KR20020031557A - 플라스틱 사출금형용 합금조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스틱 사출용 대형금형용 합금조성물에 관한 것으로, 특히 금형 제작시에 기계가공성과 부식가공성 및 경면가공성이 향상되도록 설계된 플라스틱 사출금형용 합금조성물에 관한 것으로, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 주강의 화학조성은 0.15 내지 0.20 중량 %의 탄소, 0.25 내지 0.35 중량%의 규소, 0.58 내지 0.70 중량%의 망간, 1.60 내지 1.90 중량%의 니켈, 0.65 내지 0.85 중량%의 크롬, 0.20 내지 0.40 중량%의 몰리브덴, 0.20 내지 0.40 중량%의 인, 잔부는 철과 미량의 불순물로 구성되어, 종래 사각단조강에서의 문제점을 해결하고 주조공법으로 가공여부 10mm정도의 실제품과 유사한 주강재로 제작되므로 금형제작의 제작기간이 단축되는 효과를 얻을 수 있다

Description

플라스틱 사출금형용 합금조성물{Alloy composition for plastic injection molding}

본 발명은 플라스틱 사출용 대형금형용 합금조성물에 관한 것으로, 특히 금형 제작시에 기계가공성과 부식가공성 및 경면가공성이 향상되도록 설계된 플라스틱 사출금형용 합금조성물에 관한 것이다.

플라스틱 사출금형은 합금원소의 종류와 함량 및 열처리조건에 따라 금형소재의 성질이 크게 좌우되어 왔으며, 일반적인 금형소재의 요구성질로는 공공(porosity)이 없어야 하고 청정하며 균질한 조직이어야 하고, 요구특성으로는 열간 가공성, 기계가공성, 경면가공성 등이 우수해야 하며, 수지와 플라스틱 사출시 요구되는 성질인 내압축도, 열간도, 고온내충격성, 및 내마모성 등이 우수하여야 한다.

종래로부터 자동차 외, 내장부품인 범퍼커퍼 및 C/PAD 주요 패널의 플라스틱 금형의 고정 또는 가동형판재는 경면가공성 및 강도유지를 목적으로 단조강이 소재로 채택되고 있으며, 더 구체적으로는 SCM44 개량제인 HP-4MA 및 HP-4A를 금형소재로 하였다. 상기 단조강소재는 다른 성분에 비하여 경제적이며, 강도성이 비교적 양호하기 때문에 채용된 소재이나, 금형제조시 단조에 따른 문제점, 특히 형판재가 사각재로 제조되기 때문에 제품형상의 황, 중삭 가공시간이 과다하게 소요되며, 단조에 따른 금형제작기간이 장기간 소요되는 문제점이 있었을 뿐 아니라, 상기 단조강이 가지는 재질에 따른 문제점, 특히 기계가공성, 부식가공성, 용접보수성 및 경면가공성에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 부위마다 기계가공성의 불균일과 절삭가공 저항력으로 인하여 자동화된 가공설비로 가공시에 기계가공이 용이하지 않았다.

둘째, 길게 늘어진 비금속 개재물과 성분 편석으로 인하여 부식무늬 가공시 불균질한 부식속도에 의해 목적하는 부식무늬를 얻기 용이하지 않았다.

셋째, 플라스틱 제품의 표면 미려를 유지하기 위하여는 금형 표면에 흠 발생없이 표면의 경면성이 뛰어나야하나, 종래의 금형소재는 핀홀 및 조대한 개재물로 인하여 흠 발생없는 뛰어난 표면경면성을 얻기 어려웠다.

넷째, 금형이용중 금형의 복잡한 모서리부 일부가 간혹 파괴됨으로 인하여, 재사용을 위하여 용접보수가 필요하나, 종래의 금형소재는 용접보수시 용접부위의 비금속 개재물로 인한 크랙발생과 경도 불균일로 사용수명이 단축되고, 부식무늬 가공시 용접흔적이 그대로 잔존하여 용접보수한 금형으로 생산한 플라스틱 제품의 품질을 보증할 수 없었다.

다섯째, 상기 종래의 합금조성으로는 대형금형제작에 있어서, 두께에 따른질량의 효과로 인하여 내외부의 경도편차가 심하고 조직이 불균일함으로써 플라스틱 사출금형의 요구특성에 문제가 있었다.

상기와 같은 주요 이유로는 종래의 금형소재중에 함유된 합금원소들만으로는 소입(hardening, quenching)시 내외부의 냉각속도의 차로 인하여 내외부의 조직이 달라지며 소입후의 뜨임처리에도 불구하고 소입시 형성되는 조직에서 뜨임조직으로만 변화할 뿐 변태조직 자체가 동일조직으로 되지 않음으로써 야기되는 내외부의 단면 경도 편차가 크게 되는 문제점을 해결할 수 없어서, 금형소재로서 만족할 만한 결과를 얻지 못하고, 상기와 같은 문제점들로 인하여 최종 금형 제작시 금형의 보수 또는 폐기가 불가피하게 되므로 막대한 경제적 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 제안되었으며, 우수한 기계가공성, 부식가공성, 용접보수성 및 경면가공성을 제공하는 플라스틱 사출금형용 합금조성물을 개시하는 것이다.

본 발명은 또한 상기 조성의 합금을 소재로 한 플라스틱 사출금형을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 플라스틱 사출 금형 소재의 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론 조직을 균질하게 한 균일경도를 갖는 플라스틱 사출금형을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 주강의 화학조성은 0.15 내지 0.20 중량 %의 탄소, 0.25 내지 0.35 중량%의 규소, 0.58 내지 0.70 중량%의 망간, 1.60 내지 1.90 중량%의 니켈, 0.65 내지 0.85 중량%의 크롬, 0.20 내지 0.40 중량%의 몰리브덴, 0.20 내지 0.40 중량%의 인, 잔부는 철과 미량의 불순물(유황, 산소 등)로 구성된 플라스틱 사출금형용 합금조성물로 구성된다.

상기 주강재는 소정 비율로 포물레이트된 합금 원료물질의 혼합물을 전기로에서 용융시키는 공정, 레이들 정련로에 의해 용융물을 정련하는 공정과, 상기 정련된 용융물을 샌드몰드로 주조하는 공정을 통하여 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론 조직을 균질하게 한 균일경도를 갖는 플라스틱 사출금형 형판재를 제작하는 것이다.

상기 합금조성물의 주강을 이용한 플라스틱 금형의 형판재는 종래 사각단조강에서의 문제점을 해결하고 주조공법으로 가공여부 10mm정도의 실제품과 유사한 주강재로 제작되므로 금형제작의 제작기간이 단축되는 효과를 얻을 수 있다.

이하 본 발명인 주강의 성분을 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 기술하고자 한다.

탄소는 경도 및 내마모성을 증대시키는 원소로써 0.15 중량%이하로 되면 경화능이 급감하여 강도 및 경도가 저하되고, 0.20 중량% 이상으로 되면 경도의 상승으로 기계가공성이 저하되므로 범위를 0.15 내지 0.20 중량%로 한다.

규소의 함량이 0.25 중량% 이하에서는 탈산 특성이 결여되고, 0.35 중량%이상에서는 강중에 규산염이 생성되어 기계가공성을 저하시킬 뿐 만 아니라 표면경면성을 해치게 되므로 범위를 0.25 내지 0.35 중량%로 정한다.

망간은 소입성을 증대시키고 내마모성을 향상시키는 원소로써, 상향선을 0.70 중량%로 한 것은 그 이상에서는 과도한 경화능 상승과 자경성 특성으로 용접보수성을 해치기 때문이며, 0.58 중량%이하면 유화에 의해 유화철이 형성되어 적열취성을 발생시키며 경화능이 감소하므로 그 하한으로 설정하였다.

니켈은 인성을 증대시키고 흑연화를 조장하는 원소이며, 1.60 중량%이하로 첨가되면 인성의 증대를 기대할 수 없고, 1.90 중량% 이상으로 첨가되면 비경제적이고 잔류 오스테나이트를 발생시켜 취화하므로 그 상한선으로 설정한다.

크롬은 소입성을 증가시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는 원소로써 0.65 중량% 이하로 되면 소입성 증대 효과가 급감하며 기타 원소들과 복합화합물을 형성하여 뜨임저항을 증대시키는 효과가 저하되므로 그 하한을 정하고, 0.85 중량%이상이 되면 내부식성이 증대하여 부식하기 어려워지므로 그 상한으로 설정한다.

몰리브덴은 경화능 및 내마모성 향상원소로써 몰리브덴이 입계의 인과 결합하여 인에 의한 뜨임취성을 크게 완화하며 몰리브덴에 의해 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키는 특성이 있으므로 0.40 중량%이상의 첨가는 플라스틱 사출금형강의 내마모를 위해서는 불필요하며, 0.20 중량% 이하에서는 내마모성이 급감하므로 그 하한으로 설정한다.

인의 경우에는 충격저항을 저하시키는 원소이며, 상기 특성을 위한 적정범위는 0.2 내지 0.4 중량%로 설정하며, 상기 범위내의 첨가는 기타원소들과 결합하여 가공성을 증가시키나, 0.4 중량%를 초과하는 경우에는 기타 원소들과 결합하여 인성저하를 초래한다.

또한 산소와 수소의 경우는 산화물, 수소화물 및 준지상 수소를 형성하여 재료를 취약하게 하므로 현재의 주강제조 과정에서 용이하게 관리될 수 잇는 한도를 허용한도로 설정한다.

상기 필수 합금구성원소외에 용접보수성 향상 및 강도의 저하를 방지하기 의한 목적으로 납 및 비스무스 원소를 통상의 구성비율로 첨가할 수 있다. 또한 상기 잔부중에는 철과 불가피하게 혼입되는 알루미늄 및 티타늄원소들이 포함될 수 있다.

한편, 종래의 금형소재로 사용되었던 SCM440(A)단조강 및 본 발명의 주강 조성물(B)의 화학조성을 표 1에 각각 정리하였다.

단조강 및 주강의 화학조성비

소재종	C Si Mn Ni Cr Mo P
A	0.40 0.30 0.85 0.29 1.00 0.24 0.009
B	0.15-0.20 0.25-0.35 0.58-0.70 1.60-1.90 0.65-0.85 0.20-0.40 0.20-0.40

또한 종래 단조강 및 본 발명의 주강 조성물로 구성된 플라스틱 사출금형 판재의 물성 실험 결과를 표 2에 각각 정리하였다.

단조강 및 주강 형판재의 물성 및 외관비교

물성항목	단조강	주강
인장강도(kg/mm2)	80-100	90-100
경도(HRC)	28-32	30
면밀도	양호	양호
기계가공성	부적합	양호
방전가공성	양호	양호
용접성	부적합	양호

황삭가공여부

필요

불필요

상기 물성 및 외관실험결과, 자동차 외, 내장부품인 범퍼커버를 포함한 주판넬을 위한 플라스틱 금형용 고, 가동형판재소재로서 종래의 단조강을 적용하는 경우보다 본 발명에 의한 주강을 활용함으로써 기계가공성 및 용접성에 유리한 효과를 얻을 수 있었으며, 특히 가공여부 10mm이하로 입고되는 주강의 경우 황삭 및 중삭의 불필요하므로 이에 소모되는 금형제작기간의 단축 및 비용절감을 이룰 수 있다. 또한 주강재와 대비시 부식가공성이 우수하여 플라스틱 금형 형판재로 본 발명의 합금조성물을 선택함이 바람직함을 알수 있다.

본 발명은 우수한 기계가공성, 부식가공성, 용접보수성 및 경면가공성을 제공하는 플라스틱 사출금형용 합금조성물을 개시함과 동시에 상기 조성의 합금을 소재로 한 플라스틱 사출금형을 제공하는 것이며, 또한 본 발명은 플라스틱 사출 금형 소재의 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론 조직을 균질하게 한 균일경도를 갖는 플라스틱 사출금형을 제공하는 것이다.

상기 합금조성물의 주강을 이용한 플라스틱 금형의 형판재는 종래 사각단조강에서의 문제점을 해결하고 주조공법으로 가공여부 10mm정도의 실제품과 유사한 주강재로 제작되므로 금형제작의 제작기간이 단축되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 종래 단조강 소재와 대비될 때 피삭성이 월등이 우수하므로 공구교환 등이 불필요하고 따라서 장비 가동율을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 형판재가 재품형상과 근접한 주강 소재이므로 황, 중삭이 불요하므로 금형제작공정을 축소시킬 수 있는 효과가 있다. 더불어 이에 따른 제작경비를 절약할 수 있어, 종래 단조강소재에 의한 금형제작시의 문제점을 해결할 수 있는 발명이다.

Claims (2)

1. 0.15 내지 0.20 중량 %의 탄소, 0.25 내지 0.35 중량%의 규소, 0.58 내지 0.70 중량%의 망간, 1.60 내지 1.90 중량%의 니켈, 0.65 내지 0.85 중량%의 크롬, 0.20 내지 0.40 중량%의 몰리브덴, 0.20 내지 0.40 중량%의 인, 잔부는 철과 미량의 불순물로 구성된 플라스틱 사출금형용 합금조성물.
2. 제 1항에 있어서, 알루미늄 및 티타늄이 첨가된 플라스틱 사출금형용 합금조성물.