DE112007003026B4 - Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs,
dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
Ausbilden eines Substrats durch Härten eines Stahlmaterials, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält, und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 1,0 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger Vanadium und 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger Wolfram, und anschließendes Tempern des Stahlmaterials bei einer Temperatur von 400°C oder höher und 650°C oder niedriger;
Ausbilden einer Oberflächenschicht, zusammengesetzt aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung, auf der Oberfläche des Substrats; und
Erwärmen der Oberflächenschicht, wodurch die Oberflächenschicht ein eutektisches Gefüge, zusammengesetzt aus Ni und Ni3P, erhält.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs, welches eine Präzisionsbearbeitung erfordert, und insbesondere ein Herstellungsverfahren, bei dem das Werkzeug seine Form mit hoher Präzision beibehält.
  • Stand der Technik
  • Auf dem Gebiet der Kunststoff-Formung haben sich Techniken für die genaue Bearbeitung von Formwerkzeugen etabliert. Unter Verwendung derartiger Techniken werden optische Vorrichtungen mit feinen Formen so wie etwa Defraktions-Gitter in der Massenproduktion gefertigt. Diese Werkzeuge werden durch Beschichtung der Oberflächen eines Edelstahl-Substrats mit einer chemischen Nickel-Phosphor-Plattierung, gefolgt von einer präzisen Bearbeitung der plattierten Schicht mit einem Diamant-Schleifer (diamond bite) hergestellt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wenn diese Werkzeuge jedoch für das Glasgießen verwendet werden, kann die Nickel-Phosphor-Schicht, die durch chemische Plattierung ausgebildet wurde, Risse bekommen. Dieses Phänomen ist der Gießtemperatur zuzuschreiben. Insbesondere liegt die Nickel-Phosphor-Schicht nach der Plattierung in einem amorphen Zustand vor und wird dann kristallisiert, wenn sie auf 270°C oder höher aufgeheizt wird. Zu diesem Zeitpunkt unterliegt die plattierte Schicht einer Volumen-Schrumpfung und Risse bilden sich aufgrund von Zugbelastungen aus.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. JP 11157852 A ein Substrat mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 10 × 10–6 bis 16 × 10–6 K–1 einer Plattierung, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 400 bis 500°C, unterzogen. Obwohl das Substrat einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der gleich dem der Nickel-Phosphor-Plattierungsschicht ist, tritt die mit der Kristallisation verbundene Volumen-Schrumpfung während der Wärmebehandlung jedoch nur in der plattierten Schicht auf, was zu Rissen in der plattierten Schicht aufgrund einer großen Zugbelastung führen kann.
  • Zusätzlich bewirkt dann, wenn das Werkzeug während seiner Verwendung auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, das Werkzeug eine plastische Deformation, was zu einer Fehlfunktion bei der Beibehaltung der Form des Werkzeugs mit hoher Präzision führt.
  • Die vorliegende Erfindung ist dafür vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs zur Verfügung zu stellen. Gemäß dem Verfahren werden Rissbildungen in der Oberflächenschicht bei Gießtemperatur und eine plastische Deformation des Werkzeugs verhindert, wodurch das Werkzeug seine Form mit hoher Präzision beibehält und eine lange Lebensdauer aufweist.
  • Um die Probleme zu lösen und das oben beschriebene Ziel zu erreichen, weist das Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Aspekte auf.
  • Das Ausbilden eines Substrats durch Härten eines Stahlmaterials, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 0,1 Gew-% oder mehr sowie 5 Gew-% oder weniger Vanadium und 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger Wolfram, und anschließend Tempern des Stahlmaterials bei einer Temperatur von 400°C oder höher und 650°C oder niedriger; das Ausbilden einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung zusammengesetzt ist, auf der Oberfläche des Substrats; und Erwärmen der Oberflächenschicht, wodurch die Oberflächenschicht ein eutektisches Gefüge erhält, das aus Ni und Ni3P zusammengesetzt ist.
  • Das Ausbilden eines Substrats durch Härten eines Stahlmaterials, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält, und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 0,1 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger Vanadium und 1 Gew-% oder mehr sowie 7 Gew-% oder weniger Wolfram, und anschließend das Unterziehen des Stahlmaterials einer Behandlung unter Null; das Ausbilden einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung zusammengesetzt ist, auf der Oberfläche des Substrats; und das Erwärmen der Oberflächenschicht, wodurch die Oberflächenschicht ein eutektisches Gefüge erhält, das aus Ni und Ni3P zusammengesetzt ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Glas-Formwerkzeug wird durch den nachfolgend angegebenen Prozess hergestellt.
  • Das hierin verwendete Substrat ist ein Stahlmaterial, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält, und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 0,1 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger Vanadium sowie 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger Wolfram.
  • Das Substrat wird einer rauen Oberflächenbearbeitung (ST1) und anschließend einer Härte- und Hochtemperatur-Temperung (ST2) unterzogen. Danach wird das Substrat vor der Plattierung vorbehandelt (ST3) und anschließend einer chemischen Plattierung unterzogen, um eine Oberflächenschicht (plattierte Schicht) auszubilden, die aus einer Nickel-Phosphor-Legierung zusammengesetzt ist (ST4). Danach werden das Substrat und die Oberflächenschicht einer Wärmebehandlung (ST5), wodurch die Oberflächenschicht kristallisiert, und einem Tempern des Substrats unterzogen. Danach werden das Substrat und die Oberflächenschicht abschließend bearbeitet (ST6 bzw. ST7), und dann wird die Oberflächenschicht mit einem Trennfilm (release film) beschichtet (ST8).
  • Das im Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Substrat ist ein Stahlmaterial, das Molybdän, Vanadium oder Wolfram zur Verbesserung der Hochtemperatur-Härte enthält. Daher wird die Oberflächenschicht während der Hochtemperatur-Temperung nicht einreißen. Der Grund hierfür ist der, dass das Substrat direkt nach der Härtung eine große Menge an Restaustenit enthält, jedoch das Restaustenit durch Hochtemperatur-Temperung in Niederkohlenstoff-Martensit und Martensit umgewandelt wird.
  • Die Temperatur der Hochtemperatur-Temperung beträgt 400 bis 650°C oder niedriger. Wenn die Temperatur niedriger als 400°C ist, wird der Restaustenit nicht so effektiv reduziert und wenn die Temperatur höher als 650°C liegt, wird das Substrat deutlich erweicht. Die Hochtemperatur-Temperung kann durch eine Behandlung unter Null ersetzt werden. Die Behandlung unter Null ist ebenso für die Umwandlung von Restaustenit in Martensit effektiv.
  • Die Oberflächenschicht wird mit einer Nickel-Phosphor-Legierung wie etwa Ni-P, Ni-P-B, oder Ni-P-W ausgebildet. Diese Strukturen sind amorph oder teilweise amorph nach der Plattierung und werden in eine vollständig kristallisierte Mischstruktur umgewandelt, die nach der Erwärmung bei einer Temperatur von etwa 270°C oder höher aus Ni und Ni3P zusammengesetzt ist.
  • Die Temperatur der Wärmebehandlung ist größer als oder gleich der Arbeitstemperatur der Presse (insbesondere der Glas-Formtemperatur). Wenn die Wärmebehandlungstemperatur niedriger als die Arbeitstemperatur des Werkzeugs ist, kann die Dimension des Werkzeugs während seiner Verwendung variieren, was zu einer Störung der Dimensions-Genauigkeit des geformten Produkts führt. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur zu hoch ist, wird die plattierte Oberfläche beeinflusst. Daher ist die Obergrenze für die Wärmebehandlungs-Temperatur etwa 700°C.
  • Der Grund für die Verwendung von Stahlmaterial mit der oben beschriebenen Zusammensetzung als Substrat ist der Folgende. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger. Wenn der Kohlenstoffgehalt niedriger als 0,3 Gew-% ist, wird die Volumen-Schrumpfung des Substrats während der Temperung unzureichend. Auf der anderen Seite ist dann, wenn der Kohlenstoffgehalt größer als 2,7 Gew-% beträgt, die Volumen-Schrumpfung des Substrats ausreichend, jedoch die Zähigkeit des Substrats verschlechtert sich.
  • Der Chromgehalt beträgt 13 Gew-% oder weniger. Wenn der Chromgehalt größer als 13 Gew-% beträgt, wird das Restaustenit nur schlecht zersetzt. Die Untergrenze des Chromgehalts ist nicht besonders begrenzt.
  • Die Gehalte an Molybdän, Vanadium und Wolfram als Additive betragen 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger bzw. 0,1 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger bzw. 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger. Wenn die Menge an diesen Additiven zu gering ist, weist das Substrat eine unzureichende Hochtemperatur-Härte auf und kann unter Druck einer plastischen Deformation unterliegen. Die exzessive Zugabe der Additive führt zu einer Erhöhung der Kosten, so dass die Obergrenzen derart definiert wurden.
  • Substrate mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden einer chemischen Nickel-Phosphor-Plattierung unterzogen, um Werkzeuge auszubilden, die mit einer 100 μm dicken Beschichtung beschichtet waren. Diese Werkzeuge wurden einer Wärmebehandlung und Umformung unterzogen und dann wurde das Auftreten von Rissen während des Formens beobachtet und beobachtet, ob die Substrate während der Glas-Formung einer plastischen Deformation unterlagen. Tabelle 1 listet die Zusammensetzung der Substrate, die Temper-Temperatur, das Auftreten von Rissen und die Bewertung, ob die Substrate einer plastischen Deformation unterlagen auf. Die Probe 7 als Vergleichsbeispiel ist ein Kunststoff-Formwerkzeug, das einer konventionellen Wärmebehandlung unterzogen wurde. Die Formtemperatur betrug bei allen Proben 550°C. Tabelle 1 Zusammensetzung der Substrate, Tempertemperatur, Auftreten von Rissen und plastische Deformation
    Substrat Kohlenstoffgehalt Chrom-Gehalt Molybdän, Vanadium, Wolfram-Gehalt Tempern Auftreten von Rissen Plastische Deformation
    Probe 1 1,2 6,0 Kein Kein 0/5 deformiert
    Probe 2 1,2 6,0 Mo: 1,0, V: 1,0 Kein 3/6 Keine
    Probe 3 1,2 6,0 Mo: 1,0, V: 1,0 Kein 1/5 Keine
    Probe 4 1,2 6,0 Kein 580°C 5/5 deformiert
    Probe 5 1,2 6,0 Mo: 1,0, V: 1,0 580°C 0/5 Keine
    Probe 6 1,2 6,0 Mo: 1,0, V: 1,0 580°C 0/5 Keine
    Probe 7 0,3 14,0 V: 0,3 580°C 5/5 Keine
  • Wie aus den Resultaten in Tabelle 1 ersichtlich, bewirkten die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Werkzeuge (Proben 5 und 6) weder Risse noch eine plastische Deformation.
  • Wie oben bereits beschrieben, werden durch die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie eines Glas-Formwerkzeugs, hergestellt durch dieses Verfahren, eine Rissbildung an der Oberflächenschicht bei Gießtemperatur und eine plastische Deformation des Werkzeugs verhindert und das Werkzeug behält seine Form mit hoher Präzision bei und weist eine lange Lebensdauer auf.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können das Substrat und die Oberflächeschicht nach der abschließenden Bearbeitung des Substrats und der Oberflächenschicht einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Zusätzlich können verschiedenartige Modifikationen ohne abweichen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Rissbildung in der Oberflächenschicht eines Werkzeugs bei Gießtemperatur sowie eine plastische Deformation des Werkzeugs verhindert, wodurch das Werkzeug seine Form mit hoher Präzision beibehält und eine längere Lebensdauer aufweist.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: Ausbilden eines Substrats durch Härten eines Stahlmaterials, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält, und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 1,0 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger Vanadium und 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger Wolfram, und anschließendes Tempern des Stahlmaterials bei einer Temperatur von 400°C oder höher und 650°C oder niedriger; Ausbilden einer Oberflächenschicht, zusammengesetzt aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung, auf der Oberfläche des Substrats; und Erwärmen der Oberflächenschicht, wodurch die Oberflächenschicht ein eutektisches Gefüge, zusammengesetzt aus Ni und Ni3P, erhält.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch chemische Plattierung ausgebildet ist, welche Ni und P, Ni, P und B oder Ni, P und W enthält, und dass die Temperatur der Wärmebehandlung größer als oder gleich der Glas-Formtemperatur ist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: das Ausbilden eines Substrats durch Härten eines Stahlmaterials, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff sowie 13 Gew-% oder weniger Chrom enthält, und des Weiteren enthaltend zumindest ein Additiv, ausgewählt aus 0,5 Gew-% oder mehr und 3 Gew-% oder weniger Molybdän, 0,1 Gew-% oder mehr und 5 Gew-% oder weniger Vanadium und 1 Gew-% oder mehr und 7 Gew-% oder weniger Wolfram, und anschließend Unterziehen des Stahlmaterials einer Behandlung unter 0°C. Ausbilden einer Oberflächenschicht, zusammengesetzt aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung, auf der Oberfläche des Substrats; und Erwärmen der Oberflächenschicht, wodurch die Oberflächenschicht ein eutektisches Gefüge, zusammengesetzt aus Ni und Ni3P, erhält.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Formwerkzeugs gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch chemische Plattierung ausgebildet ist, die Ni und P, Ni, P und B oder Ni, P und W enthält, und dass die Temperatur der Wärmebehandlung größer als oder gleich der Glas-Formtemperatur ist.
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