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Verwendung eines niedrig legierten Stahles als Werkstoff für Stahlformen
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines niedrig legierten Stahles als
Werkstoff für Stahlformen.
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Bei den bekannten Stahlformen aus niedrig legiertem Stahl, die insbesondere
als Spritzgießform für die Herstellung von Formgegenständen aus thermoplastischen
Kunststoffen mittels Spritzgießmaschinen dienen, wird der Formhohlraum durch Ausfräsen
aus dem vollen geschmiedeten Stahlblock und Nachformfräsen auf die Sollabmessungen
dieses Raumes sowie Polieren der Innenwand erhalten. Diese Herstellung des Formhohlraumes
beansprucht jedoch infolge der Härte des Formwerkstoffes und der Menge des aus diesem
Block herauszuarbeitenden Werkstoffes insbesondere bei Stahlformen mit großräumigem
Formhohlraum einen außerordentlich hohen Aufwand an Arbeitszeit und Material. Es
ist daher schon vorgeschlagen worden, den Formhohlraum der Stahlform durch Kalteinsenken
von Einsenkwerkzeugen in den Formwerkstoff mittels hydraulischer Pressen zu erzeugen.
Zwar werden hierdurch die Bearbeitungs-und Werkstoffkosten vermindert, indessen.
kann als Formwerkstoff nur ein verhältnismäßig weicher Stahl verwendet werden, durch
den die Festigkeit und der Verschleißwiderstand der Stahlform wesentlich vermindert
und deren Gebrauchsdauer herabgesetzt wird. Außerdem können auf diese Weise nur
flachräumige Stahlformen erhalten werden. Es ist weiterhin bekannt, Formen für Kunststoffe
und Gummi aus Gußeisen oder legierten Leichtmetallen durch Kokillen- oder Preßgießen
herzustellen und hierzu Kerne aus diesem Werkstoff zur Bildung des Formhohlraumes
zu verwenden, denen durch Fräsen und Polieren eine glatte Oberfläche und scharfe
sowie genaue Konturen gegeben werden. Jedoch haben auch diese Formen im Hinblick
auf die beim Spritzen von Kunststoffen auftretenden hohen mechanischen und chemischen
Beanspruchungen kein ausreichendes Dauerstandverhalten. -Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, für die zur Herstellung thermoplastischer Kunststoffgegenstände
dienenden Spritzgießformen einen Stahl zu verwenden, der den mechanischen und chemischen
Einflüssen des Kunststoffes auf die Dauer standhält und eine wirtschaftliche Fertigung
der Form ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein niedrig
legierter Stahl, bestehend aus 0,2 bis 0,5 0/a Kohlenstoff, 0,3 bis 0,4/o Silicium,
0,4 bis 0,7 % Mangan, 0,5 bis 1,5 % Chrom, 0,2 bis 0,6l)/o Molybdän, Rest Eisen
mit üblichen Verunreinigungen, als Werkstoff für die Stahlformen verwendet wird,
die durch Gießen in eine Sandform und darauffolgendes spanabhebendes Bearbeiten
der Hohlraumwand hergestellt und zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen
in Spritzgießmaschinen vorgesehen sind.
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Aus dieser Zusammensetzung des Stahles ergeben sich verschiedene Vorteile
bei der Anwendung des Stahles für Spritzgießformen zur Fertigung thermoplastischer
Spritzlinge. Der Stahlguß vorstehender Zusammensetzung ist in vorteilhafter Weise
gut vergießbar, so daß es nicht erforderlich ist, einen höher gekohlten oder höher
legierten Stahl zu wählen, der infolge größerer Härte schwerer bearbeitbar ist.
Andererseits reichen diese Legierungsbestandteile aus, um eine zur Formherstellung
für thermoplastische Kunststoffe verarbeitende Spritzgießmaschinen ausreichender
Härte gegenüber nichtlegierten Stählen zu erzielen. Weiterhin zeichnet sich der
Stahl mit der vorbezeichneten Zusammensetzung durch ein feines homogenes Gefüge
aus, das eine gute Polierfähigkeit gewährleistet. Ferner läßt sich dieser Stahl,
entsprechend dem gewünschten Verwendungszweck für Stahlformen, die durch Anwendung
hoher Einspritzdrücke auf Festigkeit höher beansprucht werden, auf Festigkeiten
zwischen 70 und 140 kg/mm2 vergüten. Diese Vorteile werden durch den vorgesehenen
Chrom- und Molybdängehalt erzielt. Dabei ist die Zusammensetzung des Stahles so
gewählt, daß die gegossenen Stahlformen sowohl ein Vergüten auf höhere Festigkeit
vor dem Fertigbearbeiten als auch bei Bedarf ein Härten nach dem Gravieren des Forminnenraumes
ermöglichen. Ferner gewährleistet die
Zusammensetzung des Stahles
nach der Erfindung eine weitgehende Maßbeständigkeit beim Härten, da die vorhandene
Menge des sich bildenden Restaustenits die Volumenvergrößerung durch die hauptsächlich
entstehende Menge des Martensits aufhebt. Andererseits gestattet die Zusammensetzung
des Stahles, die Stahlform im Bedarfsfall auch auf eine niedrigere Festigkeit zu
vergüten, hierauf ohne größeren Aufwand fertigzubearbeiten und sodann an der Oberfläche
verzugfrei induktions- oder brennzuhärten bzw. zu nitrieren. Hierdurch können örtlich
begrenzte oder ganzflächige Härtewerte von 52 bis 62 Re mittels Induktions- oder
Brennhärtung und bei nitrierten Oberflächen 450 bis 720 HV"- Einheiten erreicht
werden. Diese Behandlungsmöglichkeiten sind durch die angegebenen Chrom- und Molybdängehalte
erzielbar und ermöglichen eine weitgehende Anpassung der Festigkeit an die mechanische
Beanspruchung der Stahlform in der Spritzgießmaschine. Weiterhin gewährleisten die
Legierungsbestandteile des oben in seiner Zusammensetzung angegebenen Stahles durch
das Nitrierhärten eine erhöhte Beständigkeit des Stahles gegen aggressive Spaltprodukte
des Kunststoffes, die während des Spritzens frei werden. Ferner wird bei diesem
Stahl die Entstehung einer Dendritenstruktur weitgehend verhindert. Der Mangel dieser
Struktur ist darin zu sehen, daß zwischen den weitgehend verästelten und stark zerklüfteten
Grenzflächen aufweisenden Kristalliten mehr oder weniger große Hohlräume bzw. Lücken
entstehen, die beim Gravieren und Polieren des Formhohlraumes an der Hohlraumoberfläche
ausmünden und sich mit Kunststoff füllen. Bei längerer Wärmeeinwirkung zersetzt
sich dieser und bildet Einschlüsse in der Oberfläche des Spritzlings, wodurch dessen
Aussehen und bei geringen Querschnitten des Spritzlings auch dessen Festigkeit beeinträchtigt
wird. Schließlich kann der Stahl mit der beanspruchten Zusammensetzung besonders
rein, mit geringen Gasgehalt- und wenigen Schlackeneinschlüssen geschmolzen und
vergossen werden, so daß nach dem Fetiigpolieren des Formhohlraumes nur wenige Poren
feststellbar sind.
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Es sind bereits niedrig legierte Baustähle mit etwa der Zusammensetzung
des Stahles nach der Erfindung bekannt (vgl. Handbuch der Sönderstahlkunde von E.
H o u d r e m o n t; 1956). Aus der Tabelle auf S. 945 kann ein Stahl entnommen
werden, der dem erfindungsgemäß für die Stahlformen vorgesehenen Stahl am nächsten
kommt und folgende Zusammensetzung aufweist: 0,2811/o C, 0,35 11o Si, - 0,7011/o
Mn, 1,3011/o Cr, 0,3011/01VIo. Dieser Stahl wird vornehmlich zur Herstellung von
Rohren für die Erdölverarbeitung verwendet, da er infolge des Molybdän- und Chromgehaltes
eine größere Beständigkeit gegen höhere Temperaturen und chemische Angriffe korrosiver
Ölbestandteile aufweist. Der hohe Chromgehalt ist jedoch nachteilig für die Verwendung
dieses Stahles zur Herstellung von Stahlformen für thermoplastische Kunststoffe
verarbeitende Spritzgießmaschinen, weil er die Bildung von die Bearbeitung erschwerender
Karbide unterstützt und die Vergüt- und Härtbarkeit beeinträchtigt. Ferner wirkt
der höhere Chromgehalt ungünstig auf die Maßhaltigkeit beim Härten und begünstigt
die Bildung einer Dentritenstruktur des Stahles. Eine Anregung zur Anwendung dieser
Stähle für Stahlformen vermag der bekannte Anwendungsfall daher nicht zu vermitteln,
zumal die Verarbeitungstemperatur von Kunststoen unter 200° C liegen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellten Stahlform im Längsmittelschnitt schematisch dargestellt.
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Nach der Herstellung einer Sandform mittels eines mit den Schwindmaßen
des Stahles gefertigten Modells und Einhängen eines die Bearbeitungs- bzw. Werkstoffzugabe
1 berücksichtigenden Kernes für den Hohlraum 2 zwischen dem Außenteil 3 und dem
Kern wird die Stahlform gegossen. Dem geschmol= zenen Formstahl mit 0,2 bis 0,511/o
C, 0,3 bis 0,4% Si, 0,4 bis 0,711/o Mn werden 0,5 bis 1,5 01o Cr und 0,2 bis 0,61119
Mo als Legierungsstoffe zugesetzt. Nach dem Abkühlen der Stahlform wird die Werkstoffzu=
gabel durch spanabhebende Bearbeitung, z. B. durch Fräsen auf die Sollwerte der
Fertigform abgetragen. Hierauf wird in üblicher Weise die Hohlraumwand 5 bzw. der
Mantel 6 des auf die gleiche Weise hergestellten Innenteiles der Stahlform überschliffen
bzw. poliert und diese gegebenenfalls vergütet oder gehärtet und zur Erzielung einer
größeren Oberflächenhärte verchromt.