DE3830277C2 - Kalibrierwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierwerkzeug für die Kunst­ stoffverarbeitung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann­ ten Art.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher Kalibrierwerkzeuge.

Kalibrierwerkzeuge der hier in Rede stehenden Art dienen der Präzisionskalibrierung, und zwar sowohl der Innenkalibrierung als auch der Außenkalibrierung von Kunststofformstoffen mit ausgeprägter Längserstreckung, insbesondere der Präzisions­ kalibrierung extrudierter Profile. Eine solche Präzisionskali­ brierung extrudierter Kunststoffprofile, insbesondere Hohl­ profile, wird beispielsweise im Bereich des Kunststoffenster­ baus und Kunststofftürenbaus benötigt.

Solche Kalibrierwerkzeuge weisen Kalibrierflächen, meist Innen­ mantelflächen oder Außenmantelflächen, auf, über die das zu kalibrierende Werkstück einerseits mit der größten möglichen Geschwindigkeit gezogen werden soll, dabei andererseits aber nicht nur eine hochgenaue Kalibrierung, sondern auch eine hoch­ gradig glatte und unverletzte Oberfläche erhalten bzw. beibe­ halten soll. Eine Optimierung zwischen diesen beiden divergie­ renden Zielvorstellungen zu finden, gehört zur Routine des einschlägig arbeitenden Kunststofftechnikers.

Verständlich ist, daß unter derart hohen Grenzbelastungen die Kalibrierflächen der Kalibrierwerkzeuge einer hohen Abnutzung unterliegen, und zwar insbesondere dann, wenn glasfaserverstärk­ te Werkstoffe zu bearbeiten sind.

In der Praxis werden gebräuchlicherweise Kalibrierwerkzeuge aus Metall, insbesondere aus Messing, anderen Kupferlegierungen, Stahl oder Aluminiumlegierungen eingesetzt, deren Kalibrier­ flächen mit einer galvanisch aufgebrachten Hartverchromung ver­ edelt sind. Solche sog. Hartchromschichten weisen typischer­ weise Schichtdicken im Bereich um 50 µm auf.

Mit solchen Kalibrierwerkzeugen sind recht gute Laufgeschwin­ digkeiten für die durchsetzenden und zu kalibrierenden Werk­ stücke und durchaus sehr gute Oberflächeneigenschaften und eine sehr gute Maßhaltigkeit erzielbar. Dennoch ist die bislang mit diesen Kalibrierwerkzeugen erzielbare wirtschaftliche Kosten/ Nutzen-Bilanz nicht überzeugend: Die Standzeit der Kalibrier­ werkzeuge ist unter den starken verschleißerzeugenden Betriebs­ bedingungen nicht ausreichend lang genug, und trotz allem ist die Ziehgeschwindigkeit, das heißt die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück durch das Kalibrierwerkzeug läuft, noch nicht hoch genug.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierwerkzeug der vorstehend beschriebenen Art so zu ver­ bessern, daß es sowohl höhere Ziehgeschwindigkeiten erlaubt als auch bei diesen erhöhten Ziehgeschwindigkeiten eine längere Standzeit aufweist als die herkömmlich hartverchromten Werk­ zeuge gleicher Art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht also darin, bei einem Kali­ brierwerkzeug zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften der Kalibrierfläche auf diese eine mehrschichtige Kombinationsver­ edelungsschicht aufzubringen, die als wesentlichen Bestandteil eine aus zwei separat aufgebrachten Schichten bestehende Doppel­ schicht aus einer homogen dispergierte Feststoffteilchen ent­ haltenden chemisch aufgebrachten Nickelschicht, hier kurz als "Dispersionsschicht" bezeichnet, und einer ebenfalls chemisch, also fremdstromlos und nicht galvanisch aufgebrachten Nickel­ schicht besteht. Von den zur Herstellung der Veredelung auf der Kalibrierfläche eingesetzten Verfahren und Verfahrenspara­ meter sowie der bestimmungsgemäß beabsichtigten speziellen Ver­ wendung der Kalibrierwerkzeuge hängt es ab, ob die Nickel­ schicht auf oder unter der Dispersionsschicht angebracht wird. Dabei beziehen sich die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung der Erfindung und der Ansprüche verwendeten Bezeichnungen "auf" bzw. "unter" zur Angabe der Schichtenfolge auf eine Be­ trachtungsrichtung von der Werkzeugsubstratoberfläche in Richtung zur Deckschicht der mehrschichtigen Oberflächenveredelung. Auf der Substratoberfläche liegen also die Zwischenschichten und auf diesen die Deckschicht.

Die in der Dispersionsschicht dispergierten, meist extrem harten Feststoffteilchen dienen der Verfestigung und Härtung der chemisch abgeschiedenen Nickelschicht, in der sie disper­ giert sind. Diese Feststoffteilchen haben üblicherweise eine Korngröße im Bereich von 0,1 bis 10 µm, häufiger im Bereich von 0,3 bis 5 µm und vorzugsweise im Bereich um 1 bis 3 µm.

Selbst bei sorgfältiger Dispersion der Feststoffteilchen in der Nickelmatrix und bei einer Schichtdicke, die um eine Größen­ ordnung größer als der mittlere Korndurchmesser der dispergier­ ten Teilchen ist, läßt sich nie ganz vermeiden, daß die Ober­ flächen solcher Dispersionsschichten zumindest einseitig eine minimale Restrauhigkeit aufweisen, die durch eine oberflächen­ nahe Schicht der dispergierten Teilchen erzeugt wird. Über­ raschenderweise hat sich nun gezeigt, daß diese mikroskopische Rauhigkeit dafür verantwortlich ist, daß die an und für sich in günstiger Weise sehr harten chemisch aufgebrachten Nickel­ dispersionsschichten für eine Verwendung zur Veredelung der Kali­ brieroberflächen von Kalibrierwerkzeugen der hier in Rede stehen­ den Art unbrauchbar waren, und zwar sowohl im Hinblick auf die erzielbaren Ziehgeschwindigkeiten, als auch im Hinblick auf die beim Ziehen erhaltenen Oberflächen, als auch vor allem im Hin­ blick auf die Standzeit der so bearbeiteten Kalibrierflächen. Durch die Erfindung werden diese Probleme beseitigt und wird eine hochgradig verschleißfeste und hochgradig oberflächen­ glatte verstärkte chemisch aufgebrachte Nickelkombinations­ schicht zur Verfügung gestellt, die die an die Kalibrierflächen von Kalibrierwerk zeugen gestellten Anforderungen sowohl im Hin­ blick auf die Oberflächengüte als auch im Hinblick auf die Standzeit bei hohen Durchlaufgeschwindigkeiten der Werkstücke optimal erfüllt.

Je nach Art der Aufbringung der Dispersionsschicht kann die Nickelschicht dabei auf oder auch unter der Dispersionsschicht aufgebracht sein. Bei Verwendung an sich bekannter und ge­ bräuchlicher Verfahren zum fremdstromlosen chemischen Auf­ bringen der Dispersionsschicht auf die Substratoberfläche ist die Nickelschicht vorzugsweise als abschließende Deckschicht auf der Dispersionsschicht, diese glättend, angeordnet. Dabei ist die Nickelschicht typischerweise deutlich dünner als die Dispersionsschicht, vorzugsweise um den Faktor 3 bis 10 dünner als diese. Im einzelnen wird sich eine Optimierung der Schicht­ dicken auch nach der mittleren Korngröße der in der Dispersions­ schicht dispergierten Feststoffteilchen richten. Prinzipiell ist die Nickelschicht so dünn wie möglich zu halten, dabei je­ doch mindestens so dick auszubilden, daß sie auf der mikrosko­ pisch oder submikroskopisch rauhen Oberfläche der Dispersions­ schicht eine geschlossene hochglatte Oberfläche bildet.

Auf diese Weise werden bereits ungewöhnlich haltbare und stand­ feste Oberflächenveredelungen für die Kalibrierflächen von Ka­ librierwerkzeugen für die Kunststoffverarbeitung erhalten, wenn die in üblicher Weise vorbehandelte Präzisions-Kalibrierfläche zunächst durch chemisches Abscheiden mit einer Nickeldisper­ sionsschicht beschichtet wird, die eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 µm haben sollte, und anschließend auf dieser chemisch eine reine Mittelschicht aufgebracht wird, die eine Schichtdicke im Bereich weniger Mikrometer aufweist.

Zur Verfeinerung dieser Grundstruktur einer Kalibrierflächen­ veredelung und zur Erfüllung spezifischer Anforderungen, bei­ spielsweise hinsichtlich der erzielbaren Ziehgeschwindigkeiten oder hinsichtlich der Oberflächengüte der durch das Kalibrier­ werkzeug gelaufenen Werkstücke, kann diese Grundstruktur der Veredelungsfläche durch unter legte oder darübergelegte Schichten in ihren Eigenschaften verändert werden. So erweist es sich insbe­ sondere für die Herstellung von Fensterprofilen, vor allem PVC- Profilen, an die besonders hohe Anforderungen an die optische Qualität der kalibrierten Werkstückoberflächen gestellt werden, als sinnvoll, die Doppelschicht aus der Dispersionsschicht und der Nickelschicht mit einer vergleichsweise dünnen galvanischen Chromschicht zu überziehen. Eine solche galvanisch aufgebrachte Hartchromschicht braucht dann nur noch wenige Mikrometer dick zu sein, weist also nur Bruchteile der Schichtdicke auf, die die herkömmlichen rein durch Hartverchromung veredelten Kali­ brierflächenbeschichtungen erfordern. Dennoch zeigen diese auf der Dispersions/Nickel-Doppelschicht aufgebrachten dünnen galvanischen Hartchromschichten bei erhöhten Ziehgeschwindig­ keiten Standzeiten, die den herkömmlich durch Hartverchromung veredelten Kalibrierflächenstandzeiten weit überlegen sind.

Vor allem im Rahmen solcher Dreischichtenkombinationen für die Kalibrierflächen von Kalibrierwerkzeugen hat sich gezeigt, daß die Dispersionsschicht vorzugsweise drei- bis achtmal, ins­ besondere fünf- bis sechsmal so dick wie die auf dieser auf­ gebrachte Nickelschicht ist.

Die zum Füllen der Nickelschicht, d. h. zur Bildung der Dis­ persionsschicht verwendeten Feststoffteilchen bestehen vorzugs­ weise aus einem Werkstoff, der so hart wie möglich ist, insbe­ sondere aus Siliciumcarbid oder Diamant.

Alle chemisch, d. h. fremdstromlos auf dem Substrat aufgebrach­ ten Veredelungsschichten werden vorzugsweise in an sich bekann­ ter und gebräuchlicher Weise gehärtet. Diese Härtung kann so­ wohl schichtweise als auch für alle chemisch aufgebrachten Schichten gemeinsam in einem Arbeitsgang erfolgen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Beispiel

Ein aus Messing gefertigter Körper eines Vakuumkalibrier­ werkzeugs mit ringförmiger präzisionsbearbeiteter Kalibrier­ fläche wird in üblicher Weise sorgfältig entfettet und für die chemische Oberflächenbehandlung gereinigt.

Das so vorbereitete Werkstück wird dann in ein Nickelbad eingebracht, das eine Dispersion von Siliciumcarbidteil­ chen in homogener Verteilung enthält. Auf der Werkstück­ oberfläche wird aus diesem Bad chemisch eine Nickelschicht abgeschieden, die ungefähr 20 Vol.-% Silicium­ carbidteilchen mit einer mittleren Korngröße von ungefähr 2 µm in homogener Verteilung enthält. Die Dicke dieser Dispersionsschicht wird auf einen Wert im Bereich von ca. 25 bis 30 µm eingestellt.

Die so hergestellte Dispersionsschicht wird anschließend in üblicher Weise gehärtet, d. h. einer ausgleichenden Wärmebehandlung unterzogen. Die Härtung erfolgt drei Stunden bei 300°C.

Anschließend wird auf die so hergestellte Dispersionsschicht aus einem reinen Nickelbad in üblicher Weise chemisch und fremdstromlos eine Nickelschicht angebracht. Die Dicke dieser Nickelschicht wird auf maximal 5 µm eingestellt. Auch diese Schicht wird anschließend durch Wärmebehandlung gehärtet, und zwar drei Stunden bei ca. 400°C.

Auf die so hergestellte Doppelschicht aus der Dispersions­ schicht und der Nickelschicht wird dann in einer dritten Verfahrensstufe galvanisch eine Hartchromschicht als Deck­ schicht aufgebracht. Die Hartchromschicht wird auf eine Schichtdicke von 5 µm eingestellt.

Zu Vergleichszwecken wird ein gleicher Kalibrierwerkzeug­ körper nach identischer Vorbehandlung mit einer 50 µm dicken Hartchromschicht veredelt.

Die beiden so hergestellten Kalibrierwerkzeuge unterscheiden sich also bei zumindest im wesentlichen gleicher Gesamt­ schichtdicke dadurch, daß bei dem Kalibrierwerkzeug gemäß der Erfindung auf der Kalibrierfläche unter einer extrem dünnen galvanischen Hartchromschicht eine Dispersions/ Nickel-Doppelschicht angeordnet ist, während bei dem Vergleichswerkzeug die Kalibrierflächenveredelung aus­ schließlich eine galvanische Hartchromschicht in üblicher Dicke ist.

Vergleichsmessungen an beiden Kalibrierwerkzeugen auf ein und derselben Straße zum Ziehen von PVC-Profilen für die Fensterrahmenherstellung zeigen, daß das Kalibrierwerk­ zeug gemäß der Erfindung eine um den Faktor 4 längere Stand­ zeit aufweist, und zwar gemessen bei verdoppelter Ziehge­ schwindigkeit, d. h. bei einer verdoppelten Geschwindigkeit, mit der das zu kalibrierende Profil durch das Kalibrier­ werkzeug geführt wird. Dabei war bei dem nur mit der Hart­ chromveredelung versehenen Kalibrierwerkzeug eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit nicht möglich, wenn eine Riefen­ bildung auf der Werkstückoberfläche vermieden werden sollte.

Im Ergebnis zeigt dieser Versuch, daß also bei dem Kalibrier­ werkzeug gemäß der Erfindung die Kombination einer dünnen Hartchrom-Deckschicht mit einer Doppelschicht aus einer dünn aufgebrachten chemisch niedergeschlagenen Nickelschicht mit einer stärkeren verschleißtragenden chemisch aufgebrachten Nickeldispersionsschicht überraschenderweise Standzeiten des Werkzeugs und Oberflächenpräzisionen, die sich direkt in höheren realisierbaren Ziehgeschwindigkeiten nieder­ schlagen, ermöglicht weil sie bislang mit den herkömmlich und gebräuchlich oberflächenveredelten Kalibrierwerkzeugflächen nicht erzielbar waren.

Claims (10)

1. Kalibrierwerkzeug für die Kunststoffverarbeitung mit ei­ ner unter Verwendung von Metallen mehrschichtig oberflä­ chenveredelten Kalibrierfläche, gekennzeichnet durch die Kombination einer chemisch aufgebrachten Nickel­ schicht mit einer Dispersionsschicht, die aus einer dispergierte Feststoffteilchen enthaltenden chemisch auf­ gebrachten Nickelschicht besteht, als Veredelungsschicht für die Kalibrierfläche.

2. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht auf der Dispersionsschicht angeord­ net ist.

3. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsschicht dicker als die Nickelschicht ist.

4. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsschicht drei- bis achtmal, insbeson­ dere fünf- bis sechsmal so dick wie die Nickelschicht ist.

5. Kalibrierwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine oder mehrere zusätzliche Veredelungsschichten in be­ liebiger Reihenfolge.

6. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Veredelungsschicht eine galvanisch aufgebrachte harte Metallschicht, insbesondere Chrom­ schicht ist, die als Deckschicht auf der Kombination der Nickelschicht mit der Dispersionsschicht aufgebracht ist.

7. Kalibrierwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Veredelungsschicht kleiner als 80 µm ist.

8. Kalibrierwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dispersionsschicht dispergierten Fest­ stoffteilchen Siliciumcarbidpartikel mit einer Korngröße im Bereich von 0,3 bis 5 µm oder Diamantpartikel im glei­ chen Korngrößenbereich sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kalibrierwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine in üblicher Weise vorbereitete Kalibrierflä­ che eine Nickelschicht chemisch aufgebracht wird, in der harte Feststoffpartikel mit einer Körnung im Mikrometer­ bereich homogen dispergiert sind, daß dann auf die Ober­ fläche dieser Dispersionsschicht eine keine Feststoffpar­ tikel enthaltende Nickelschicht chemisch aufgebracht wird, und daß schließlich auf diese Nickelschicht galva­ nisch eine Chromschicht als Deckschicht aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch niedergeschlagenen Schichten vor dem Aufbringen der galvanischen Hartmetallschicht einzeln nacheinander oder gemeinsam in einer Verfahrensstufe in üblicher Weise gehärtet werden.