플라스틱 금형 수명 연장을 위한 첨단 표면 강화 기술

소재 기술 지속 발전에 따라 플라스틱 제품이 산업 제조와 일상생활에 널리 쓰이면서, 플라스틱 금형의 성능과 수명에 대한 요구도 높아지고 있습니다.

플라스틱 금형 성능과 수명 향상은 현재 플라스틱 금형 연구의 핵심 과제입니다. 연구 결과 플라스틱 금형 표면 강화 기술이 성능·수명 개선의 열쇠임이 밝혀졌습니다. 표면 강화 기술로 금형 표면 경도, 내마모성, 내식성 등을 높여 금형 성능과 수명을 효과적으로 개선할 수 있습니다.

플라스틱 금형이란?

플라스틱 금형은 플라스틱 가공 시 성형기와 짝을 이뤄 생산품이 완전한 형상과 정확한 치수를 갖게 하는 도구입니다. 예: 복합 플라스틱 금형은 압축 성형, 압출 성형, 블로우 성형, 사출 성형 등 다양한 생산 방식에 적용 가능. 복합 플라스틱 금형은 일반적으로 펀치 금형과 캐비티 금형으로 구성되며, 펀치·캐비티·보조 성형 시스템 조합으로 다양한 형상·크기 플라스틱 제품을 가공합니다.

플라스틱 종류가 많고 성형기·제품 구조·가공 방식이 다양해 생산 요건 충족을 위해 금형 유형도 다양합니다. 제품별 성형 방식이 달라 공정별로 사출 금형, 압출 금형, 고발포 폴리스티렌 성형 금형, 블리스터 성형 금형 등으로 나뉩니다.

플라스틱 금형 성능 요구사항

플라스틱 금형은 성형기와 함께 쓰이며, 온도 일반적으로 150~200℃ 사이로 금형은 사용 중 압력과 온도를 동시에 받습니다. 기본 성능 요건:

1. 양호한 캐비티 표면 평활도

고품질 플라스틱 제품은 캐비티 표면 조도 요구가 높습니다. 플라스틱 금형 캐비티 표면은 연마해 표면 조도를 낮춰야 합니다.

2. 충분한 표면 경도와 내마모·내식성

금형 작동 중 큰 압력과 마찰을 받으므로, 금형 표면에 충분한 경도·강성·내마모성·내식성이 필요합니다.

3. 우수한 가공성

플라스틱 금형은 실제 상황에 따라 절삭 가공이 필요하므로, 금형용 강재는 가공성이 좋아야 합니다.

4. 양호한 열안정성

플라스틱 금형 구조가 복잡해 성형 금형 2차 가공이 어렵습니다. 따라서 생산 공정에서 열안정성이 강한 소재를 원재료로 써 금형 변형과 치수 변화를 최소화해야 합니다.

플라스틱 금형 표면 처리 기술

공정 특성에 따라 플라스틱 금형 표면 처리는 표면 열처리, 전기 도금, 무전해 도금, 증착 등으로 나눌 수 있습니다.

플라스틱 금형 표면 열처리

표면 열처리에는 표면 담금질과 화학 열처리가 포함됩니다.

• 표면 담금질 (Surface Quenching)

표면 담금질 목적은 급격한 온도 변화로 금형 표면 조직과 물성을 변화시켜 고경도·강내마모 표면을 얻고, 금형 내부는 본래의 우수한 인성을 유지하는 것입니다.

표면 담금질 기술은 급속 가열·담금질로 금형 표면이 빠르게 담금질 온도에 도달하게 하고, 열이 공작물 심부까지 침투하기 전 즉시 냉각해 국부 담금질을 실현합니다.

• 표면 확산 화학 열처리 (Surface Diffusion Chemical Heat Treatment)

화학 열처리는 열처리 공정의 일종입니다. 공작물을 특정 매질에서 가열·보온해 매질 내 활성 원자가 공작물 표면층으로 확산 침투하게 함으로써 표면층 화학 조성과 미세조직을 변화시켜 공작물 표면층에 요구 특수 물성을 부여합니다. 종류로는 침탄, 질화, 탄질화 등이 있으며 표면 경도, 내마모성, 피로 강도 향상 목적이 있습니다. 질화, 규소화, 알루미나화 등은 내식성, 내산화성 향상 목적. 현재 가장 널리 쓰이는 화학 처리는 침탄, 질화, 탄질화입니다.

플라스틱 금형 열처리 시 주의사항

(1) 잔류 응력에 의한 변형 주의.

연삭, 굽힘, 절삭 후 강재는 높은 응력 상태입니다. 이 응력을 제거하지 않으면 열처리 중 변형 발생. 예: 금형 부품은 정삭 여유를 두고 조삭(응력 제거) → 250~300℃로 가열 충분한 시간 유지 → 실온 냉각 → 정삭 가공 순서로 진행.

(2) 열처리 중 급속 가열로 인한 변형 주의.

열처리 가열 속도는 금형 각 부 온도가 실질적으로 균일할 정도로 느려야 합니다. 급속 가열 시 얇은 단면이 두꺼운 단면보다 빨리 팽창해 이음부에 응력 발생, 항복 강도 초과 시 금형 변형. 얇은 단면이 먼저 임계온도 도달해 수축 시작하지만 두꺼운 단면은 아직 팽창 중인 경우도 변형 유발. 완만히 가열하면 발생 응력이 항복 강도 미만이므로 변형 없음.

전기 도금과 무전해 도금 (Electroplating and Electroless Plating)

플라스틱 금형 표면 전기 도금에는 금속 도금과 복합 도금이 포함됩니다. 저온 가공, 쉬운 금형 가공이 전기 도금의 큰 장점. 대표적으로 크롬 도금, 니켈 도금. 복합 도금은 도금액 내 금속과 고체 입자 동시 퇴적으로 피막 형성. 고체 입자는 성능 요건에 따라 다른 소재 선택 가능. 복합 도금으로 금형 표면 내마모성, 내식성, 내열성 향상 가능.

무전해 도금은 균일 도금력과 깊은 곳 도금력이 전기 도금보다 우수합니다. 금형 표면 피막 두께를 균일하게 하고, 피막이 치밀하며 틈새가 적습니다. 무전해 도금 장비가 단순하고 조작이 쉽다는 장점도 있습니다.

증착법 (Vapor Deposition)

증착법은 기상에서 화학적·물리적 공정으로 공작물 표면 조성을 변화시켜 금형 표면에 특수 물성(초경도 내마모층, 특수 광학·전기적 특성 등)을 가진 금속·화합물 피막을 형성합니다. 증착법은 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 3가지로 나뉩니다. 증착 처리 후 금형 표면은 고내마모성, 내식성, 내산화성을 갖춰 금형 성능과 수명을 크게 향상시킵니다.

JTR은 플라스틱 금형 제조 풍부한 경험과 표면 처리 기술을 보유하고 있습니다. 관련 니즈가 있으시면 언제든 연락 주세요.