DE112007003040T5 - Verfahren zur Herstellung einer Glas-Giessform - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren umfasst:
die Härtung eines Stahl-Basismaterials, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein Martensit-Gefüge aufweist;
die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; und
die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und um ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Ni und Ni3P umzuwandeln.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform, für die eine Präzisions-Bearbeitung erforderlich ist, und insbesondere ein Verfahren, das es ermöglicht, dass die Gießform ihre Form mit hoher Genauigkeit beibehält.
  • Stand der Technik
  • Präzisions-Bearbeitungs-Technologien für eine Gießform sind auf dem Gebiet des Kunststoffgießens und der Massenfertigung optischer Elemente mit einer feinen Form wie etwa von Diffraktions-Gittern schon realisiert worden. In diesem Fall wird die Gießform durch Behandeln der Oberfläche eines Basismaterials, das aus Edelstahl gefertigt wurde, mittels chemischer Nickel-Phosphor-Plattierung und durch präzise Bearbeitung der Oberflächenbeschichtung mit einem Diamantschleifer (diamond bite) hergestellt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wenn jedoch eine ähnliche Gießform für den Glasguss verwendet wird, besteht das Problem, dass Risse auf der chemischen Nickel-Phosphor-Oberflächenschicht erzeugt werden. Dieses Phänomen wird durch die Gießtemperatur bewirkt. Insbesondere beginnt, obwohl die Nickel-Phosphor-Oberflächenschicht eine amorphe Struktur im plattierten Zustand aufweist, diese die Kristallisation, wenn sie auf 270°C oder höher erhitzt wird, und zu diesem Zeitpunkt wird eine volumetrische Schrumpfung der Oberflächenschicht bewirkt, so dass eine Zugbelastung auf die Oberflächenschicht einwirkt, die die Risse erzeugt.
  • Um diesem Problem zu begegnen, wird ein Basismaterial, das einen thermischen Expansionskoeffizienten von 10 × 10–6 bis 16 × 10–6 (K–1) aufweist, und welches bei 400 bis 500°C plattiert und wärmebehandelt wird verwendet. Auch wenn jedoch der thermische Expansionskoeffizient des Basismaterials mit dem der Nickel-Phosphor-Oberflächenschicht übereinstimmt, schrumpft nur die Oberflächenschicht volumetrisch zusammen mit der Kristallisation bei der Wärmebehandlung, eine große Zugbelastung wirkt auf die Oberflächenschicht ein und es gibt daher den Fall, dass Risse erzeugt werden (siehe beispielsweise japanische Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 11-157872 ).
  • Im Hinblick hierauf ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform zur Verfügung zu stellen, das die Erzeugung von Rissen auf der Oberflächenschicht bei Gießtemperatur verhindert.
  • Um dieses oben benannte Problem zu lösen und somit das Ziel zu erreichen, weist ein Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß der vorliegenden Erfindung den folgenden Aufbau auf.
  • Die Härtung eines Stahl-Basismaterials, um ein Basismaterial zu erzeugen, das eine martensitische Struktur aufweist; die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; sowie die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Nickel und Ni3P umzuwandeln.
  • Die Härtung eines Stahl-Basismaterials durch Ausführung einer Behandlung unter Null, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein martensitisches Gefüge aufweist; die Abbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; sowie die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Nickel und Ni3P umzuwandeln.
  • Die Härtung eines Stahl-Basismaterials, dann durch Ausführen einer Behandlung unter Null, und des Weiteren durch Tempern, um ein Basismaterial mit einem Gefüge zu erzeugen, indem ε-Karbid in Martensit dispergiert ist; die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; sowie die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Nickel und Ni3P umzuwandeln.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Verfahrens zur Erzeugung einer Glas-Gießform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Verfahrens zur Erzeugung einer Glas-Gießform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Glas-Gießform wird in den nachfolgenden Schritten erzeugt.
  • In diesem Fall wird ein Stahl-Rohmaterial, das 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger Kohlenstoff und 13 Gew-% oder weniger Chrom aufweist, als Basismaterial verwendet.
  • Nachdem ein derartiges Basismaterial einer Aufrauungsbehandlung (ST1) unterzogen wurde, wird es gehärtet (ST2). Dann wird das gehärtete Basismaterial einem Vor-Plattierungsprozess (ST3) unterzogen und anschließend wird eine Oberflächenschicht (plattierte Schicht), die aus einer Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt wurde, auf der Oberfläche des Basismaterials durch chemische Plattierung (ST4) ausgebildet. Dann werden das Basismaterial und die Oberflächenschicht wärmebehandelt (ST5), um die Oberflächenschicht zu kristallisieren und ebenso das Gefüge des Basismaterials in ein Temper-Gefüge umzuwandeln. Dann werden die abschließende Bearbeitung des Basismaterials (ST6) und die abschließende Bearbeitung der Oberflächenschicht (ST7) ausgeführt und anschließend wird die Oberflächenschicht mit einem Trennfilm (releasing film) beschichtet (ST8).
  • In dieser Ausführungsform wird im Wärmebehandlungs-Prozess zur Kristallisation der Oberflächenschicht die Variation der Dimension des Basismaterials der Gießform nahe der Variation der Dimension der Oberflächenschicht eingestellt, um hierdurch die Zugbelastung, die auf die Oberflächenschicht einwirkt, auf ein niedriges Niveau zu begrenzen und hierdurch die Erzeugung von Rissen zu verhindern.
  • Hierbei wird der Prozess der Wärmebehandlung durch die Unterteilung des Prozesses in drei Stufen (erste bis dritte Stufe) erläutert. Tabelle 1 zeigt die Temperaturvariation, die strukturelle Variation und die Dimensionsvariation des Basismaterials in den ersten bis dritten Stufen. Tabelle 1 Effekte der Temperung von Kohlenstoffstahl: Veränderungen in Gefüge und der Länge
    Temperat. Bereich Gefüge-Variation Dimensions-Variation
    Erste Stufe 100~200°C Martensit → Niedrig-Kohlenstoffmartensit + ε-Karbid Schrumpfung
    Zweite Stufe 230~270°C Rest-Austenit → Bainit Expansion
    Dritte Stufe 270~430°C Nieder-Kohlenstoffmartensit → Ferrit + Zementit ε-Karbid → Zementit Schrumpfung
  • Insbesondere schrumpft das Volumen des Basismaterials mit der Variation des Gefüges in der ersten Stufe. Ebenso wird das Basismaterial in der zweiten Stufe expandiert. Da die Variation im Volumen in diesen ersten und zweiten Stufen sehr gering ist, wird kein Riss auf der Oberflächenschicht erzeugt.
  • In der dritten Stufe wird jedoch andererseits Zementit aus einem Nieder-Kohlenstoff-Martensit ausgeschieden, während das Basismaterial von etwa 270°C auf 430°C erhitzt wird, und das Gefüge des Muttermaterials wird zu Ferrit umgewandelt, was zu einer Schrumfung des Volumens führt. Zu diesem Zeitpunkt wird die amorphe Nickel-Phosphor-Legierungsschicht, die auf der Oberfläche der Gießform mittels chemischer Plattierung ausgebildet wurde, in ein eutektisches Gefüge aus Nickel und Ni3P umgewandelt, was dann zu einer Schrumpfung des Volumens führt, wenn die Gießform auf die Gießtemperatur des Glases erhitzt wird. Da eine derartige Volumen-Schrumpfung bei etwa 270°C beginnt, wird keine Zugbelastung erzeugt und kein Riss wird auf der Oberflächenschicht bewirkt.
  • Die Wärmebehandlungstemperatur wird so gestaltet, dass sie höher als die Arbeitstemperatur der Gießform ist. Wenn die Aufheiztemperatur niedriger als die Arbeitstemperatur ist, wird eine Dimensions-Variation bewirkt, die zu einer geringeren Dimensionsgenauigkeit des ausgeformten Gegenstands führt. Die Obergrenze für die Wärmebehandlungstemperatur ist vorzugsweise um etwa 30°C höher als die Arbeitstemperatur der Gießform. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur höher als erforderlich eingestellt wird, übt dieses einen gegenläufigen Effekt dahingehend aus, dass das Basismaterial erweicht wird.
  • In Bezug auf die Zusammensetzung des Basismaterials ist der Gehalt an Kohlenstoff vorzugsweise 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff weniger als 0,3 Gew-% beträgt, ist das Maß der Volumen-Schrumpfung des Basismaterials in der dritten Stufe der Temperung zu gering. Auf der anderen Seite ergibt ein 2,7 Gew-% übersteigender Gehalt an Kohlenstoff Anlass zu Funktionsstörungen wie etwa einer Reduzierung der Zähigkeit, obwohl die Volumen-Schrumpfung des Basismaterials ausreicht.
  • Ebenso beträgt der Gehalt an Chrom vorzugsweise 13 Gew-% oder weniger. Wenn der Gehalt an Chrom 13 Gew-% übersteigt, wird das Rest-Austenit in der zweiten Stufe bei 500°C oder höher zersetzt, was zu einem Missverhältnis der Volumen-Schrumpfung des Basismaterials und derjenigen der Nickel-Phosphor-Oberflächenschicht führt. In diesem Fall gibt es keine besondere Beschränkung für die Untergrenze des Gehalts an Chrom.
  • Es ist notwendig, dass das Basismaterial vor der Wärmebehandlung ein Martensit-Gefüge (oder eine Nieder-Kohlenstoff-Martensit + ε-Karbid) aufweist. Wenn der Martensit in Ferrit und Zementit zersetzt wird, tritt eine große Volumen-Schrumpfung ein. Das Basismaterial weist infolgedessen nach der Wärmebehandlung ein Troostit-Gefüge (Gefüge, bei dem Ferrit und Zementit sehr fein miteinander vermischt sind) oder ein Sorbit-Gefüge (gemischtes Gefüge aus Ferrit und Zementit, bei dem Zementit kornförmig ausgeschieden und gewachsen ist) auf.
  • Das Gefüge der Nickel-Phosphor- oder Nickel-Phosphor-Bor-Oberflächenschicht ist amorph oder teilweise in einem plattierten Zustand amorph und wird in eine vollständig kristallisierte gemischte Struktur aus Nickel und Ni3P umgewandelt, wenn es auf 270°C oder höher erhitzt wird. Die oben erwähnten metallographischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2 Gefüge des Basismaterials und der Oberflächenschicht vor und nach der Wärmebehandlung
    Vor Wärmebehandlung Nach Wärmebehandlung
    Basis-Material Martensit Martensit + ε-Karbid Troostit Sorbit
    Oberflächenschicht Amorphes Nickel Kristallines Nickel + Ni3P
  • Die Gießformen wurden durch Beschichtung von Basismaterial mit jeweils verschiedenen Zusammensetzungen mittels chemischer Nickel-Phosphor-Plattierung mit einer Dicke von 100 μm erzeugt, um die Anzahl von Rissen zu überprüfen, die während der Wärmebehandlung und des Formens erzeugt wurden. Die Beziehung zwischen der Zusammensetzung des Basismaterials, der Temperatur unter Null, der Temper-Temperatur sowie der Wärmebehandlungsbedingungen sowie des Verhältnisses der Erzeugung von Rissen ist in Tabelle 3 gezeigt. Die Formtemperaturen des Glases wurden alle auf 430°C eingestellt. Tabelle 3 Beziehung zwischen den Komponenten des Basismaterials und der Temper- und Wärmebehandlungsbedingungen sowie des Verhältnisses der Erzeugung von Rissen
    Basis-Material Kohlenstoffgehalt Chrom-Gehalt Temperatur unter Null Temper-Temperatur Wärmebehandlungs-Temper. Verhältnis d. Risser-Zeugung
    Probe 1 0,7 0,9 Keine Keine 450°C 0/5
    Probe 2 0,7 0,9 Keine 370°C 450°C 3/5
    Probe 3 1,2 1,0 –80°C Keine 450°C 0/5
    Probe 4 1,2 1,0 –80°C 250°C 450°C 0/5
    Probe 5 0,1 13,8 Keine Keine 450°C 5/5
    Probe 6 0,1 13,8 –80°C Keine 450°C 4/5
  • Wie oben bereits erwähnt, kann das Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß dieser Ausführungsform die Erzeugung von Rissen in der Oberflächenschicht während der Wärmebehandlung der Probe 1 verhindern und kann ebenso eine plastische Deformierung der Gießform verhindern, wodurch die Form der Gießform mit hoher Genauigkeit beibehalten wird.
  • In diesem Fall kann die Behandlung unter Null nach der Härtetemperatur ausgeführt werden, wie dies im Fall der Probe 3 gezeigt ist. In dem Basismaterial nach der Härtebehandlung vorliegender Rest-Austenit kann durch die Behandlung unter Null in Martensit umgewandelt werden. Dies ist der Grund dafür, warum die Volumen-Schrumpfung in der dritten Stufe aufgrund der Zersetzung des Martensits (Nieder-Kohlenstoff-Martensit) signifikanter auftritt.
  • Darüber hinaus kann, wie dies im Fall der Probe 4 gezeigt wird, die nachfolgende Temper-Behandlung bei 350°C oder weniger nach der Härtung und den Behandlungen unter Null ausgeführt werden. Wenn die Temper-Temperatur höher als 350°C ist, ist die Volumen-Schrumpfung des Basismaterials in der dritten Stufe unzureichend und es besteht der Fall, bei dem Risse auf der Oberflächenschicht erzeugt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung des Basismaterials und der Oberflächenschicht nach der abschließenden Bearbeitung des Basismaterials und der abschließenden Bearbeitung der Oberflächenschicht ausgeführt werden. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise ohne Abweichen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Erzeugung von Rissen auf der Oberflächenschicht bei Gießtemperatur verhindert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Stahl-Basismaterial wird gehärtet, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein Martensit-Gefüge aufweist, eine Oberflächenschicht aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung wird auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet und das Basismaterial wird wärmebehandelt, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und um ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Ni und Ni3P umzuwandeln. Dies verhindert die Erzeugung von Rissen in der Oberflächenschicht bei Gießtemperatur und verhindert die plastische Deformierung der Gießform, wodurch die Form der Gießform mit hoher Genauigkeit beibehalten wird.
  • 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
    • - JP 11-157872 [0004]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren umfasst: die Härtung eines Stahl-Basismaterials, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein Martensit-Gefüge aufweist; die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; und die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und um ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Ni und Ni3P umzuwandeln.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Basismaterial enthaltene Kohlenstoff 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger beträgt, und dass das im Basismaterial enthaltene Chrom 13 Gew-% oder weniger beträgt.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Gießform gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch chemische Plattierung ausgebildet ist und Nickel und Phosphor, Nickel, Phosphor und Bor oder Nickel, Phosphor und Wolfram enthält, und dass die Wärmebehandlung bei einer höheren Temperatur als die Arbeitstemperatur der Gießform ausgeführt wird.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 270°C oder höher ausgeführt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: die Härtung eines Stahl-Basismaterials, dann Ausführung einer Behandlung unter Null, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein Martensit-Gefüge aufweist; die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; und die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und um ebenso das Gefüge der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Ni oder Ni3P umzuwandeln.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Basismaterial enthaltene Kohlenstoff 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger beträgt, und dass das im Basismaterial enthaltene Chrom 13 Gew-% oder weniger beträgt.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch chemisches Plattieren ausgebildet ist und Nickel und Phosphor, Nickel, Phosphor und Bor oder Nickel, Phosphor und Wolfram enthält, und dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur höher als die Arbeitstemperatur der Gießform ausgeführt wird.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 270°C oder höher ausgeführt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren umfasst: die Härtung eines Stahl-Basismaterials, anschließend Ausführung einer Behandlung unter Null, und des Weiteren durch Tempern, um ein Basismaterial zu erzeugen, das ein Gefüge aufweist, in dem ε-Karbid in Martensit dispergiert ist; die Ausbildung einer Oberflächenschicht, die aus einer amorphen Nickel-Phosphor-Legierung gefertigt ist, auf einer Oberfläche des Basismaterials; und die Wärmebehandlung des Basismaterials, um das Gefüge des Basismaterials in ein Troostit-Gefüge oder ein Sorbit-Gefüge umzuwandeln, und um ebenso die Struktur der Oberflächenschicht in ein eutektisches Gefüge aus Ni und Ni3P umzuwandeln.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Basismaterial enthaltene Kohlenstoff 0,3 Gew-% oder mehr und 2,7 Gew-% oder weniger enthält, und dass das im Basismaterial enthaltene Chrom 13 Gew-% oder weniger beträgt.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temper-Temperatur des Basismaterials 350°C oder weniger beträgt.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch chemisches Plattieren ausgebildet ist und Nickel und Phosphor, Nickel, Phosphor und Bor oder Nickel, Phosphor und Wolfram enthält, und dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur ausgeführt wird, die höher als die Arbeitstemperatur der Gießform ist.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Glas-Gießform gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 270°C oder höher ausgeführt wird.
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