KR0166090B1 - 고품질강 플라스틱 사출 금형소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재의 화학 조성을 달리하여 기계 가공성과 부식 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 개선시킴으로써 플라스틱 금형재로서의 용도에 적합하도록 한 플라스틱 사출 금형소재에 관한 것이다.

Description

고품질강 플라스틱 사출 금형소재

제1도는 실시예에 따른 본 발명 대상강 1을 부식시킨 다음 촬영한 사진의 사본을 나타내고,

제2도는 실시예에 따른 본 발명 대상강 2를 부식시킨 다음 촬영한 사진의 사본을 나타내며,

제3도는 실시예에 따른 본 발명 대상강 3을 부식시킨 다음 촬영한 사진의 사본을 나타낸다.

본 발명은 수지나 플라스틱 등의 사출용 소재를 사출하는데 사용되는 금형소재에 관한 것으로서, 상세하게 설명하면 플라스틱 금형소재로서의 용도에 적합하도록 기계 가공성과 부식 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 획기적으로 개선시킨 강에 관한 것이다.

지금까지 플라스틱 사출 금형재의 용도로 사용되어 온 강종에는 KS SM45(일반탄소강), SCM4(1%Cr-0.20Mo강) 및 AISI P20(2%Cr-0.5%Mo 강) 등이 주종을 이루었는데, 이러한 강종들이 본 용도로 사용되어 온 이유는 다른 강종에 비해 비교적 경제적이며 플라스틱 사출 금형재로서 갖추어야 하는 기계 가공성이 비교적 양호하고 강도 또한 양호하기 때문이다. 그러나, 전술한 종래의 강종들은 기계 가공성, 부식 가공성 용접성 및 경면가공성에 많은 품질적인 문제점을 지니고 있었다. 즉, 종래의 제조방식과 합금성분으로 제조된 소재의 경우 금형 가공시는 물론 수지나 플라스틱 사출시 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 소재의 부위에 따라 기계 가공성이 불균일할 뿐만 아니라 절삭가공 저항력이 높기 때문에 자동화된 가공 기계로 가공할 때 신속한 기계 가공이 어려웠다.

둘째, 연신되어 있는 비금속 개재물과 형상이 제어되지 않은 개지물의 존재로 인하여 부식무늬 가공시 불균일한 가공속도 때문에 목적하는 부식무늬를 얻기 어려우며 소재에 미세한 균열을 유발시키는 등의 문제점이 있었다.

셋째, 미려한 표면의 플라스틱 제품을 얻기 위해서는 금형의 표면에 홈 발생이 없어야 하는데, 종래의 강종은 그 제조 방법과 합금성분 원소의 구성등 원칙적인 야금학적 문제점으로 인해 공극성 결함(기공, 핀홀 등) 및 조대한 개재물이 많이 존재하고 있기 때문에 홈 발생이 없는 우수한 표면 경면성을 얻기 어려웠다.

넷째, 종래의 금형 소재는 청정도가 나쁘고 형상제어가 되지 않은 조대한 비금속 개재물이 많기 때문에 용접성이 좋지 못한 품질적인 문제점이 있었다. 이로 인해 사용중 파손된 부위(특히, 복잡한 형상의 모서리 부위)를 용접 보수하여 재사용할 경우 용접 부위에서의 균열 발생으로 사용 수명이 짧아지고 용접 보수한 금형으로 사출한 플라스틱 제품의 품질을 보증할 수 없었다.

다섯째, 종래의 금형소재는 비금속 개재물의 형상제어가 제대로 되어 있지 않고, 청정도가 나쁨으로 인한 기계적 성질의 방향성 때문에 금형의 수명이 단축되는 품질적인 문제점이 있었다.

한편, 기계 가공성 개선강에 대한 종래 기술로서 미합중국 특허 제3,973,950호, 제4,155,111호 및 제4,265,660호가 있으나, 이들 특허는 비금속 개재물 형성 원소를 다량 함유시켜 소재의 기계 가공성만 개선시킨 것으로서 본 발명에 의해 기계 가공성, 부식 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 복합적으로 향상시킨 점과는 다르며, 또 이와 유사한 것으로서 국내 특허 제524호가 있는데, 이것은 구리와 아연을 주성분으로 하는 비철금속으로 본 발명과는 별개의 것이다.

본 발명은 상기 특허들의 미비한 점을 보완하고 전술한 종래의 강종(SM45, SCM4, AISI P20)의 재질적인 문제점을 해결한 강종으로서 우수한 기계 가공성, 부식 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 갖는 고품질강 플라스틱 사출 금형소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명강의 화학조성은 탄소 0.30 내지 0.60중량%, 규소 0.1 내지 0.40 중량%, 망간 0.40 내지 1.40 중량%, 크롬 2.0 중량% 이하, 몰리브덴 0.50 중량% 이하, 바나듐 0.10 중량% 이하, 유황 0.0005 내지 0.010 중량%, 니켈 0.45 중량% 이하, 칼슘 0.001 내지 0.010 중량%, 알루미늄 0.010 내지 0.050 중량% 및 잔부는 철과 불가피하게 혼입되는 불순물로 구성되어 있다.

본 발명 강의 화학성분의 각각에 대해 그 범위를 한정시켜 놓은 이유를 설명하면 아래와 같다.

탄성(C)는 소재의 강도와 경도를 결정하는 가장 중요한 원소로 그 함량을 0.30-0.60 중량%의 범위로 관리하는 것이 플라스틱 사출 금형소재에 요구되는 강도를 충족시키는데 가장 적당하다. 탄소 함량이 0.30 중량% 이하로 되면 강도와 경도가 저하되고 기계 가공성이 나빠지게 되며, 0.60 중량% 이상이 되면 열처리시 열균열이 생기기 쉽고 경도가 과다하게 상승되어 기계 가공성이 나빠진다.

규소(Si)의 함량은 0.40 중량% 이상이면 강의 연성과 충격치를 저하시키고 규산염의 생성으로 기계 가공성을 나쁘게 하기 때문에 탈산 목적으로 0.10-0.40 중량%의 소량으로 함유시키는 것이 좋다.

망간(Mn)의 함량이 1.40 중량% 이상이 되면 결정입자가 조대화 하고 취성이 증대되어 강의 용접성을 해치고, 0.40 중량% 이 하나로 너무 낮으면 강중의 S가 FeS로 되어 적열 취성을 유발시키므로 그 하한치는 유황 함량의 800배 이상이 되어야 한다. 따라서, 본 발명강의 Mn함량은 0.4%-1.40 중량%로 한다.

크롬(Cr)은 내마모성을 향상시켜 주는 원소로 금형의 베이스(Base)재에는 불필요하나 코어(Core)에 사용되는 금형강에는 내마모성과 내부식성을 부여하기 위하여 적정량을 합금시킨다. 그러나, 2.0 중량% 이상 함유되면 기계 가공성과 인성이 저하되기 때문에 2.0 중량% 이하로 한다.

몰리브덴(Mo)은 고온강도와 내마모성을 개선하고, 경화능과 인성을 향상시키며 소려취성을 감소시키는 원소로서 코어(Core) 금형재에 첨가 한다. 한편, 몰리브덴은 고가의 합금원소이므로 너무 많이 첨가하면 소재의 제조 원가만 상승될 뿐 금형재에 요구되는 야금학적인 성질의 향상은 미미하다. 따라서, 본 발명강의 몰리브덴 함량 상한선은 0.50%로 한다.

바나듐(V)은 미량으로 경화능을 현격하게 향상시키는 원소로서 0.10%까지의 첨가로 충분한 경화능을 얻을 수 있다.

칼슘(Ca)은 미량 첨가로서 강의 청정도를 향상시키고, 비금속 개재물의 형상을 구상화시키며, 충격치를 높이고(인성향상) 충격치의 방향성을 현저하게 감소시키며, Z-방향의 단면 수축율을 현저하게 증가시켜 소재의 층상 터빔 현상에 대한 저항성을 향상시키며, 수소균열에 대한 저항성을 향상시킴으로써 금형재의 경면 가공성, 기계 가공성, 용접성 및 부식 가공성을 개선시키는데 주된 역할을 한다. 그러나, 너무 과다하게 첨가하면, 제조과정에서 노즐의 막힘 현상이 발생하고 다량의 CaS 석출로 인하여 강의 청정도를 해치게 된다. 따라서, 본 발명강은 칼슘의 함량을 0.001-0.010 중량% 범위로 한다.

알루미늄(Al)은 강력한 탈산 작용을 하기 때문에 강의 청정도를 향상시키고 기공과 편석을 경감시키는 역할을 하며, 결정립을 미세화시켜 강의 인성을 향상시킨다. 또한, 본 발명가에서는 알루미늄이 알루미늄 탈산 생성물인 산화알루미늄(Al₂O₃)과 산화참슘(CaO)이 결합하여 압연이나 단조에 의해 형상이 변하지 않는 구상의 복합 산화물인 칼슘 알루미네이트(xCayAl₂O₃)를 생성하여 금형재의 기계 가공성, 부식 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 향상시키고 강도와 인성의 방향성 제어에 기여한다. 한편, 알루미늄 함량이 과도하게 많으면 열간 가공성을 해치는 단점이 있으므로 본 발명강에서는 0.010-0.050%의 범위로 관리한다.

기타 불순원소인 인(P), 유황(S) 등은 본 발명강에서는 가능한 한 낮게 관리함으로써 강의 기계적 성질의 저하를 방지한다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

종래 금형강으로 사용되었던 KS SM45(비교강 A), KS SCM4(비교강 B) 및 AISI P20(비교강 C)과 같은 계열의 본 발명 대상강들을 각각 발명 대상강 1, 2, 3으로 구분하여 그 화학성분을 표 1에 나타내었다.

2.기계 가공성(표3)

동일한 가공 조건으로 엔드밀링(End Milling)과 면삭가공(Face Milling)을 행할 때의 저항력 측정결과 본 발명강 1, 2, 3 모두 동일 계열의 비교강에 비해 월등히 우수한 기계 가공성을 나타냈다.

3.경면 가공성(표4)

경면 가공성은 표면 조도 측정으로 평가하였으며, 측정결과 본 발명강 1, 2, 3 모두 동일 계열의 비교강에 비해 우수한 경면성을 나타냈다.

4.부식가공성

부식가공성은 본 발명강의 종류별로 부식시킨후 사진 촬영을 행하여 절대평가 하였으며, 제1 내지 제3도에서 알 수 있듯이 상당히 양호한 부식 가공성을 나타냈다.

상기 1, 2, 3, 4항에 기술되어 있는 바와 같이본 발명강이 비교강에 비해 기계적 성질, 기계 가공성 및 경면 가공성이 우수한 것은 비교강의 화학성분에 미량의 칼슘(Ca)과 알루미늄(Al)을 적정량 합금시켜 비금속 개재물의 형상을 구상화시키고, 미세한 크기의 개재물이 소재의 전 부위에 골고루 분산되도록 최적의 제조작업(제강, 조괴) 표준을 적용했기 때문이다. 한편, 유화(S) 또한 그 함량을 극소화시켜 소재의 연성과 인성 향상을 도모한 것도 금형재의 용도에 알맞은 성질을 얻는데 효과적이었다.

이상 기술한 바와 같이 본 발명의 강은 종래 사용되어 왔던 SM45, SCM4, AISI P20 강종에 미량의 합금원소를 효과적으로 적정량 함유시켜 종래강에 비해 우수한 기계적 성질, 기계 가공성, 용접성 및 경면 가공성을 갖도록 한 것이 특징이며, 종래강과 비교해 볼 때 비금속 개재물의 형상이 구상으로서 기계적 성질의 방향성이 없는 강을 제공할 수 있다.

Claims (1)

1. 화학조성이 중량%로 탄소 0.30% 내지 0.60%, 규소 0.10% 내지 0.40%, 망간 0.40% 내지 1.40%, 크롬 2.0% 이하, 몰리브덴 0.50% 이하, 바나듐 0.10% 이하,유황 0.0005% 내지 0.010%, 칼슘 0.001% 내지 0.010%, 알루미늄 0.010% 내지 0.050% 및 잔부는 철과 불가피하게 혼입되는 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 고품질강 플라스틱 사출 금형소재.