KR20050021756A

KR20050021756A - 고온사출 성형용 금형의 합금조성물

Info

Publication number: KR20050021756A
Application number: KR1020030058946A
Authority: KR
Inventors: 정규동
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-07

Abstract

본 발명은 자동차의 차체를 플라스틱화하여 생산하기 위한 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 관한 것으로서, 특히 펜더 패널을 사출성형시 고온에서 생산되는 점을 고려하여 가공여유가 실제품과 유사하며, 금형 제작시 열적 내구성이 우수한 합금조성물을 함유한 주강재를 적용함으로써, 가공 공수절감 뿐만 아니라, 금형 가공시의 후변형 및 용접시의 열변형을 최소화할 수 있는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 관한 것이다.

Description

고온사출 성형용 금형의 합금조성물{Alloy compound of casting mold for high temperature injection molding}

본 발명은 자동차의 차체를 플라스틱화하여 생산하기 위한 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특히 펜더 패널을 사출성형시 고온에서 생산되는 점을 고려하여 가공여유가 실제품과 유사하며, 금형 제작시 열적 내구성이 우수한 합금조성물을 함유한 주강재를 적용함으로써, 가공 공수절감 뿐만 아니라, 금형 가공시의 후변형 및 용접시의 열변형을 최소화할 수 있는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 관한 것이다.

현재, 북미나 유럽자동차 메이커에서 차량의 경량화와 리싸이클성 향상을 위하여 스틸(STEEL)차체를 플라스틱화하여 적용하는 사례가 증가하고 있다.

주로 펜더 패널(FENDER PANEL)과 테일게이트 패널(TAIL GATE PANEL)이 주류를 이루고 있는데, 기존에 사용되는 사출금형용 금형강으로는 도 2에 나타낸 AISI규격의 P20 단조강 소재를 사용하고 있다.

그런데, 이러한 금형에서 주조되는 종래의 사출제품의 경우, 상기 금형에서 성형 후 도장공장에서 도장을 하는 방식으로서, 온도관리 조건으로는, 사출시 금형온도 40℃, 도장라인 온도 80℃를 표준으로 관리하고 있으나, 스틸을 플라스틱화한 펜더 패널의 경우는 사출 후 제품을 취출한 다음, 금형온도 120℃, 도장라인 온도 200℃가 요구되고 있다.

이렇게 온도관리 표준이 다른 이유는 차량조립 공정상 펜더 패널은 차체에 조립되어 차체 도장공장의 풀라인(FULL LINE:전처리,중도,상도)을 거치게 되어 있는데, 이때 이 풀라인의 온도가 200℃이며, 이러한 온도에서 플라스틱 제품의 변형을 최소화하기 위해서는 사출성형 후 금형온도가 120℃가 되도록 관리 되어야 한다.

즉, 사출후 금형온도가 120℃가 되도록 유지하기 위해서는 온유기를 사용하여 100℃의 온유를 지속적으로 금형의 냉각라인에 투입하여 회전시켜 주어야 한다.

그러나, 성형기 노즐에서 300℃로 용융된 성형수지가 금형에 주입되므로 금형온도가 200℃에서 상온까지 변화하는 분포를 가지게 되어 기존의 P20 단조강으로는 열적 내구성의 확보가 어려운 상황이다.

또한, 금형가공시 가공응력에 의한 후변형 발생, 용접을 위한 부분예, 후열시 소재의 변형이 발생되어 제품의 정도관리에 취약한 현상이 있으며, 금형 소재용 단조강은 단조 방향성에 따라 열변형이 발생하기 쉽고, 열처리시 내,외부의 경도 차이로 인하여 열변형 억제에 불리하다.

그로 인해, 첨부한 도 2의 현미경 사진에서 관찰된 바와 같이, 단조 및 열처리에 의하여 여러 조직이 혼합되어 있으므로 열변형성의 저하 요인이 되고 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 재료비가 저렴하고, 강도성이 비교적 양호한 소재인 P20 개량재를 많이 사용하고 있다.

그러나, 상기 P20 개량재는 금형제조시 단조에 따른 문제점, 특히 형판재가 육각재로 제조되기 때문에 제품형상의 황,중삭 가공시간이 과다하게 소요되어 금형 제작기간이 장시간 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 특히 펜더 패널을 사출성형시 고온에서 생산되는 점을 고려하여 가공여유가 실제품과 유사하며, 금형 제작시 열적 내구성이 우수한 합금조성물을 함유한 주강재를 적용함으로써, 가공 공수절감 뿐만 아니라, 금형 가공시의 후변형 및 용접시의 열변형을 최소화할 수 있는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 있어서,

주강을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.33 ∼ 0.38 중량%, 규소(Si) 0.3 ∼ 0.32 중량%, 망간(Mn) 0.9 ∼ 0.97 중량%, 인(P) 0.018중량% 이하, 황(S) 0.008중량% 이하, 니켈(Ni) 0.28 ~ 0.32 중량%, 크롬(Cr) 1.55 ~ 1.75 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.36 ~ 0.40 중량%, 바나듐(V) 0.1 ~ 0.15 중량%, 구리(Cu) 0.15 ~ 0.25 중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물을 제공한다.

바람직하기로는, 주강을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.35 중량%, 규소(Si) 0.3 중량%, 망간(Mn) 0.94 중량%, 인(P) 0.018중량% 이하, 황(S) 0.008중량% 이하, 니켈(Ni) 0.3 중량%, 크롬(Cr) 1.69 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.39 중량%, 바나듐(V) 0.13 중량%, 구리(Cu) 0.18 중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 고온사출 성형용 금형의 합금조성물을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 고온사출 성형용 금형의 합금조성물은 열변형 방지 및 금형 제작기간을 만족시킬 수 있도록 단조 방향성이 없고, 조직이 안정된 주강을 주재로 하여 이에 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu) 및 잔량 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 적절히 함유시킨 것이다.

먼저, 탄소(C)는 적정의 성형성을 확보하기 위하여 전체의 함량 중 0.33 ~ 0.38 중량%로 포함되며, 여기서, 이들 함량이 상기 범위를 벗어나게 되면 성형성이 저해되므로 바람직하지 않다.

또한, 규소(Si)는 탈산제로 사용되는 것으로서, 전체의 함량 중, 0.3 ~ 0.32중량%로 포함되며, 여기서, 상기 범위 미만이면, 탈산 특성이 결여되고, 0.4중량%를 초과하면, 강중에 규산염이 생성되어 기계 가공성이 저하될 뿐만 아니라, 표면 경면성을 해치게 되므로 0.3 ~ 0.32 중량%로 정하여 기계 가공성 향상에 역점을 두게 된다.

또한, 망간(Mn)은 소입성을 증대시키고, 주조성 및 내마모성을 향상시키는 원소로서, 1 중량%를 초과하게 되면, 경화능 상승으로 용접 보수성이 저하되고, 0.8미만이면 적열취성을 발생시키게 되는 문제점이 있다.

또한, 인(P)은 불순물로서 0.018 중량% 이하로 규제하며, 황(S) 역시 불순물로서 성형성 확보를 위해 0.008 중량% 이하로 규제한다.

또한, 니켈(Ni)은 인성을 증대시키는 기능을 위하여 가능한 한 많이 첨가하면 좋지만, 가공성을 고려하여 0.28 ~ 0.32 중량%로 정한다.

또한, 크롬(Cr)은 소입성을 증대시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는 원소로 첨가되는 것이며, 전체의 함량 중, 1.55 ~ 1.75 중량%를 첨가하게 된다.

여기서, 크롬(Cr)의 함량이 1.5 중량% 미만이면 소입성 증대 효과가 급감하고, 뜨임 저항을 증대시키는 효과를 저하하며, 2.0 중량%를 초과하게 되면, 주조성을 해치게 되어 기포 및 기공을 유발시키는 문제점이 있다.

또한, 몰리브덴(Mo)은 내마모성을 향상시키는 원소로서, 전체의 함량 중, 0.36 ~ 0.40 중량%를 첨가하게 된다.

상기 몰리브덴(Mo)은 인(P)과 결합하여 그 인(P)에 의한 뜨임 취성을 크게 완화하며, 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키는 특성이 있으므로 0.45 중량%를 초과하게 되는 경우에는 내마모를 위해서는 불필요하며, 0.35중량% 미만이면, 내마모성이 급감하는 문제점이 있다.

또한, 바나듐(V)은 용해시 0.15 중량% 미만에서는 소입성을 증가시키나, 0.25 중량%를 초과하게 되면, 오히려 상기 소입성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 구리(Cu)는 가공성 개선을 위하여 0.15 ~ 0.25 중량%를 첨가하게 된다.

그외, 특수합금(special alloy)으로 잔량 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 첨가함으로써, 첨부한 도 1의 현미경 사진에서 관찰할 수 있는 바와 같이, 주강의 조직이 구상화되고, 비금속 개제물이 고르게 분포되므로 안정된 금형강임을 알 수 있으며, 열변형 내구성도 우수함을 알 수 있다.

또한, 상기 주강으로 금형을 제조시 가공여유 약 7mm 정도의 실제품의 형상과 유사한 주강재로 제작하므로 금형 제작기간이 획기적으로 단축되는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

다음 표 1에 나타낸 구성성분으로 이루어진 고온사출 성형용 금형을, 통상의 금형 제조방법으로 제조하였다.

시험예

본 발명에 따른 고온사출 성형용 금형의 합금조성물을 사용하여 금형을 주조함에 있어서, 상기와 같은 실시예 및 비교예와 같은 조성물을 함유한 금형에 대하여 물성 시험을 실시하여 물성 측정 결과를 표 2에 나타내었으며, 그 평가 방법은 다음과 같다.

(1)경도

로크웰(rockwell) 경도기를 이용한 방법으로 경도를 측정하였다.

(2)TIP 마모성

정삭 가공시 R10인 정삭 TIP의 교환시간을 측정하였다.

(3)TIP 파손성

R25인 황삭용 TIP을 사용하여 직상 코어 1개 가공시 TIP 파손 정도를 측정하였으며, 드릴 마모 상태, 특히 TAP 가공시 HP-4A대비, TAP 파손정도를 측정하였다.

(4)공구 밀림성

측벽 정삭시 공구가 밀려 정삭 2회 가공 유무를 확인하는 방법으로 공구 밀림성을 측정하였다.

(5)블로우-홀(blow hole)

가공면에 블로우-홀의 개수를 확인하여 평가하였다.

(6)가공시간

황삭, 중삭, 정삭을 실시하여 제작한 후, 평가하였다.

상기와 같이 도출된 물성 측정 결과에 대한 평가를 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예의 경우, 경도, TIP 마모성, TIP 파손성, 공구 밀림성에서 기존의 P20 단조강으로 제조된 금형과 비교하여 별 차이가 없는 반면에, 금형 제작 기간은 기존의 가공시간에 비하여 단축됨을 예상할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 의하면, 자동차의 차체를 플라스틱화하여 생산함에 있어서, 사출성형시 고온에서 생산되는 펜더 패널의 온도관리 조건을 고려하여 금형 제작시 열적 내구성이 우수한 합금조성물을 함유한 가공여유 7mm정도의 실제품과 유사한 주강재를 적용함으로써, 금형 제작기간을 줄일 뿐만 아니라, 고온사출시 플라스틱의 변형을 최소화하며, 금형 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론, 조직을 균질하게 하여 금형의 품질 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고온사출 성형용 금형소재를 나타내는 현미경 사진,

도 2는 종래의 사출 성형용 금형소재를 나타내는 현미경 사진이다.

Claims

고온사출 성형용 금형의 합금조성물에 있어서,

주강을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.33 ∼ 0.38 중량%, 규소(Si) 0.3 ∼ 0.32 중량%, 망간(Mn) 0.9 ∼ 0.97 중량%, 인(P) 0.018중량% 이하, 황(S) 0.008중량% 이하, 니켈(Ni) 0.28 ~ 0.32 중량%, 크롬(Cr) 1.55 ~ 1.75 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.36 ~ 0.40 중량%, 바나듐(V) 0.1 ~ 0.15 중량%, 구리(Cu) 0.15 ~ 0.25 중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물.
청구항 1에 있어서, 주강을 주재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.35 중량%, 규소(Si) 0.3 중량%, 망간(Mn) 0.94 중량%, 인(P) 0.018중량% 이하, 황(S) 0.008중량% 이하, 니켈(Ni) 0.3 중량%, 크롬(Cr) 1.69 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.39 중량%, 바나듐(V) 0.13 중량%, 구리(Cu) 0.18 중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 고온사출 성형용 금형의 합금조성물.