금형재료의 선정조건
[1] 열의 영향으로 경도가 떨어지지 않는 재료
(1) 다이스강계 및 고속도강계의 재료로 고온 뜨임질(소려)될 수 있는 재료(금형이 500-550℃까지 고온으로 되어도 경도는 떨어지지 않는다.)
(2) TD처리, 또는 CVD, PVD에 의해 표면 처리층은 온도에 의해 경도의 저하가 적다.
(3) 초경합금, 세라믹스에는 온도에 의한 경도의 저하는 거의 없다.
[2] 마찰열을 최소한으로 하는 재료
(1) 크롬도금 및 CVD, PVD에 의한 종착처리로 표면이 매끄럽게 한 것
(2) 큰 것의 드로잉 가공에 자주 사용되는 주물(표면이 피가공재로 융합되고, 함유 흑연이 윤활유의 역할을 한다.)
[3] 열을 발산시키는 재료
큰물건의 드로잉 가공(특히 스테인리스의 윤활, 목욕통등의 드로잉)용의 동합금계의 금형(경도의 점에서 인청동계의 주물이 많이 사용된다.)
[4] 경도가 균일한 재료
TD처리, CVD, PVD의 표면 처리층은 소입 조직, 초경합금의 조직과 비교하면 연한부분이 거의 없어지고, 내소부성은 크게 향상된다. 생산방법에 따라 차는 있지만 세라믹스도 이 분류에 든다. 이상과 같이 드로잉형에 필요한 특성을 고려하여 금형재료를 선택한다.
금형에 자주 이용되는 형재의 특성
(a) 탄소 공구강(SK1-7) 탄소공구강은 공구강의 베이스로 되는 강재라고 할 수 있는 것으로, 탄소함유량으로 1종에서 7종까지로 분류된다. 특징으로는
(1)경도: 일반적으로 수냉에 의해 보다 높은 경도를 얻는다.
(2)경도의 변화: 수냉은 냉각효과가 높지만, 기포의 발생이 표면 냉각속도에 변화를 가져와 경도편차의 원인이 된다. 또 냉각효과가 좋은 것은, 표면과 내부의 경도의 차이의 원인이 된다.
(3)내마모성: 높은 경도가 얻어지므로 내마모성도 높다.
(4)가공열의 영향: 비교적 낮은 담금질(소입),뜨임질(소려)온도이므로, 가공열이 집중하기 쉬운 공구날의 경도저하는 피할 수 없다.
(5)열처리변형: 물에 의한 급냉의 조건은 많은 열처리 변형이 일어나고, 형상에 따라서는 담금질 균열이 발생한다.
(6)인성: 담금질 뜨임질을 한 탄소강은 경하고 취성의 특징이 있다. 금형재에는 두꺼운 판재로 사용하므로, 압연조직도 비교적 거칠고, 나아가 탄화철이 되어 얻어진 탄소는 결정구조에 관계없는 유리탄소로 되어 취화의 원인이 된다.
(b) 합금공구강 5종(SKS3) 금형 재료로서는 잘 사용되는SKS3에 대하여 특징을 기술해 본다. SKS3은 SK4에 크롬, 텅스텐을 각각 0.5-1.0%가한 것으로, SK4의 공구강으로서의 결점을 커버한 것이다. 크롬은 조직을 치밀하게 하고, 열처리 변형을 적게하고, 텅스텐은 가공열에 의한 경도의 저하를 막고, 내마모성을 향상시킨다. 특징으로는,
(1)경도: 유냉으로 담금질 뜨임을 해서 HRC60이상이 얻어진다.
(2)경도의 편차: SK재보다 유냉으로 담금질(소입)될수 있으므로 경도의 편차는 적다.
(3)내마모성:크롬(Cr)의 첨가에 의해 조직이 치밀해진다. 나아가 텅스텐을 첨가하면 내마모성은 SK재보다 뚜렷이 향상된다.
(4)가공열에 의한 영향: 텅스텐의 첨가는 SK재보다 가공열에 의해 의한 경도의 저하를 막는다.
(5)열처리 변형: 크롬(Cr)의 첨가는열처리 변형을 적게하지만, 0.5-1%의 첨가이므로, SK재 정도는 아니지만 꽤 변형된다.
(6)인성: 치밀한 조직은 인성을 또 증가시킨다. 특히 놋치부는 SK재에 비해 대단히 높은 인성을 나타낸다.
(c)합금공구강 D1종(SKD1) 고탄소, 고 크롬강의 대표적 강으로 크롬을 12-15%가함에 따라 조직을 치밀하게 할 수 있으므로, 공구강중에 가장 탄소함유량이 많다.(1.8-2.4%), 따라서 내마모 불변형강으로서 금형재의 주류를 점하던 시대였는데, 열처리 조건이 엄해서 그 위치를 SKD11에 양도했다.
(d)합금 공구강 D11종(SKD11)
(1)고탄소, 고 크롬강으로 변하지는 않지만, SKD와 비해 약간 첨가량은 적다. SKD1에 함유되지 않은 몰리브덴, 바나듐을 첨가함에 따라 담금질 성능이 양호하게 되고(공냉), 나아가 고온 불림(500-530℃)에도 HRC58이상의 경도가 얻어진다.
(2)경도의 편차: 공냉해서 담금질 할수 있는 것은 가장 편차가 적은 담금질이 될수 있는 조건으로 나아가 고온 불림을 행해도 가장 안정한 담금질 조직이 얻어진다.
(3)내마모성: 많은 크롬함유로 조직은 치밀해지고, 고탄소는 치밀한 마르텐사이트 조직을 형성하므로 높은 내마모성을 나타낸다.
(4)가공열에 의한 영향: 고온불림해서 1-2도 정도 경도가 떨어지지만, 적어도 온도까지의 범위에는 거의 경도는 변화하지 않는다.
(5)열처리 변형: 공냉해서 담금질 할 수 있는 것과 치밀한 조직인 것은 열처리 변형을 최소화 할 수 있다.
(e)고속도 공구강(SKH) 고속도 공구강은 크롬, 텅스텐을 4-5%이상 첨가한 강재인 것을 특징으로 한다. 또 열처리성을 좋게 하기 위하여 바나듐을 가하고, 인성을 높이기 위하여 몰리브덴, 코발트를 첨가한 것이다.
(1)경도: 마르텐사이트 조직에 탄화 텅스텐의 경도가 더해지므로, 공구강으로서는 가장 높은 경도가 얻어진다.
(2)경도의 편차: 크롬으로 조직은 어느 정도 치밀해지고, 또 탄화 텅스텐의 경한 입자로 형성되므로 경도의 편차는 적다.
(3)내마모성: 탄화 텅스텐의 함유를 특징으로 하는 강재이므로, 공구강 중에는 가장 높은 내마모성을 나타낸다.
(4)가공열에 의한 영향: 고온불림의 강종인 것과 또 열에 대해서 대단히 안정된 경도를 나타내는 탄화 텅스텐을 함유하는 것과 공구강중에는 가장 영향을 받지 않는 강재이다.
(5)열처리 변형: 담금질 온도가 꽤 높아서, 비교적 변형의 발생이 어려운 조직인데, 중력의 영향에 의한 변형이 발생한다. 그러나 담금질-뜨임질 후의 변형은 적다.
(6)인성: 원래 고속 절삭공구로서 개발된 것으로 인성은 높다. 몰리브덴, 코발트를 함유한 재료는 특히 높은 인성을 나타낸다.
(f)분말 고속도강: 일반 분말 성형품은 높은 경도는 얻어져도 인성은 높지않다고 판단되지만, 종래의SKH재보다 고경도, 고인성의 재료로 개발되었다. 데이터가 적으므로 어떠한 좋은 점과 나쁜 점이 있는지 명확히 하기는 어렵지만, 캐털록의 데이터에 의하여 판단하면 꽤 흥미있는 금형 재료이다.
(g)초경합금: 탄화 텅스텐의 분말을 코발트로 소결한 것으로, 탄화 텅스텐은 용해온도가 대단히 높고, (4500℃이상) 단체로 고형형상의 것을 얻는 것은 대단히 어렵다. 그래서 수소환원법등으로 탄화 텅스텐의 입자를 끌어내는 방법이 일반적으로 행해지고, 고온에서 경도가 유지될 수 있는 특성을 가진다. 이 탄화 텅스텐의 분말에 코발트를 가해서 소결하기 위해 합금의 기계적 성질은 코발트 양으로 결정된다. 코발트 양이 적으면, 고경도는 얻어지지만 인성은 떨어지고 나아가 연삭등의 가공성도 뚜렷이 떨어진다. 역으로 코발트의 양이 많아지면, 가공성 인성은 개선되지만, 경도, 내마모성은 떨어진다.
금형재료로서는 가공성에서 5-15%의 것이 많이 사용되는데(절삭용 바이트는 3-7%, 광산용 비트등은15-30%) Drawing 금형용으로는 7-12%의 것이 많이 사용된다. 내마모성 내소부 면에서는 코발트는 부정적인 요소로 작용되므로 코발트의 양은 적을수록 좋다. 또 코발트 자체의 내마모, 내소부성의 개선을 위해서 TD처리를 하면 드로잉 성능은 뚜렷이 좋아진다. 이와 같이 초경합금은 좋은 금형재 인데, 다음과 같은 약점이 있으므로 설계상 사용상 주의 하여야 한다.
(1)진동에 약하다: 코발트로 둘러 쌓인 텅스텐 입자는 진동에 탈락되기 쉽다.
(2)인성이 없다: 결정구조가 아닌 초경합금은 압축력에는 강하지만, 굽힘 방향의 하중에는 약하다.(결함, 균열대책)
(3)내약품성: 유황분에 약하므로 연삭액 또는 프레스 가공유의 사용에 주의할 필요가 있다.
(h)페로 체크: 페로 체크는 초경합금에 준하는 금형재료로 이용된다. 성분은 TiC(티탄 카바이드)를 SKS, SKD, SKH, STS 등의 공구강 매트릭스로 소결한 것이다. 제조법은 초경합금과 같지만 공구강의 종류에 따라 담금질, 뜨임질을 해서 경도를 얻으므로, 담금질전에 기계 가공을 할수있는 것이 큭징이다. 뜨임질 경도로 초경합금과 공구강의 중간 정도이므로, 인성도 중간정도로 해석하면 좋다. 그러나 비중은 공구강보다 낮고, 조직적으로 거칠어서 압축하중에는 약한 결점이 있다. 압축하중의 더 이상의 작용없이 박판 펀칭 및 내 마모성이 중시되는 드로잉, 굽힘 다이등에는 효과를 높인다.
(i)프리하든드 강(Pre Hardened Steel) :원래는 플라스틱 금형용재로 개발된 것인데, 수명, 내구성이 모자라는 약점을 보완하기 위해 가공 가능한 경도까지 열처리를 실시한 것이다. 가공가능한 경도는 HRC30 이하가 아니면, 가공날 끝의 손상이 격하다. 프리하든드강은 HRC40 이상의 경도로, 비교적 쉽게 가공될수 있는 알루미늄 및 유황등을 가해서 피삭성을 좋게 한다. 따라서 프레스 가공의 날끝 재료로서는 적합하지않지만 , 백플레이트 등의 보조 부품용으로서는 그나름의 효과는 있다. 또 STS계의 프리 하든드강은 녹이 나지 않으므로, 염분 및 수분을 포함한 식품 백의 끝따기에 유리하다.