Spritzgießformen sind unverzichtbare Werkzeuge bei der Herstellung von Kunststoffprodukten. Mit dem technologischen Fortschritt sind Kunststoffartikel von Utensilien bis hin zu Autoteilen in allen Bereichen unseres Lebens allgegenwärtig geworden. Diese Produkte werden überwiegend im Spritzgießverfahren hergestellt, das Folgendes umfasst: Erhitzen des Kunststoffs bis zum Schmelzen, Einspritzen in eine Form und anschließendes Abkühlen um die verschiedenen Formen und Größen zu erhalten, die wir benötigen.
Die Qualität der Form steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität der Kunststoffprodukte, weshalb die Wahl von hochwertigem Formenstahl von entscheidender Bedeutung ist. Hochwertiger Formenstahl muss widerstandsfähig sein:
- Verlängertes Hochdruckbedingungen,
- Der Hochgeschwindigkeitsaufprall von geschmolzenem Kunststoff bei hohen Temperaturen.
- Darüber hinaus werden die Formen oft millionenfach verwendet, so dass der Formenstahl außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen muss. Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, und ausreichende Zähigkeit.
Ursachen für Schäden an Spritzgussformen
Bevor wir uns mit den erforderlichen Eigenschaften von Formenstahl befassen, ist es wichtig zu verstehen, wie Formen typischerweise beschädigt werden:
Formverformung Formen, die wiederholt hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, neigen dazu, sich mit der Zeit zu verformen. Insbesondere kann sich die Kavität der Form eindellen, was die Maßgenauigkeit des geformten Produkts beeinträchtigt und möglicherweise zur Bildung von Grat (überschüssigem Material) führt.
Verschleiß Die sauberen (scharfen) Kanten der Form werden mit längerem Gebrauch allmählich stumpf, was zu abgerundeten Ecken und vertieften Oberflächen führt. Das bedeutendste Ergebnis dieser Abnutzung ist die Entstehung von Grat.
Bruch Nach einer gewissen Nutzungsdauer können sich in Formen aufgrund von Materialermüdung Risse bilden. Diese Risse neigen dazu, sich mit der Zeit und bei weiterer Nutzung auszudehnen, was schließlich zum Bruch bestimmter Teile der Form führen kann.
Korrosion Wenn saure Kunststoffe oder Materialien verwendet werden, die bei der Verarbeitung korrosive Gase freisetzen (wie PVC und POM), kann die Formenoberfläche mit der Zeit korrodieren. Diese Korrosion kann unebene Oberflächen, sogenannte Pitting, erzeugen, die das Aussehen des Endprodukts beeinträchtigen können.
Grundlegende Anforderungen an Formstahlwerkstoffe
Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit Die Härte und Verschleißfestigkeit von Stahl sind bei der Formenherstellung entscheidend. Dies liegt daran, dass Formen während des Einspritzvorgangs einem kontinuierlichen Verschleiß durch geschmolzenen Kunststoff ausgesetzt sind, insbesondere wenn der Kunststoff harte Füllstoffe wie Glasfasern enthält, die stärkere Schäden verursachen können. Darüber hinaus halten Formen während des Betriebs Stößen stand, was eine gewisse Zähigkeit erfordert, um Rissbildung zu verhindern. Bei der Verarbeitung von Hochtemperaturkunststoffen steigt die Nachfrage nach verschleißfestem Stahl, was den Einsatz von Hochleistungs-Formenstahl erfordert.
Polierverhalten Hochwertiger Formenstahl sollte einen hohen Reinheitsgrad mit einem feinen, gleichmäßigen Gefüge aufweisen, um eine einwandfrei polierte Formenoberfläche zu gewährleisten. Das Vorhandensein von Poren, Verunreinigungen oder anderen Defekten auf der Formenoberfläche kann das Aussehen des Endprodukts beeinträchtigen. Beispielsweise ist der Stahl S136 für seine außergewöhnlichen Poliereigenschaften bekannt.
Schweißbarkeit Formen unterliegen während der Nutzung unweigerlich Verschleiß und versehentlichen Beschädigungen, und manchmal sind Anpassungen aufgrund von Designänderungen erforderlich. Die Schweißbarkeit von Formenstahl ist daher äußerst wichtig, da sie die Leichtigkeit und Machbarkeit von Formenreparaturen und -modifikationen bestimmt.
Korrosionsbeständigkeit Für Formen, die korrosive Kunststoffe verarbeiten, ist die Verwendung von korrosionsbeständigem Stahl unerlässlich. Gängige korrosionsbeständige Stähle sind S136, 2316, 420, 2083 und M333. Darüber hinaus kann eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei Formen, die häufig die Produktionscharge wechseln, den Bedarf an Rostschutzwartung reduzieren.
Minimale Verformung bei der Wärmebehandlung Während der Wärmebehandlung härtet Formenstahl aus, was die Bearbeitung erschwert und dadurch die Kosten erhöht. Um die Produktionseffizienz zu verbessern und Kosten zu senken, ist es notwendig, Stahlmaterialien mit gleichmäßigen inneren Gefügen zu verwenden, die während der Wärmebehandlung minimale Verformungen aufweisen. Solche Materialien entwickeln keine übermäßigen inneren Spannungen oder Verformungen, was die Präzision und Langlebigkeit der Form gewährleistet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl des geeigneten Formstahls nicht nur für die Qualität der Kunststoffprodukte entscheidend ist, sondern auch für die Verbesserung der Haltbarkeit der Formen, die Senkung der Produktions- und Wartungskosten und die Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der gesamten Produktionskette.
Vorgehärteter vs. durchgehärteter Formenstahl
Warum vorvergüteter Formenstahl?
Normalerweise müssen die Formen insgesamt gehärtet oder oberflächengehärtet werden, um eine Härte zwischen HRC50-60 zu erreichen. Dieser Härtebereich erschwert die Bearbeitung und erhöht die Kosten.
Um eine solche Härte zu erreichen, ist eine Wärmebehandlung erforderlich, die insbesondere bei vollständigem Härten ein Verformungsrisiko birgt und den Herstellungszyklus verlängert. Daher wurde vorgehärteter Formenstahl entwickelt, der typischerweise eine Härte zwischen HRC30-40 aufweist – ein Bereich, der hinsichtlich der Bearbeitung besser handhabbar, aber für viele Kunststoffspritzgießformen wie PP, PE, ABS und so weiter ausreichend hart ist.
Vorgehärteter Formstahl
Vorgehärteter Formenstahl ist Stahl, der bereits vor Verlassen des Werks gehärtet wurde. Seine Härte entspricht in der Regel den Einsatzanforderungen, d. h. er kann direkt für die Bearbeitung und Herstellung von Formen verwendet werden, ohne dass eine zusätzliche Wärmebehandlung durch den Anwender erforderlich ist.
Der Hauptvorteil dieser Stahlart ist ihre Bequemlichkeit, da Es spart Produktionszeit und Kosten indem das Risiko von Dimensionsverzerrungen während der Wärmebehandlung verringert wird. Vorvergüteter Formstahl wird typischerweise für kürzere Produktionszyklen und kleinere Chargen oder wenn die Größe des Formwerkzeugs eine Wärmebehandlung unpraktisch macht, verwendet.
Gängige Sorten von vorvergütetem Formstahl sind: P20, 718/718H/718HH, 738H, NAK80, S136H und 2083H.
Durchgehärteter Formstahl
Umgekehrt, durchvergüteter Formenstahl wird in einer weichen Zustand und erfordert eine Wärmebehandlung während oder nach dem Formenbauprozess, um die gewünschte Härte zu erreichen. Die Härte dieses Stahls kann durch Wärmebehandlung präzise gesteuert werden, was zu höherer Verschleißfestigkeit und Zähigkeit führt.
Gehärteter Formenstahl eignet sich für Formen, die über lange Zeiträume betrieben werden und einem hohen Verschleiß standhalten müssen, insbesondere bei der Massenproduktion identischer Kunststoffprodukte. Die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach der Produktion kann jedoch die Produktionskosten erhöhen und erfordert eine sorgfältige Handhabung, um Verformungen und Spannungsprobleme durch ungleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung zu vermeiden.
Übliche Sorten von durchgehärteten Formstählen sind: 2083, S136, H13, SKD61, 8407 und SKD11
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl vor- als auch durchgehärtete Formenstähle ihre Vor- und Nachteile haben. Die Wahl zwischen ihnen hängt von den spezifischen Produktionsanforderungen, der Formkonstruktion und der wirtschaftlichen Effizienz ab. Vorgehärteter Formenstahl bietet Komfort und Schnelligkeit und ist ideal für kleine Chargen oder Formen bestimmter Größe, während gehärteter Formenstahl besser für Großproduktionsformen geeignet ist, die eine sehr hohe Verschleißfestigkeit und langfristige Nutzung erfordern.
Gängige Formstahltypen
Es gibt Hunderte von Formenstahlarten, aber die unten aufgeführten gehören zu den am häufigsten verwendeten.
Je nach Vertrautheit mit diesen Materialien und der Verfügbarkeit zuverlässiger Lieferanten ziehen verschiedene Formenhersteller bestimmte Typen anderen vor.
In der folgenden Tabelle sind die häufig vorkommenden Formenstähle aufgeführt.
| Name | Wärmebehandlung | Härte | Kurzbeschreibung | Standardherkunft |
|---|---|---|---|---|
| P20 | Vorgehärtet | HRC28-32 | Cr-Mo-Kunststoffformenstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, ausgezeichnete Verarbeitungs- und Polierleistung, erschwinglich, geeignet für Produkte mit geringen Anforderungen und kleiner Produktion. | AISI USA |
| 718 | Vorgehärtet | HRC30-34 | Formenstahl der Serie Cr-Ni-Mo, eine verbesserte Version von P20 (entspricht der amerikanischen Sorte P20+Ni), mit besserer Härtbarkeit, geeignet für die Herstellung größerer Formen. Die Lebensdauer der Form ist 2-3 Mal länger als die von P20. | Assab Schweden |
| 718H | Vorgehärtet | HRC34-38 | 718H hat eine höhere Härte und eine bessere Spiegelpolitur als 718. Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist der Gehalt an Mangan und Molybdän. | Assab Schweden |
| 718HH | Vorgehärtet | HRC36-40 | Die Härte von 718HH ist höher als die von 718H. | Assab Schweden |
| 738(1.2738) | Nachhitzebehandelt | HRC48-52 empfohlen | 738 hat einen höheren Gehalt an Mn, Cr, Ni als 718, mit guter Härtbarkeit und Zähigkeit. Es ist die Abkürzung der deutschen Norm 1.2738, während 718 nach der schwedischen Assab benannt ist. | DIN Deutschland |
| 2344（1.2344） | Nachhitzebehandelt | HRC50-54 empfohlen | Cr-Ni-Mo-Serienformenstahl, entspricht der amerikanischen Güteklasse P20+Ni und 718, mit besserer Härtbarkeit, geeignet für die Herstellung größerer Formen. | DIN Deutschland |
| S136 | Nachhitzebehandelt | HRC48-52 empfohlen | Mit einem Chromgehalt von 13,6% hat es eine hohe Korrosionsbeständigkeit und zeichnet sich durch ein reines und feines Gefüge, eine hervorragende Polierleistung sowie Verschleißfestigkeit, Bearbeitbarkeit und gute Maßhaltigkeit beim Härten aus. | Assab Schweden |
| S136H | Vorgehärtet | HRC30-35 | Vorgehärtetes Material aus S136, keine weitere Wärmebehandlung erforderlich. | Assab Schweden |
| 2083(1.2083) | Nachhitzebehandelt | HRC50-54 empfohlen | Deutsche DIN-Norm, Abkürzung 1.2083, mit einem Chromgehalt von 12,5-14,5%, entspricht S136. Er besitzt eine gute Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit und Bearbeitbarkeit für Kunststoffformenstahl. | DIN Deutschland |
| 2083H | Vorgehärtet | Vorgehärtetes Material aus 2083. | DIN Deutschland | |
| 420 | Nachhitzebehandelt | HRC50-52 empfohlen | Mit einem Chromgehalt von 13,5% entspricht er der Sorte S136. Er hat eine gute Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit und Bearbeitbarkeit für Kunststoffformenstahl. | AISI USA |
| NAK80 | Vorgehärtet | HRC37-43 | Hinzugefügtes Ni-Al-Cu, gute Zerspanbarkeit und Funkenerosionsleistung, ausgezeichnete Schweißbarkeit, nach dem Gasnitrieren erreicht die Oberflächenhärte 750HV, wodurch eine extra lange Lebensdauer der Form erreicht wird. | Diado Japan |
| 8407 | Nachhitzebehandelt | HRC48-52 empfohlen | Enthält Cr-Mo-V-legierten Warmarbeitsstahl mit guter Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Duktilität, stabiler Bearbeitbarkeit und Polierbarkeit, ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit und thermischer Ermüdungsbeständigkeit, guter Härtbarkeit und minimaler Wärmebehandlungsverformung. | Assab Schweden |
| H13 | Nachhitzebehandelt | HRC50-54 empfohlen | Enthält Cr-Mo-V warmgefertigten legierten Formenstahl, der der Güteklasse 8407 entspricht. | AISI USA |
| SKD61 | Nachhitzebehandelt | HRC50-54 empfohlen | Enthält mittellegierten Si-Cr-Mo-V-Warmarbeitsstahl, der der Sorte 8407 entspricht. | Diado Japan |
| Wikinger | Nachhitzebehandelt | HRC52-54 | Gute Dimensionsstabilität bei der Wärmebehandlung; gute Bearbeitbarkeit und Schleifbeständigkeit; ausgezeichnete Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. | Assab Schweden |
| 2316（1.2316） | Nachhitzebehandelt | HRC32-36 | Enthält Cr-Ni-Mo-Formenstahl, einen hoch korrosionsbeständigen, hochglanzpolierten, vorgehärteten Kunststoffstahl mit guter Bearbeitbarkeit und Polierbarkeit. | DIN Deutschland |
Gängige Wärme- und Oberflächenbehandlungsverfahren für Formstahl
Zusätzlich zu den vorgehärteten Formenstählen müssen die meisten anderen Formenstähle in irgendeiner Form wärme- oder oberflächenbehandelt werden, um ihre Leistungsmerkmale wie Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Diese Behandlungen stellen sicher, dass die Form dem hohen Druck, der hohen Temperatur und der korrosiven Umgebung während des Spritzgießprozesses standhalten kann, insbesondere wenn die Form für die Herstellung großer Mengen von Produkten verwendet wird.
Wärmebehandlungsverfahren für Formstahl
Die primären Wärmebehandlungsmethoden für Formstahl umfassen Abschrecken (gefolgt von einem oder zwei Anlasszyklen zur Spannungsentlastung, wodurch eine hohe Gesamthärte bei gleichzeitiger Zähigkeit erreicht wird), und Anlassen (eine Kombination aus Abschrecken und Hochtemperaturanlassen, die zu einer besseren Gesamtfestigkeit und Zähigkeit führt, obwohl die Härte niedriger als beim Abschrecken ist). Allerdings wird das Anlassen nicht häufig für Spritzgießformen verwendet, da sie in der Regel keinen signifikanten Aufprallkräften ausgesetzt sind.
Nicht alle Formenstähle können abgeschreckt werden, und die erforderliche Härte nach dem Abschrecken variiert je nach Stahlsorte. Die ideale Abschreckhärte für verschiedene Stahlsorten ist in der obigen Tabelle angegeben. Die spezifischen Anforderungen hängen jedoch von der jeweiligen Anwendung und den Empfehlungen des Formstahllieferanten ab.
Oberflächenbehandlungsverfahren für Formstahl
Oberflächenbehandlungen bieten eine breite Palette von Optionen, darunter Galvanisieren, Nitrieren, Aufkohlen, Carbonitrieren, PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung), CVD (Chemische Gasphasenabscheidung), und lokalisiertes Laserhärten. Unter diesen ist das Nitrieren am häufigsten verwendet.
Was ist Nitrieren?
Nitrieren ist eine Oberflächenbehandlung, bei der Stickstoffatome oder -ionen in die Oberflächenschicht des Metalls eingebracht werden und Nitride bilden. Dies verbessert die Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials. Elemente wie Aluminium, Chrom, Vanadium und Molybdän tragen zur Bildung stabiler und gleichmäßiger Nitride bei. Daher enthalten für das Nitrieren geeignete Stähle typischerweise diese Elemente.
Härte und Tiefe der Nitrierung
Die Härte der Nitrierschicht erreicht in der Regel über 400 HV, wobei die Tiefe in der Regel nicht mehr als 0,5 mm beträgt, da ein tieferes Eindringen immer schwieriger wird.
Ein P20-Stahl, der bei einer Temperatur von 510°C 80 Stunden lang nitriert wird, ergibt bei einer Ammoniak-Dissoziationsrate von 30-40% eine Nitriertiefe von 0,3-0,5 mm und eine Oberflächenhärte von 650-700 HV.
Im Gegensatz dazu kann H13-Stahl nach dem Abschrecken und zweimaligem Anlassen mit anschließendem Oberflächennitrieren eine Oberflächenhärte von etwa 1000 HV mit einer Nitrierschichttiefe von etwa 0,24 mm erreichen. Diese hohe Härte wird jedoch eher für Aluminium-Extrusionsformen verwendet und kommt bei Spritzgussformen seltener zum Einsatz.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl des richtigen Werkzeugstahls entscheidend für eine qualitativ hochwertige, langlebige und kosteneffiziente Produktion in der Kunststoffspritzgussindustrie ist. Das Wissen um die Eigenschaften, Anwendungen und gebräuchlichen Arten von Formstahl ermöglicht es den Herstellern, fundierte Entscheidungen zu treffen, die ihren spezifischen Bedürfnissen entsprechen und die Gesamteffizienz der Produktion verbessern.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie wächst auch die Palette der verfügbaren Formenstähle, die noch mehr Präzision und Langlebigkeit für künftige Fertigungsaufgaben versprechen.
