캐비티 및 코어 재료 선택
캐비티와 코어는 용융 PET와 직접 접촉하여 프리폼에 모양을 부여하는 핵심 구성 요소입니다. 이 제품은 고온(270~290도) 및 고압(150~200MPa) 조건에서 작동하며 용융 PET의 지속적인 수색과 마찰을 견뎌야 합니다. 따라서 재료 선택은 내마모성, 광택성 및 내식성에 중점을 두어야 합니다.
내마모성은 캐비티 재료의 주요 지표입니다. 고속-충전 중에 용융된 PET는 캐비티 표면, 특히 게이트 근처와 마모가 더 두드러지는 프리폼 스레드와 같은 돌출 영역에 강한 정련 효과를 발휘합니다. 내마모성이 부족하면 치수 정확도가 감소하고 캐비티의 표면 거칠기가 증가하여 프리폼의 외관과 치수 안정성에 영향을 미칩니다. 따라서 캐비티 재료는 높은 경도(일반적으로 HRC45 이상)와 우수한 내마모성을 가져야 합니다. 일반적으로 사용되는 재료로는 마르텐사이트 스테인리스강(예: S136, STAVAX) 및 분말 야금 고속도강(예: ASP-60)이 있습니다. S136은 열처리 후 경도가 HRC48-52에 도달하고 크롬 함량이 13%~17%로 우수한 내마모성 및 내식성을 나타내어 일반 식품 포장 프리폼 금형에 적합합니다. ASP-60은 분말야금 공법으로 제조되며, 텅스텐, 몰리브덴 등의 합금성분이 20% 이상 함유되어 HRC60~65의 경도를 자랑합니다. S136 대비 내마모성이 3~5배 높아 생수병, 탄산음료병 등의 고속, 대량 생산 금형에 적합합니다.
연마 성능은 프리폼의 표면 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. PET 프리폼은 후속 블로우 성형 중에 균일한 신축성과 미적 외관을 보장하기 위해 매끄러운 표면(Ra 0.01μm 이하)이 필요합니다. 이를 위해서는 캐비티 재료가 탁월한 연마 특성을 갖고 연삭 및 연마를 통해 경면 마무리를 달성해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강(예: S136)은 고순도(황, 인 및 기타 불순물 0.01% 이하)와 균일한 미세 구조로 인해 주류 선택이며 연마 후 Ra0.005μm의 표면 거칠기를 달성합니다. 반면에 일반 탄소 공구강(예: Cr12)은 불순물이 더 많고 고광택 수준으로 연마하기 어렵기 때문에 표면 품질 요구 사항이 낮은 산업용 프리폼 금형에만 적합합니다. 또한 결정립 미세화 처리도 연마 성능에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 단조 및 열처리 공정을 제어함으로써 S136의 입자 크기를 5μm 미만으로 미세화하면 연마 중 "오렌지 껍질 효과"를 줄일 수 있습니다.
내식성은 PET 원료의 특성에 따라 선택해야 합니다. 산성, 알칼리성 또는 첨가제{1}}함유 물질(예: 항산화제 및 착색제)이 포함된 PET 프리폼을 생산할 때 캐비티 표면은 화학적 부식에 취약하여 구멍이나 녹이 발생하여 프리폼의 품질에 영향을 미칩니다. 따라서 내식성이 강한 재료를 선택해야 합니다. 예를 들어, 크롬 함량이 13% 이상인 S136 스테인레스 스틸은 1000시간을 초과하는 염수 분무 내식성을 갖춘 치밀한 산화 크롬 부동태화막을 형성할 수 있어 첨가제가 포함된 PET 프리폼 생산에 적합합니다. 더 강한 부식(예: 살충제 프리폼)의 경우 이중 스테인리스강(예: 2205)을 사용할 수 있습니다. 크롬, 니켈, 몰리브덴 함량이 높아 일반 마텐자이트계 스테인리스강에 비해 내식성이 우수하지만 그만큼 가격도 높습니다.
템플릿 및 구조 구성요소에 대한 재료 선택
템플릿(이동 템플릿, 고정 템플릿), 가이드 기둥, 가이드 슬리브 및 기타 구조 구성요소는 금형의 골격을 형성하고 조임력을 지탱하고 캐비티를 지지하며 동작을 전달합니다. 금형의 전체적인 안정성을 보장하려면 소재의 강도, 강성, 가공성을 세심하게 고려해야 합니다.
강도와 강성은 템플릿 재료의 핵심 요구 사항입니다. 클램핑 과정에서 템플릿은 수천 킬로뉴턴의 클램핑력을 견뎌야 합니다. 강도가 충분하지 않으면 템플릿 변형(0.01mm/m를 초과하는 평탄도 편차)이 발생하여 캐비티 폐쇄 간격이 고르지 않고 프리폼에 플래시가 발생합니다. 따라서 템플릿 재료는 높은 인장강도(800MPa 이상)와 탄성계수(200GPa 이상)를 가져야 합니다. 일반적으로 사용되는 재료는 프리하든강(예: 718H 및 NAK80). 718H입니다. 프리하든화 처리 후 경도가 HRC30-35이고 인장 강도가 1100MPa를 초과하며 경화성이 우수하여 대형 템플릿(크기 1500mm 이상)에 적합합니다. NAK80은 HRC38-42의 사전 경화 경도를 갖는 시효 경화 플라스틱 금형강으로, 가공 전 추가 열처리가 필요하지 않고 변형이 최소화되며 중소형 정밀 템플릿에 적합합니다. 초대형 금형(예: 144 캐비티 프리폼 금형)의 경우 고강도 합금 구조강(예: S50C)을 선택할 수 있으며 템퍼링 처리(경도 HRC28-32)를 통해 전체 강성이 향상됩니다.
가공 성능은 금형 제조 비용과 사이클 시간에 영향을 미칩니다. 템플릿에는 일반적으로 밀링, 드릴링, 연삭과 같은 여러 가공 프로세스가 필요합니다. 재료의 가공성은 가공 효율성과 공구 마모에 직접적인 영향을 미칩니다. 프리{2}}경화강(예: 718H)은 경도가 적당하고 절삭 저항이 낮아 초경 공구로 가공할 수 있습니다. Ra1.6μm의 표면 거칠기를 얻을 수 있어 일괄 처리에 적합합니다. 고-탄소강(예: 45# 강철)은 가격이 저렴하지만 사용하기 전에 템퍼링이 필요하므로 가공 주기가 길어지고 절단 중에 구성인선이 생성되는 경향이 있어-표면 품질에 영향을 미칩니다. 또한, 재료의 용접성을 고려해야 합니다. 718H는 금형 템플릿에 국부 균열이 나타나면 아르곤 아크 용접으로 수리할 수 있지만, 일부 고합금강은 용접 후 균열이 발생하기 쉬워 수리가 어렵습니다.
가이드 필러와 부싱에는 내마모성과 가이드 정확도가 매우 중요합니다. 가이드 필러와 부싱은 금형 개폐시 자주(분당 30{5}}50회) 미끄러지기 때문에 밀착(0.005{12}}0.01mm)과 부드러운 움직임이 필요합니다. 따라서 재료는 내마모성과 치수 안정성이 좋아야 합니다. 가이드 기둥은 일반적으로 고-탄소 크롬 베어링강(SUJ2 등)으로 만들어지며, 담금질 및 템퍼링 후 경도는 HRC60-62에 도달합니다. 표면을 Ra0.4μm 이하의 두께로 연삭하여 내마모성이 뛰어납니다. 반면, 가이드 부싱은 자체 윤활 특성을 지닌 청동 합금(예: ZCuSn10Pb1)으로 제작되어 가이드 기둥의 마모를 줄이고 오일 프리 윤활 용도에 적합합니다. 고속 금형(개폐 속도 > 500mm/s)의 경우 가이드 기둥과 부싱을 질화 처리(표면 경도 HV800-1000)하여 내마모성을 더욱 향상시키고 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.
