KR20200090140A - 금형 및 다이 세트용 경제적인 플라스틱 툴링 코어 - Google Patents

금형 및 다이 세트용 경제적인 플라스틱 툴링 코어 Download PDF

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KR20200090140A
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루이스-필립 라피에르-브아
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에이.핀클 앤드 선스 컴퍼니
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Abstract

툴링 세트의 캐비티 측면(cavity side)과 함께 사용되는 플라스틱 사출 몰딩 툴링의 코어 측면(core side)이 개시된다. 코어 측면은 중량 퍼센트로 하기 조성: 0.25 - 0.55%의 탄소, 0.70 - 1.50%의 망간, 0.80% 이하의 규소, 1.40 - 2.00%의 크롬, 0.10 - 0.55%의 몰리브덴, 0.040% 이하의 알루미늄, 0.025% 이하의 인, 0.20% 이하의 황을 가질 수 있고, 나머지가 철, 및 부수적인 불순물일 수 있다.

Description

금형 및 다이 세트용 경제적인 플라스틱 툴링 코어{ECONOMICAL PLASTIC TOOLING CORES FOR MOLD AND DIE SETS}
{관련 출원의 상호 참조}
본 출원은 2016년 2월 1일에 출원한 미국 특허 출원 시리얼 번호 14/998,669의 35 U.S.C.§120에 따른 일부 계속 출원이다.
본 발명은 최종 사용자가 볼 수 있는 부품과 성형 시에 접촉하는 금형 및 다이 구성 요소에 흠이 없는 표면을 제공하는 것과 관련된 플라스틱 툴링 산업(plastic tooling industry)의 문제를 다룬다. 또한, 본 발명은 매우 경제적인 비용으로 고품질의 최종 제품을 수득하는 플라스틱 툴링 세트에서 코어 반쪽과 캐비티 반쪽(core and cavity halves)의 합금 조성물이 상이한 금형 및 다이 재료를 제공하는 지속적인 문제를 다룬다.
플라스틱 툴링 금형 또는 다이 세트를 구성하는 2개의 반쪽들은 약 20인치 이상의 재료 단면에서, 낮은 비용으로 고품질 부품을 생산하기 위해, 상이한 조성 및 조작 특성을 가져야 하는 것이 발견되었다. 구체적으로, 플라스틱 툴링 세트의 캐비티 면(cavity side)은 일반적으로 성형된 부품의 궁극적인 흠이 없는 표면을 제공하기 위해 고품질의 스틸을 필요로 한다. 반대로, 툴링 세트의 코어 면(core side)은 툴링 세트의 캐비티 반쪽의 표준만큼 엄격한 표면 마감 표준을 요구하지 않지만, 상기 코어 반쪽이 적용되는 엄격한 조작 조건과 동일해야 한다.
하기의 공칭 조성(nominal composition)을 갖는 P-20과 같은 표준 스틸은 툴링 세트의 캐비티 면에 대해 서비스가 우수한 것을 입증했다:
C 0.28 - 0.40
Mn 0.60 - 1.00
Si 0.20 - 0.80
Cr 1.40 - 2.00
Mo 0.30 - 0.55
Cu 0.25
P 0.030
S 0.030
그러나, 이러한 및 유사한 등급(grade)은 이러한 스틸의 조작 특성이 툴링 세트의 코어 면에 필요한 특성을 사실상 초과한다는 점에서 툴링 세트의 코어 면에 사용하기에 비경제적이다. 따라서, 오늘날의 고비용 의도 환경에서 부품 제조자에게 툴링 세트의 코어 면에 상기 등급을 사용하는 것은 저비용이지만 충분히 효과적인 합금에 비해 불필요한 비용을 나타낸다. 툴링 부품은 부품 제조업체에게 높은 비용 요소이므로, 상기 합금보다 비싸지 않지만, 특히 깊이가 20인치 이상인 툴링 세트에서 상기 합금과 함께 사용될 때 매우 만족스럽게 수행될 플라스틱 성형 툴링 세트의 코어 면을 위한 합금 스틸이 필요하다.
특히 중요한 것은, 툴링 세트에 의해 수천 개의 부품이 제조된 후, 툴링 세트의 캐비티에 형성된 표면은 캠페인(campaign)을 시작할 때 제조된 부품만큼 밝고 흠이 없어야 한다는 것이다. 그러나, 코어 면은 보이지 않기 때문에, 코어 면이 제조되는 스틸은 캐비티 면만큼 높은 광택을 낼 필요가 없다. 코어 면에는 미적으로 완벽한 마감이 필요하지 않다.
툴링 세트의 캐비티 면의 분리선(parting line)(즉, 세트의 2개의 반쪽들 사이의 분리선)을 유지하기 위해, 세트의 코어 면의 분리선에서 약간 더 낮은 경도를 갖는 것이 바람직하다는 것을 발견했다. 그 후, 마모가 발생하면, 압력 하에서 플라스틱을 사출한 후 생성된 플래시(flash)가 툴링 세트의 캐비티 면에 표시되지 않을 것이다.
이러한 문제들을 다루는 시도에서, 하기 조성을 갖는 스틸이 툴링 세트의 코어 면에 사용되었다:
C 0.38 - 0.43
Mn 0.75 - 1.00
C 0.15 - 0.30
Mo 0.15 - 0.258
Cr 0.80 - 1.10
P 0.035x
S 0.040x
그러나, 이 조성물은 약 20인치 이하의 단면적에만 적합할 것이다. 이러한 두께를 초과하면, 이러한 조성물은 깊이에서 예측된 기계적 특성을 유지하지 못할 수 있다. 구체적으로, 20인치보다 더 큰 두께에서, 스틸은 분리선에서 훨씬 큰 경도 강하(hardness drop)를 보인다. 이는 20인치 이상의 조각을 급냉할 때의 질량 효과에 기인한 것일 수 있다.
따라서, 플라스틱 사출 성형 툴링에서 20인치 이상의 부분에서 코어 블럭 스틸에 있어서, 20인치 이상의 금형 및 다이 툴링 세트에 필요한 모든 물리적 및 기계적 특성을 갖지만 현재 이용 가능한 재료보다 저렴한 비용인 플라스틱 툴링 세트의 코어 면에 새로운 조성물이 필요하다.
본 개시 내용의 일 측면에 따르면, 코어 면 및 캐비티 면을 갖는 플라스틱 사출 스틸 툴링의 세트가 개시된다. 세트의 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 가질 수 있다: 0.25 - 0.55 %의 탄소, 0.70 -1.50 %의 망간, 0.80 % 이하의 규소, 1.40 - 2.00 %의 크롬, 0.10 - 0.55 %의 몰리브덴, 0.040 % 이하의 알루미늄, 0.025 % 이하의 인, 0.20 % 이하의 황, 나머지의 철, 및 부수적인 불순물.
본 개시 내용의 다른 측면에 따르면, 툴링 세트의 캐비티 면과 함께 사용하기 위한 플라스틱 사출 성형 툴링의 코어 면이 개시된다. 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 가질 수 있다: 0.25 - 0.55 %의 탄소, 0.70 - 1.50 %의 망간, 0.80 % 이하의 규소, 1.40 - 2.00 %의 크롬, 0.10 - 0.55 %의 몰리브덴, 0.040 % 이하의 알루미늄, 0.025 % 이하의 인, 0.20 % 이하의 황, 나머지의 철, 및 부수적인 불순물.
본 개시 내용의 이러한 및 다른 측면 및 특징은 첨부 도면과 함께 읽을 때 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 플라스틱 툴링 세트의 코어 면의 사시도이고;
도 2는 플라스틱 툴링 세트의 캐비티 면의 사시도이고;
도 3은 단순화된 금형 세트의 일부의 단면도이고;
도 4는 도 3의 세부 확대도이고;
도 5는 플라스틱 툴링 세트의 코어 면의 제조에 관여될 수 있는 일련의 단계들의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 플라스틱 툴링 세트의 코어 면은 일반적으로 10으로 나타내고, 코어는 11로, 분리선 평면은 12로 나타낸다.
도 2를 참조하면, 플라스틱 툴링 세트의 캐비티 면은 일반적으로 20으로, 캐비티는 21로, 분리선 평면은 22로 나타낸다. 코어 면(10)과 캐비티 면(20)이 성형 결합 시에, 분리선 평면(12 및 22)은 분리선(23)을 형성하기 위해 맞닿아 있을 것이고(도 3 참조), 코어 면(11)은 캐비티(21) 내에 수용될 것이 이해될 것이다.
코어(11)의 치수가 캐비티(21)의 치수보다 약간 작기 때문에, 부품은 코어와 캐비티 사이의 공간(24)으로 형성될 것이다(도 4 참조). 2개의 반쪽들(10 및 20)은 물론 도시되지 않은 산업적으로 잘 알려진 적합한 수단에 의해 폐쇄될 때 고정된 위치에서 유지될 것이다.
이제 도 4를 구체적으로 참조하면, 분리선(23)은 코어 면(10)의 표면과 캐비티 면(20)의 표면이 접촉될 때 명확한 경계선을 형성한다는 것을 알 수 있을 것이다. 상당한 압력 하에서 용융된 플라스틱의 샷(shot)이 금형 캐비티(24)로 사출될 때, 상기 플라스틱은 코어 면(10)과 캐비티 면(20)의 표면과 접촉하게 될 것이다. 그러나, 코어 면(10)은 캐비티 면(20)의 스틸보다 더 연질인 스틸로 형성되기 때문에, 상기 코어 면(10)은 캐비티 면(20)보다 우선적으로 침식될 것이다. 도시된 양태에서, 코어 면(10)에서 침식된 영역은 도 4에서 13으로 나타낸다. 도면은 균일한 침식 깊이를 나타내지만, 일부 위치는 인접한 위치보다 연질이어서, 침식된 공간은 지점마다 불규칙한 깊이가 될 것이 이해될 것이다. 그러나, 코어 면(10)이 형성되는 스틸은 캐비티 면(20)이 형성되는 스틸보다 항상 연질이기 때문에, 캐비티 스틸보다 침식성이 더 높다. 결과적으로, 코어 면은 다수의 사이클 후에 발생할 수 있는 플래시가 항상 포함될 것이다. 그러나, 성형 부품의 코어 면은 관찰자에게 보이지 않기 때문에, 코어 면(10)의 영역(13)으로 표시되는 플래시는 상업적으로 허용 가능하다.
이제, 코어(10)만을 참조하면, 본 발명의 상기 코어는 중량 퍼센트로 하기의 브로드한 조성물을 갖는 스틸로부터 형성된다:
탄소 0.25 - 0.55 %
망간 0.70 - 1.50 %
규소 0.80 % 이하
크롬 1.40 - 2.00 %
몰리브덴 0.10 - 0.55 %
알루미늄 0.040 % 이하
인 0.025 % 이하
황 0.20 % 이하
철 잔여량, 및 부수적인 불순물.
상기 범위 내에서, 중량 퍼센트로 코어(10)의 조성물은 다음과 같을 수 있다:
탄소 0.30 - 0.50 %
망간 1.05 - 1.45 %
규소 0.60 % 이하
크롬 1.50 - 2.00 %
몰리브덴 0.10 - 0.45 %
알루미늄 0.035 % 이하
인 0.020 % 이하
황 0.05 - 0.15 %
철 잔여량, 및 부수적인 불순물.
상기 범위 내에서, 중량 퍼센트로 코어(10)의 조성물은 다음과 같을 수 있다:
탄소 0.30 - 0.45 %
망간 1.15 - 1.35 %
규소 0.40 % 이하
크롬 1.50 - 1.90 %
몰리브덴 0.10 - 0.30 %
알루미늄 0.030 % 이하
인 0.015 % 이하
황 0.05 - 0.10 %
철 잔여량, 및 부수적인 불순물.
탄소는 필요한 경도 및 내마모성을 제공하기 위해 필요하다. 탄소가 0.55 중량%를 현저히 초과하는 경우, 금형 블럭은 낮은 기계 가공성(machinability) 및 연마 특성을 나타낼 것이다. 바람직하게는, 우수한 기계 가공성을 보장하기 위해 0.50 중량% 이하의 탄소가 사용된다. 사실상 0.25 중량% 미만의 탄소가 사용되는 경우, 내마모성 및 기계적 특성은 금형 블럭이 받는 서비스 컨디션에 적합하지 않을 것이다. 바람직하게는, 허용 가능한 내마모성, 경도 및 기계적 특성을 보증하기 위해 0.10 중량% 이상의 탄소가 사용된다. 가장 바람직하게는, 0.40 중량%를 목표로 0.35 중량% 내지 0.45 중량% 범위 내의 탄소가 사용되어야 한다.
망간은 경화능(hardenability) 및 제강 공정의 탈산제(deoxidizer)로서 필수적이다. 또한, 단조 작업(forging operation)에서 황화물을 제어하는 역할을 한다. 다른 합금 원소와 함께, 1.50 중량%를 현저히 초과하여 존재하면, 잔류 오스테나이트(austenite)가 존재할 위험이 있다. 사실상 0.70 중량% 미만의 망간이 존재하면, 금형 블럭의 경화능이 감소될 것이다. 또한, 황 제어를 보증하기 위해, 망간의 함량은 황 함량의 적어도 20배의 양으로 존재해야 한다. 또한, 망간은 다른 카바이드 형성제(carbide former)보다 덜하지만 내마모성에 기여한다. 바람직하게는, 망간은 1.05 중량% 내지 1.45 중량%의 범위 내에서, 가장 바람직하게는 1.15 중량% 내지 1.35 중량%의 범위 내에서 존재할 것이다.
규소는 제강 공정에서 탈산 능력에 대해 명시되어 있다. 명시된 것보다 사실상 많이 존재하는 경우, 최종 생성물이 취화(embrittlement)되는 경향이 있다.
크롬은 카바이드 형성, 경화능 및 내마모성을 위해 필요하다. 최대 2.00 중량%를 현저히 초과하는 크롬이 존재하면, 경화 온도는 정상적인 열처리 공정에 비해 너무 높아질 것이다. 명시된 최소 1.40 중량%보다 낮으면, 내마모성에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 바람직하게는, 크롬은 1.50 중량% 내지 2.00 중량%, 가장 바람직하게는 1.50 중량% 내지 1.90 중량%의 양으로 존재한다.
몰리브덴은 이들이 강력한 카바이드 형성제인 사실에 의해 경화능과 내마모성에 기여하는 핵심 요소이다. 이의 유리한 효과는 0.10 중량% 내지 0.55 중량%의 범위 내에서 효과적이지만, 바람직하게는 0.10 중량% 내지 0.45 중량%의 범위의 하부 밴드(lower band) 내에서, 가장 바람직하게는 0.10 중량% 내지 0.30 중량%의 범위 내에서 유지된다.
알루미늄은 결정립 미세화(grain refinement)에 바람직하지만, 바람직하지 않은 불순물인 알루미네이트의 존재를 유발하여 스틸 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 최종 용융 조성물 중에서 0.040 중량% 이하로 알루미늄 첨가를 최소화하는 것이 중요하다. 가장 바람직하게는, 0.020 중량%의 알루미늄을 목적으로 하면 결정립 미세화를 달성할 것이다.
인은 기계 가공성을 증가시킬 수 있지만, 연성-취성 천이 온도(ductile-brittle transition temperature)의 증가와 같은, 툴 스틸에서의 이러한 원소의 해로운 영향은 어떠한 유리한 효과보다 더 크다. 따라서, 인 함량은 규정된 명시된 최대 0.025 중량% 미만, 가장 바람직하게는 0.015 중량% 미만이어야 한다.
황은 기계 가공성의 핵심 요소이며, 일반적으로 툴 스틸에서 0.045 중량%보다 높은 함량은 허용 가능한 기계 가공성을 형성한다고 여겨진다. 그러나, 가공 동안 황화물(sulfide)의 제어를 유지하기 위해, 0.20 중량% 초과의 황 함량을 억제할 필요가 있을 것이다. 황은 0.07 중량%를 목표로 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 가장 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.10 중량%의 양으로 존재해야 한다.
필요한 조작 특성을 달성하기 위해, 최종 조성물을 물 급냉하는 것이 필수적이다. 그러나, 툴링 세트의 코어 면이 캐비티 면보다 낮은 경도를 가질 것을 보증하기 위해, 코어 및 캐비티 부분은 상이한 경도로 제조되어야 한다.
따라서, 코어 면의 경도는 항상 캐비티 면의 경도보다 낮은 경우, 캐비티 면에 적합한 경도 범위는 277-321 BHN일 것이고, 코어 면에 적합한 경도 범위는 269-277 BHN일 것이다. 코어 반쪽이 캐비티 반쪽보다 더 연질인 2개의 반쪽들 사이의 차등 경도를 유지함으로써, 캐비티의 분리선이 유지되고; 즉, 캐비티 면의 분리선 대신에 코어 면의 분리선의 마모가 선호된다. 결과적으로, 캐비티 면의 밝고 흠집이 없는 표면이 최종 성형된 부품에 반사되어, 부품의 캐비티 면의 성형 후 공정이 최소 또는 전혀 필요하지 않게 될 것이다.
도 5를 참조하면, 20인치 이상의 두께의 금형 또는 다이의 코어 면에 저(low) 합금 스틸 블럭을 제조하는 방법은 다음과 같다:
스틸의 용융물은 하기에 의해 전기 아크 로(electric arc furnace)에서 제조된다:
a. 합금 성분의 대부분을 함유하는 스틸 조성물의 벌크(bulk)를 용융시켜, 용기에 탭핑(tapping)하기에 적합한 스틸 용융물을 생성하는 단계(블럭 202),
b. 그 후, 상기 용융물(heat)을 가열, 합금화 및 정련(refining)하여, 용융물이 이의 최종 조성을 갖도록 하는 단계(블럭 204),
c. 기어를 진공 탈기(vacuum degassing), 추출(teeming) 및 압상 주탕(bottom pouring) 방식에 의해 주조(casting)하여, 잉곳(ingot)을 형성하는 단계(블럭 206),
d. 상기 잉곳을 열간 가공(hot working)하여, 저(low) 합금 금형 또는 다이 블럭을 형성하는 단계(블럭 208), 및
e. 그 후, 상기 금형 또는 다이 블럭을 물 급냉(quenching) 및 템퍼링(tempering)에 의해 열 처리하여, 최종 열간 가공 제품을 형성하는 단계(블럭 210).
상기 기재된 방식으로 스틸을 가공한 후, 상기 최종 열간 가공 제품은 800 내지 900 ℃의 온도에서 오스테나이트화하는 단계(블럭 212), 물에서 급냉시키는 단계(블럭 214), 및 500 내지 700 ℃의 온도에서 템퍼링하는 단계(216)가 수행되어야 하는 것을 이해할 것이다.
상기 처리 후, 수득된 생성물은 블럭의 두께의 ¼ 보다 더 깊은, 베이나이트(bainite) 및 가능하게는 베이나이트와 펄라이트(perlite)의 혼합물을 주로 포함하는 미세구조를 보일 것이다.

Claims (9)

  1. 코어 면(core side)과 캐비티 면(cavity side)을 갖는 플라스틱 사출 스틸 툴링 세트(set of plastic injection steel tooling)로서,
    상기 세트의 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 스틸 툴링 세트:
    C 0.25 - 0.55 %,
    Mn 0.70 - 1.50 %,
    Si 0.80 % 이하,
    Cr 1.40 - 2.00 %,
    Mo 0.10 - 0.55 %,
    Al 0.040 % 이하,
    P 0.025 % 이하,
    S 0.20 % 이하, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세트의 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 스틸 툴링 세트:
    C 0.30 - 0.50 %,
    Mn 1.05 - 1.45 %,
    Si 0.60 % 이하,
    Cr 1.50 - 2.00 %,
    Mo 0.10 - 0.45 % 이하,
    Al 0.035 % 이하,
    P 0.020 % 이하,
    S 0.05 - 0.15 %, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세트의 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 스틸 툴링 세트:
    C 0.35 - 0.45 %,
    Mn 1.15 - 1.35 %,
    Si 0.40 % 이하,
    Cr 1.50 - 1.90 %,
    Mo 0.10 - 0.30 %,
    Al 0.030 % 이하,
    P 0.015 % 이하,
    S 0.05 - 0.10 %, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  4. 툴링 세트의 캐비티 면과 함께 사용하기 위한 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면으로서,
    상기 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면:
    C 0.25 - 0.55 %,
    Mn 0.70 - 1.50 %,
    Si 0.80 % 이하,
    Cr 1.40 - 2.00 %,
    Mo 0.10 - 0.55 %,
    Al 0.040 % 이하,
    P 0.025 % 이하,
    S 0.20 % 이하, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면:
    C 0.30 - 0.50 %,
    Mn 1.05 - 1.45 %,
    Si 0.60 % 이하,
    Cr 1.50 - 2.00 %,
    Mo 0.10 - 0.45 %,
    Al 0.035 % 이하,
    P 0.020 % 이하,
    S 0.05 - 0.15 %, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코어 면은 중량 퍼센트로 하기 조성을 갖는 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면:
    C 0.35 - 0.45 %,
    Mn 1.15 - 1.35 %,
    Si 0.40 % 이하,
    Cr 1.50 - 1.90 %,
    Mo 0.10 - 0.30 %,
    Al 0.030 % 이하,
    P 0.015 % 이하,
    S 0.05 - 0.10 %, 및
    Fe 잔여량, 및 부수적인 불순물.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 코어 면은 결국 20인치의 깊이인 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코어 면은 하기 단계에 의해 전기 아크 로(electric arc furnace)에서 제조되는 스틸의 용융물(melt)로부터 제조되는 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면:
    a. 합금 성분의 대부분을 함유하는 스틸 조성물의 벌크(bulk)를 용융시켜, 용기에 탭핑(tapping)하기에 적합한 스틸 용융물을 생성하는 단계;
    b. 그 후, 상기 용융물(heat)을 탭핑, 가열, 합금화 및 정련(refining)하여, 용융물이 이의 최종 조성을 갖도록 하는 단계;
    c. 상기 용융물을 진공 탈기(vacuum degassing), 추출(teeming) 및 압상 주탕(bottom pouring) 방식에 의해 주조(casting)하여, 잉곳(ingot)을 형성하는 단계;
    d. 상기 잉곳을 열간 가공(hot working)하여, 저(low) 합금 금형 또는 다이 블럭을 형성하는 단계, 및
    e. 그 후, 상기 금형 또는 다이 블럭을 물 급냉(quenching) 및 템퍼링(tempering)에 의해 열 처리하여, 최종 열간 가공 제품을 형성하는 단계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최종 열간 가공 제품은, 이어서
    800 내지 900 ℃의 온도에서 오스테나이트화(austenitizing)하는 단계,
    물에서 급냉시키는 단계, 및
    500 내지 700 ℃의 온도에서 템퍼링하여, 상기 코어 면이 형성되는 블럭의 두께의 ¼ 보다 더 깊은, 베이나이트(bainite) 또는 베이나이트와 펄라이트(perlite)의 혼합물로 주로 구성되는 미세구조를 형성하는 단계를 거치는 것인, 플라스틱 사출 성형 툴링 세트의 코어 면.
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