 있습니다. S136(Uddeholm)은 리드타임이 가장 길어 맞춤 절단 블록에 2–4주가 필요합니다. 프로젝트 일정이 촉박하면 강재 등급을 확정하기 전에 재고를 확인하십시오. 리드타임 때문에 S136에서 718H로 변경하면 비용이 20–25% 증가하지만 일정을 2–3주 단축할 수 있습니다.

생산량 예측 정확도는 강재 선택에서 가장 과소평가되는 위험입니다. 200K 샷 추정치를 기준으로 P20을 지정한 뒤 프로그램을 800K 샷까지 연장하는 고객은 생산 도중 캐비티 재연마 또는 교체에 직면합니다. 최종 생산량에 실질적인 불확실성이 있다면 H13을 우선하십시오. 초기 증분 비용은 25–40% 더 높지만, 수요가 예상 밖으로 증가할 때 프로그램 2년 차에 $15,000–$40,000의 캐비티 재제작 위험을 없앨 수 있습니다.

예산 압박으로 인해 S136 또는 H13이 적합한 경우에도 엔지니어가 P20을 선택하는 경우가 많습니다. 실제 비용을 반영한 의사결정 기준은 다음과 같습니다. 금형의 예상 수명이 800,000 shots를 넘고 수지가 조금이라도 마모성을 띤다면, H13과 P20의 추가 비용은 재분쇄 및 재작업 비용 절감을 통해 일반적으로 300,000 shots에서 손익분기점에 도달합니다. 초기 금형 견적만이 아니라 총소유비용을 산정하십시오.

엔지니어가 과소평가하는 또 하나의 금형강 선정 변수는 용접 보수성입니다. P20은 150°C 이상 예열하지 않고 표준 MIG 또는 TIG 공정으로 용접할 수 있습니다. H13은 300–400°C 예열, 정밀한 패스 간 온도 제어 및 용접 후 템퍼링이 필요해 각 보수 단계마다 비용과 금형 가동 중단 시간이 늘어납니다. S136은 마르텐사이트 균열을 방지하기 위해 더욱 정밀한 열 관리가 필요합니다. 설계 변경이나 캐비티 보수가 잦을 금형은 용접 보수 절차가 기본 경도 사양만큼 중요합니다.

캐비티 표면적은 대부분의 엔지니어가 생각하는 것보다 강재 비용에 더 큰 영향을 미칩니다. S136 소재의 300×200mm 캐비티 블록은 공구 경로를 한 번도 가공하기 전의 원강재 가격만 $2,000–$4,000에 달할 수 있습니다. P20 가격을 적용하면 동일한 블록은 $600–$900입니다. 32-캐비티 핫 러너 금형에서는 블록당 $3,000의 차이가 빠르게 누적됩니다. 캐비티 수가 많고 일부 캐비티만 마모가 심한 금형의 경우, 처음 몇 개 캐비티에는 S136을 사용하고 나머지에는 P20을 적용하는 방안을 고려하십시오. 이 하이브리드 방식은 필요한 부위의 표면 품질을 유지하면서 총 금형 비용을 20–30% 절감합니다.

금형강 선정은 냉각 시스템 설계와도 상호작용합니다. 금속 AM(적층제조) 또는 건드릴링으로 가공한 컨포멀 냉각 채널은 P20과 H13에서만 경제성이 있으며, S136은 크롬 함량이 높아 표준 장비로 심공 드릴링하기가 더 어렵습니다. 냉각 설계에 150mm를 초과하는 깊이에서 직경 6mm 미만의 채널이 필요하다면 설계를 확정하기 전에 지정 강종에 대한 금형 제작업체의 장비 역량을 확인하십시오.

표면 처리 옵션: 질화 처리, PVD 및 경질 크롬 도금

표면 처리는 모재를 변경하지 않고 내마모층을 추가하여 모든 금형강의 사용 수명을 연장합니다. 사출 금형에서 가장 흔한 세 가지 처리는 가스 질화, PVD (Physical Vapor Deposition) 코팅 및 경질 크롬 도금입니다.

가스 질화는 강재 표면에서 0.1–0.3mm 깊이까지 침투하여 치수 변화 없이 HRC 65–70의 질소 확산 경화층을 형성합니다. P20과 H13에는 효과적이지만, 크롬 산화층이 질소 확산을 막으므로 스테인리스강에는 적합하지 않습니다. 질화 비용은 캐비티 세트당 약 $200–$800이며, 마모성이 약한 조건에서 P20 금형 수명을 40–80% 연장합니다.

PVD 코팅(TiN, TiAlN, CrN)은 500°C 미만의 온도에서 2–5 µm의 경질층을 형성하여 모재 강재의 템퍼링 상태를 보존합니다. TiN은 금색이며 HRC 80+ 경도를 갖고 내마모성과 이형성을 동시에 개선합니다. CrN은 TiN보다 내식성이 우수합니다. PVD는 반복 접촉 응력을 받는 슬라이드, 코어 및 기타 가동 인서트에 선호되는 처리 방식으로, 갤링 위험을 낮추며 인서트 교체 전 2–3회 재적용할 수 있습니다.

경질 크롬 도금(두께 0.02–0.1mm)은 기존 방식으로, PVD보다 저렴하지만 6가 크롬의 독성 때문에 규제 시장에서 단계적으로 퇴출되고 있습니다. 현지에서 PVD를 적용할 수 없는 경우 경질 크롬도 여전히 유효하지만, 반복 하중에 따른 미세 균열을 더 자주 검사해야 합니다.

ZetarMold의 강재 조달 및 품질 표준

ZetarMold는 검증된 제철소에서만 금형강을 조달합니다. S136은 Uddeholm(스웨덴), 718H와 718S는 ASSAB, H13은 Daido(일본) 또는 Finkl Steel(미국) 제품을 사용합니다. P20은 Baoshan Iron & Steel(Baosteel)에서 국내 조달하며 각 배치에 대해 입고 소재 검사를 실시합니다.

모든 강재 블록은 CNC 부서로 출고하기 전에 입고 경도 검사(±2 HRC tolerance)와 내부 개재물 초음파 검사를 거칩니다. 초음파 검사에 불합격한 강재는 리드타임 압박과 관계없이 반품합니다. 개재물로 인해 50,000회 사출 후 캐비티에 균열이 발생하는 비용은 결함 없는 블록을 확보하기 위한 3일 지연보다 큽니다.

열처리는 탈탄을 방지하기 위해 사내 또는 인증 협력사의 진공로에서 수행합니다. 템퍼링 온도와 사이클은 추정값이 아니라 Uddeholm 및 ASSAB의 공개 데이터시트를 따릅니다. S136은 캐비티의 세 구역(게이트부, 충전 말단, 파팅 라인)에서 로크웰 시험으로 최종 경도를 확인하고, 그 결과를 고객에게 제공하는 금형 데이터 패키지에 기록합니다.

고객이 자체 강재를 공급하는 경우 당사는 히트 번호 추적이 가능한 밀 인증서, 입고 경도 검증, 초음파 검사 인증서를 요구합니다. 지난 2년간 인증되지 않은 고객 공급 강재의 사용을 세 차례 거부했으며, 매번 고객은 이후 가공 중 블록에서 개재물을 발견했습니다. 검사 부담은 관료주의가 아니라 손실 방지 조치입니다.

자주 묻는 질문

사출 금형에 가장 적합한 강은 무엇인가요?

P20은 표준 열가소성 수지(ABS, PP, PC)를 사용해 최대 400K shots를 생산하는 일반 양산 금형의 기본 선택입니다. H13(HRC 46–54)은 유리섬유 강화 엔지니어링 수지 또는 500K shots 이상의 생산량에 적합하며, 이 조건에서는 P20이 너무 빨리 마모됩니다. S136(420 스테인리스강)은 미러 연마가 필요한 광학 등급 부품과 PVC 또는 POM 같은 부식성 수지에 필수입니다. 718H는 열처리 변형을 허용할 수 없는 복잡한 형상에서 P20과 H13 사이의 공백을 메웁니다. 하나의 최적 강종은 없습니다. 수지, 생산량 및 표면 마감 사양에 맞춰 강재를 선택하십시오.

P20와 H13 몰드강의 차이점은 무엇인가요?

P20은 HRC 28–36으로 사전 경화되어 공급되므로 별도의 열처리 없이 바로 가공할 수 있습니다. 비용 효율적이고 용접 보수가 쉬우며, 비충전 열가소성 수지의 최대 500K샷 생산에 적합합니다. H13은 황삭 후 HRC 46–54로 진공 경화해야 하는 열간가공 공구강입니다. 이 공정은 납기를 1–2주 늘리고 비용을 25–40% 높입니다. 대신 H13은 유리섬유 충전 수지에 대해 약 3× 높은 내마모성을 제공하며 1 million샷을 훨씬 넘겨도 치수 안정성을 유지합니다. 표준 생산량에는 P20을, 마모나 수명이 중요할 때는 H13을 선택하십시오.

주사 금형에 S136 스테인리스강은 언제 사용해야 하나요?

S136은 세 가지 상황에서 필요합니다. 성형 중 산성 가스를 발생시키는 부식성 수지(PVC는 HCl, POM은 포름알데히드)를 가공할 때, Ra ≤ 0.025 µm의 경면 연마가 필요한 광학급 투명 부품(렌즈 금형, 디스플레이 커버)을 생산할 때, 일관된 예방 정비 없이 습한 환경에 금형을 보관할 때입니다. 13.6% 크롬 함량은 P20과 H13이 제공하지 못하는 내식성을 제공합니다. P20 대비 원강재 비용은 50–70%, 가공 시간은 35–40% 더 들지만 이러한 용도에서는 S136이 필수입니다.

금형강의 경도가 표면 마감 품질에 어떤 영향을 미치나요?

강재 경도가 높을수록 더 정밀하게 연마할 수 있고 더 많은 생산 사이클 동안 해당 마감을 유지합니다. HRC 30의 P20은 Ra 0.4–0.8 µm (SPI B2 range)까지 연마할 수 있어 반광 소비재 부품에 적합합니다. HRC 50의 H13은 정밀한 수작업 연마를 통해 Ra 0.1 µm (SPI A3)에 도달합니다. HRC 52의 S136은 Ra ≤ 0.025 µm (SPI A1, mirror grade)를 달성하며 PMMA 렌즈와 광학 PC 부품에 필요합니다. 마감 수준이 한 단계씩 정밀해질 때마다 더 미세한 다이아몬드 연마재 공정이 필요하고 연마 작업량이 2–4× 증가하여 캐비티 크기와 형상에 따라 캐비티당 $500–$3,000가 추가됩니다.

질화 또는 PVD 코팅이 더 단단한 몰드강으로의 업그레이드를 대체할 수 있을까요?

마모성이 낮은 수지(10–20% GF)와 300K shots 미만의 중간 생산량에서는 P20 캐비티에 가스 질화 처리를 적용하면 수명을 크게 연장할 수 있습니다. H13으로 업그레이드하는 비용이 캐비티 세트당 $3,000–$8,000인 데 비해, 가스 질화 처리는 $200–$800로 HRC 65+의 표면 경도를 제공합니다. PVD 코팅(TiN, CrN)도 슬라이딩 부품에서 유사한 효과를 냅니다. 그러나 이러한 표면 처리는 각각 두께가 2–5 µm, 깊이가 0.1–0.3mm입니다. GF 함량이 >30%인 심한 마모 조건이나 500K shots 이상의 생산량에서는 처리층이 마모되고 그 아래의 연한 모재가 침식됩니다. 표면 처리는 적절한 강종 선정을 보완할 뿐 대체하지는 못합니다.

ZetarMold는 표준 생산 도구에 어떤 몰드 강재를 사용하나요?

ZetarMold는 비충전 열가소성 수지를 사용하고 최대 500K shots의 생산량으로 가동하는 표준 양산 금형에 기본적으로 P20 (Baosteel certified)을 적용합니다. PA66-GF30, POM, PBT-GF30을 비롯한 유리섬유 충전 엔지니어링 수지 프로젝트에는 Daido 또는 Finkl Steel에서 조달한 H13을 지정하고, 진공 열처리로 HRC 48–52를 확보합니다. 광학 용도 및 부식에 민감한 용도에는 Uddeholm S136을 적용하며, 캐비티 가공을 시작하기 전에 사내 경도 검증과 초음파 검사를 실시합니다. 입고되는 모든 강재 배치는 공급업체가 제공한 인증 문서와 관계없이 경도 표본 검사와 내부 개재물 초음파 검사를 거칩니다.

금형강 선택이 사출 성형 사이클 시간에 어떤 영향을 미치나요?

열전도율은 강종과 사이클 시간을 연결하는 핵심 변수입니다. P20의 열전도율은 29–36 W/(m·K)이고 H13은 32–34 W/(m·K)로 대체로 비슷합니다. 그러나 S136은 24–28 W/(m·K)로 P20보다 약 15–20% 낮습니다. 냉각 시간이 전체 사이클의 60–70%를 차지하는 박벽 부품에서 냉각수 채널을 재배치하지 않고 P20을 S136으로 변경하면 사이클 시간이 5–10% 증가할 수 있습니다. 이를 보완하려면 냉각수 채널과 캐비티 벽 사이의 거리를 표준 15mm에서 10–12mm로 줄이고, 유동 제한을 방지할 수 있는 충분한 채널 직경을 유지하십시오.