DE102008035436A1

DE102008035436A1 - Beschichtete Vorkammerbuchse und Heißkanaldüse

Info

Publication number: DE102008035436A1
Application number: DE102008035436A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Barz
Original assignee: SCHMELZMETALL AG
Current assignee: SCHMELZMETALL AG
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: DE102008035436B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerbuchse (1) aus einem hochwärmeleitfähigen Cu-Material (2) für Spritzgießwerkzeuge, insbesondere Heißkanalsysteme, die an mechanisch belasteten Stellen im Bereich einer Durchtrittsöffnung (3) eine Materialschicht (4) aufweist, die den thermischen und/oder meachnischen Belastungen widersteht. Um eine ohne Qualitätsverlust einfacher herstellbare Vorkammerbuchse anzugeben, schlägt die Erfindung vor, dass die Materialschicht (4) sowohl im vorderen, konturbildenden Bereich (5) als auch im Angusskanal (6) als auch im dahiner liegenden Bereich (7) auf dem Cu-Material vorgesehen ist, sie mittels galvanischer Abscheidung abgeschieden ist und keramische Partikel enthält. Die Erfindung betrifft daneben auch eine Heißkanaldüse und ein System aus Vorkammerbuchse und Heißkanaldüse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerbuchse aus einem hochwärmeleitfähigen Cu-Material für Spritzgießwerkzeuge, insbesondere Heißkanalsysteme, die an mechanisch belasteten Stellen im Bereich einer Durchtrittsöffnung eine Materialschicht aufweist, die den thermischen und/oder mechanischen Belastungen widersteht. Sie betrifft weiterhin eine Heißkanaldüse, die ebenfalls an mechanisch belasteten Stellen, mindestens im Bereich einer Düsenöffnung, eine solche Materialschicht aufweist, sowie ein System aus einer solchen Vorkammerbuchse und einer solchen Heißkanaldüse.
Vorkammerbuchsen werden beim Heißkanal-Kunststoffspritzguß eingesetzt, bei dem heiße, fließfähige und gegebenenfalls abrasive Kunststoffschmelzen bei einer Temperatur von beispielsweise 300°C unter hohem Druck von mitunter über 1.000 bar verarbeitet werden. Die Vorkammerbuchse begrenzt in der Regel einen Vorraum zwischen einer, die fließfähige heiße Kunststoffschmelze injizierenden Heißkanaldüse und einem trennbaren Werkzeugblock mit einer kühlbaren Formkavität. Die Vorkammerbuchse nimmt den Düsenkörper auf und stellt über eine in ihr befindliche Übertrittsöffnung die Verbindung zwischen der Düse und der Formkavität des Werkzeugs her. Um genaueste Materialdosierung auch bei rascher Schussfolge zu gewährleisten, werden Heißkanaldüsen oftmals als Nadelverschlussdüsen ausgebildet, bei denen eine im allgemeinen konische Spitze einer meist kolbenbetriebenen Nadel dazu dient, eine Angussöffnung periodisch zu öffnen und zu schließen, wobei die Nadel zur Anlage an die Vorkammerbuchse gelangt. Hierbei ist eine präzise Abdichtung in der Schließstellung ebenso notwendig, wie eine exakte Nadelführung. Besonders wichtig ist eine exakte Temperaturführung im Bereich von Übertrittsöffnung und Düsenspitze oder Verschlußnadel, da einerseits die Temperatur der Düsenspitze ausreichend hoch sein muß, um die Schmelze noch fließfähig zu halten und zum anderen die der Kavität zugewandte Seite der Vorkammerbuchse so kalt sein muß, dass sich der eingespritzte Kunststoff daran abkühlen kann.
Eine Vorkammerbuchse ist demnach hoher mechanischer Belastung ausgesetzt, da bei jedem Einspritzvorgang entweder die Nadel einer Nadelverschlussdüse oder die Düsenspitze einer Heißkanaldüse zur Anlage gelangt. Weitere mechanische Belastungen resultieren aus den zu Kavitationen führenden hohen Einspritzgeschwindigkeiten der Kunststoffschmelzen und der Abrasion bei Verarbeitung beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoffe.
Es wird daher seit langem versucht, die mechanische Widerstandsfähigkeit der Vorkammerbuchsen unter Beibehaltung oder sogar Verbesserung ihrer thermischen Eigenschaften zu erhöhen. Aus der DE 20 2007 006 060 ist eine Vorkammerbuchse bekannt, die einen Grundkörper aus hochwärmeleitfähigem Material wie Cu oder einer Cu-Legierung aufweist und die im Bereich der Durchtrittsöffnung eine mittels Laserauftragsschweißens konturnah aufgebrachte Materialschicht aus mechanisch widerstandsfähigem Material wie einem Hartstoff, Stahl, Stellite oder einer Nickelbasislegierung aufweist. Die Durchtrittsöffnung ist dabei in das widerstandsfähige Material eingebracht, das blockartig im gesamten näheren Bereich um die Durchtrittsöffnung vorgesehen ist. Obwohl aufgrund des Aufbringungsverfahrens fest mit dem Grundkörper verbundene Hartstoffschichten vorteilhaft sind, sind die in diesem Stand der Technik offenbarte Herstellung des Materialblocks und dessen nachträgliche mechanische Bearbeitung nicht einfach und erfordern ein hohes Maß an technischen Fertigkeiten und Ausrüstungen.
Bei Vorkammerbuchsen ist es ebenfalls üblich, den Bereich der vorderen, der Kavität zugewandten Konturfläche mit einer harten Chemisch-Nickeloder einer DLC(diamond-like carbon)-Schicht zu versehen. Nachteilig an dieser Art der Beschichtung ist, dass sie nur Teile des mechanisch belasteten Bereich der Vorkammerbuchse schützt, so dass derartige Vorkammerbuchsen spätestens nach vier bis fünf Monaten Betriebszeit ausgetauscht werden müssen. Nachteilig ist weiterhin, dass Chemisch-Nickel-Bäder früh verbraucht und komplett neu angesetzt werden müssen. Darüber hinaus ist die Abscheidegeschwindigkeit von Chemisch-Nickel nicht sonderlich hoch. Auf der anderen Seite sind Chemisch-Nickel-Schichten überall auf der Oberfläche gleichmäßig dick verteilt, so dass eine konstante Maßhaltigkeit gegeben ist und weder ein Kantenaufbau noch eine Einebnung von Erodier/Ätzstrukturen erfolgen.
Heißkanaldüsen sind in der Regel ebenfalls aus einem Material mit guten thermischen Wärmeleiffähigkeiten hergestellt, um die Schmelze möglichst wenig abzukühlen. Derartige Heißkanaldüsen sind beispielsweise in der DE 10 2004 009 806 für eine Nadelverschlussdüse beschrieben. Diese Nadelverschlussdüse weist lediglich einen thermisch isolierenden Keramikring an ihrer Außenseite auf, um den Wärmehaushalt der Düse nicht zu beeinträchtigen. Es ist auch bekannt, im Bereich der Düsenöffnung eine eingepresste Buchse aus einem harten und mechanisch widerstandsfähigem Material vorzusehen. Die US 6,609,902 beschreibt eine solche Düse, deren Düsenspitze aus Werkzeugstahl besteht.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine einfach herstellbare Vorkammerbuchse anzugeben, die eine mechanisch widerstandsfähige Materialschicht im gesamten näheren Bereich um die Durchtrittsöffnung aufweist. Sie stellt sich weiterhin die Aufgabe, eine entsprechende Heißkanal- oder Nadelverschlussdüse anzugeben.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorkammerbuchse wird dadurch gelöst, dass die Materialschicht sowohl im dem vorderen, konturbildenden Bereich der Vorkammerbuchse als auch im Angusskanal als auch im dahinter liegenden Bereich der Vorkammerbuchse auf dem Cu-Material vorgesehen ist, sie mittels galvanischer Abscheidung abgeschieden ist und keramische Partikel enthält.
Mit großem Vorteil ermöglicht die erfindungsgemäße Abscheideart eine räumlich gezielt gewählte Schichtstärke, die innerhalb des beschichteten Bauteils variierbar ist. Es sind besonders gleichmäßig aufgetragenen Schichten erhältlich, deren Dickenabweichungen lediglich 1–3% der Nenndicke der Schicht betragen. Dieser Vorteil überspielt ebenfalls den Nachteil, dass nur aufgrund der Verwendung von apparativ aufwendigen Hilfsanoden eine galvanische Abscheidung im Bereich des Angusskanals und des dahinter liegenden Bereichs der Vorkammerbuchse möglich ist. Mit großem Vorteil schlägt die Erfindung vor, keramische Partikel in der metallischen Matrix abzuscheiden, und so die Härte der abgeschiedenen Materialschicht zu erhöhen. Nur mit dem Nachteil eines komplizierter zusammengesetzten Galvanikelektrolyten vermag die Erfindung, die gesetzte Aufgabe trotz der aufgrund von Kantenaufbau und Strukturauffüllungen nachteiligen Aufbringungsart zu erreichen. Besonders wichtig ist der Erfindung die Beschichtung der Vorkammerbuchse im Bereich hinter dem Angusskanal, da dort aufgrund von höchsten Strömungsgeschwindigkeiten die größten mechanischen Belastungen auftreten, die zu einer Ausarbeitung des konischen Nadel- oder Düsensitzes führen, was seinerseits zu optisch sichtbaren Einspritzpunkten führt und damit zu hohen Ausschussraten bei später sichtbaren Spritzgussteilen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die keramischen Partikel eine Vickershärte von mindestens 1.000 H_v aufweisen und die Materialschicht neben Ni Co, Fe, P, seltene Erden und gegebenenfalls B aufweist. Hierdurch wird mit großem Vorteil sichergestellt, dass die galvanisch abgeschiedene Schicht den auftretenden mechanischen Belastungen widerstehen kann, wobei die genannten Elemente erfindungsgemäß in metallischer Form oder als Verbindungen abgeschieden sein können. Diese Elemente führen zu einer Legierung in der abgeschiedenen Schicht, deren Eigenschaften auf jeden Anwendungsfall der Vorkammerbuchse abstimmbar sind. Hierbei erhöht ein erhöhter Phosphorgehalt den Korrosionsschutz und führt zu einer weitgehend porenfreien Schicht. Co und Fe führen zu einer Erhöhung der Verschleiß- und Warmfestigkeit, seltene Erden und B über Boride zu einer höheren Verschleißfestigkeit und Härte und insbesondere einer höheren Korrosionsbeständigkeit.
Besonders widerstandsfähig ist eine erfindungsgemäß Vorkammerbuchse, wenn die Materialschicht ein Gewichtsanteil von 0,2 Gew.-% bis 90 Gew.-% keramische Partikel, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 60 Gew.-% hat. Die geringe Härte der galvanisch abgeschiedenen Metallmatrix wird durch die erfindungsgemäßen Keramikpartikel ausgeglichen. Als Keramikpartikel kommen insbesondere oxidische oder nicht-oxidische Keramiken in Betracht, wie beispielsweise Oxide, Nitride, Boride oder Carbide von Metallen oder Halbmetallen wie WC, TiC, TiB, Si₃N₄, Al₂O₃ oder TiN in Betracht. Um eine möglichst gute Verteilung der Hartstoffpartikel zu erhalten, werden erfindungsgemäß Partikel mit einer Körnung ≤ 1 μm, insbesondere zwischen 0,3 μm und 0,6 μm eingesetzt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialschicht eine Dicke im Bereich von 20 μm bis 230 μm aufweist, vorzugsweise im Bereich von 23 μm bis 100 μm und gegebenenfalls, dass die Materialschicht porenfrei ausgebildet ist. Derartige Dicken stellen mit Vorteil sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch die mechanische Nachbearbeitbarkeit sicher und führen noch nicht zu einer größeren Störung des Wärmehaushaltes der Vorkammerbuchse. Der Grad der Porenfreiheit ist bedeutsam für die mechanische Widerstandsfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit und kann erfindungsgemäß auch durch mechanische Nachbearbeitung wie Polieren oder dergleichen erhöht werden, falls erforderlich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schichtdicke im gesamten beschichteten Bereich überwiegend konstant ist. Erfindungsgemäß ist jedoch auch vorgesehen, dass die Schichtdicke im Bereich höchster mechanischer Belastung größer ausgebildet ist als im Bereich geringerer mechanischer Belastung.
Ist die frisch abgeschiedene Materialschicht wärmebehandelt, wie erfindungsgemäß vorgesehen ist, insbesondere für mehrere Stunden zwischen 280°C und 400°C, so ist mit großem Vorteil die Härte der Schicht erhöht.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Heißkanaldüse/Nadelverschlussdüse wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Materialschicht sowohl im Bereich der Düsenspitze, als auch im Düsenkanal angeordnet ist, sie mittels galvanischer Abscheidung abgeschieden ist und keramische Partikel enthält. Hinsichtlich der Vorteile der erfindungsgemäßen Auftragung und der keramischen Partikel wird auf die Ausführungen zur Vorkammerbuchse verwiesen. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Düsenkanal der Heißkanaldüse nicht nur im unmittelbaren Bereich um die Düsenspitze herum, sondern auch im Düsenkanal beschichtet ausgebildet ist. Obwohl in diesem Bereich aufgrund einer Durchmesservergrößerung des Düsenkanals geringere Strömungsgeschwindigkeiten vorherrschen und obwohl der Wärmehaushalt der Düse verändert wird, ist die erfindungsgemäß vorgesehene Materialschicht vorteilhaft, da sie die Standzeiten der Heißkanaldüse verlängert.
Mit besonderem Vorteil kann nur wegen des erfindungsgemäßen Auftrageverfahrens die Schichtdicke in diesen Bereichen geringer gewählt sein als im Bereich der Düsenöffnung. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sparsame Materialaufbringung bei gleichzeitiger Gewährleistung ausreichender Materialstärken ohne stärkere Beeinträchtigung des Wärmehaushalts der Heißkanaldüse.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorkammerbuchse,
2: eine Vergrößerung aus 1 im Bereich der Durchtrittsöffnung und
3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Heißkanaldüse.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorkammerbuchse 1. Gut zu erkennen ist der konturbildende Bereich 5 der Vorkammerbuchse 1, der einer Formkavität zugewandt ist. Dieser steht über eine Durchtrittsöffnung 3 mit dem hinteren Bereich 7 der Vorkammerbuchse 1 in Verbindung. Dieser hintere Bereich 7 weißt einen konischen Abschnitt 8 um die Durchtrittsöffnung 3 auf, die als Sitz für ein Nadelventil oder eine Heißkanaldüse dient. Dieser Bereich 7 ist besondere Belastung ausgesetzt, da dort die heiße Kunststoffschmelze aus der Düse austritt und auf die Wandung der Vorkammerbuchse 1 trifft. Entsprechend findet dort eine Ausarbeitung des Vorkammerbuchsenmaterials statt, was zu sichtbaren Fehlern im späteren Spritzgussteil führt.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1. Gut zu erkennen ist die galvanisch abgeschiedene Materialschicht 4 im konturbildenden Bereich 5, der Durchtrittsöffnung 3 und dem hinteren Bereich 7 der Vorkammerbuchse 1. In dieser Ausführungsform ist die Schichtdicke der Materialschicht 4 gleichmäßig ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, im hinteren Bereich 7 der Vorkammerbuchse 1 eine auch deutlich geringere Schichtdicke von beispielsweise nur 10 μm vorzusehen.
3 zeigt schließlich einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Heißkanaldüse 9, insbesondere einer Heißkanaldüse mit Nadelverschluß. Diese Heißkanaldüse besteht aus einer Cu-Legierung, insbesondere einer CuBe-Legierung mit guten Wärmeleiteigenschaften. Sie weist in ihrem inneren einen Düsenkanal 10 auf, dessen Querschnittsfläche sich zur Düsenspitze 11 hin verkleinert. Diese Verkleinerung erfolgt in diesem Beispiel stufenförmig. Die erfindungsgemäße Materialschicht 4 ist im Bereich der Düsenspitze 11 mit einer Dicke von ca. 60 μm ausgeführt. Im Bereich der ersten Querschnittsflächenerweiterung beträgt die Dicke der Materialschicht 4 erfindungsgemäß etwa 30 μm, im von der Düsenspitze 11 entfernteren, querschnittsflächengrößten Bereich etwa 10 μm. Diese Ausführungsform mit einer Materialschicht geringer Dicke stellt mit großem Vorteil einen Düsenkanal 10 zur Verfügung, der insgesamt mit einer widerstandsfähigen Schicht, jedoch materialsparend, ausgekleidet ist. Der äußere konische Bereich 12 um die Düsenöffnung 11 gelangt zur Anlage an die Vorkammerbuchse 1, insbesondere an einen von ihr gebildeten Ventilsitz. Die erfindungsgemäß vorgesehene Materialschicht 4 erhöht damit die Standzeit dieser Heißkanaldüse, da sie zu der an der Vorkammerbuchse vorgesehenen Schicht korrespondiert.
Die Vorteile der Erfindung verwirklichen sich insbesondere dann, wenn eine erfindungsgemäße Vorkammerbuchse und eine erfindungsgemäße Heißkanaldüse zusammenwirken.

1: Vorkammerbuchse
2: Cu-Material
3: Durchtrittsöffnung
4: Materialschicht
5: konturbildender Bereich
6: Angußkanal
7: hinterer Bereich
8: konischer Abschnitt
9: Heißkanaldüse (Nadelverschlußdüse)
10: Düsenkanal
11: Düsenspitze
12: konischer Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202007006060 [0004]
- DE 102004009806 [0006]
- US 6609902 [0006]

Claims

Vorkammerbuchse (1) aus einem hochwärmeleitfähigen Cu-Material (2) für Spritzgießwerkzeuge, insbesondere Heißkanalsysteme, die an mechanisch belasteten Stellen im Bereich einer Durchtrittsöffnung (3) eine Materialschicht (4) aufweist, die den thermischen und/oder mechanischen Belastungen widersteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) sowohl im vorderen, konturbildenden Bereich (5) als auch im Angusskanal (6) als auch im dahinter liegenden Bereich (7) auf dem Cu-Material vorgesehen ist, sie mittels galvanischer Abscheidung abgeschieden ist und keramische Partikel enthält.
Vorkammerbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel eine Vickershärte von mindestens 1.000 H_v, vorzugsweise 2300 H_v, aufweisen und die Materialschicht (4) neben Ni auch ein oder mehrere Elemente gewählt aus Co, Fe, P, seltene Erden und B aufweist.
Vorkammerbuchse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) keramische Partikel mit einem Gewichtsanteil von 0,2 Gew.-% bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 60 Gew.-% aufweist.
Vorkammerbuchse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) eine Dicke im Bereich von 20 μm bis 230 μm aufweist, vorzugsweise im Bereich von 23 μm bis 100 μm, und gegebenenfalls dass die Materialschicht (4) porenfrei ausgebildet ist.
Vorkammerbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die frisch abgeschiedene Materialschicht (4) wärmebehandelt ist, insbesondere für mehrere Stunden zwischen 280°C und 400°C.
Heißkanaldüse (9), insbesondere Nadelverschlussdüse aus einem hochwärmeleitfähigen Cu-Material (2) für Spritzgießmaschinen, insbesondere Heißkanalsysteme, die an mechanisch belasteten Stellen im Bereich eines Düsenkanals (10) eine Materialschicht (4) aufweist, die den thermischen und/oder mechanischen Belastungen widersteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) sowohl im Bereich der Düsenspitze (11), als auch im Düsenkanal (10) angeordnet ist, sie mittels galvanischer Abscheidung abgeschieden ist und keramische Partikel enthält.
Heißkanaldüse (9) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 ausgebildet ist.
Heißkanaldüse (9) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (4) im Bereich der Düsenspitze (11) und im angrenzenden Bereich des Düsenkanals (10) dicker als im von der Düsenspitze (11) entfernteren beschichteten Bereich ausgebildet ist.
System aus Vorkammerbuchse (1) und Heißkanaldüse (9) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.