EP0721995B1 - Verwendung einer Eisenbasislegierung für Kunststofformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer chromhältigen, martensitischen Eisenbasislegierung für Kunststofformen.

Für die Herstellung von korrosionsbeständigen Kunststofformen zur Verarbeitung von chemisch angreifenden Preßmassen werden vorwiegend Eisenbasislegierungen mit einem Chromgehalt von über 12 % verwendet. Je nach erforderlicher bzw. gewünschter Materialhärte kommen vergütbare Cr-Stähle mit ca. 13,0% Cr und ca. 0,2 oder ca. 0,4 Gew. -% C, zum Beispiel nach DIN Werkstoffnummer 1.2082 und 1.2083, zur Anwendung. Diese, im wesentlichen Kohlenstoff und Chrom enthaltende Eisenbasislegierungen sind für weniger beanspruchte Formen durchaus wirtschaftlich einsetzbar, haben aber den Nachteil, daß für hochkorrosive Preßmassen und Kunststoffe mit verschleißenden Zusätzen keine ausreichende Standzeiten des Werkzeuges erreicht werden.

Durch eine Erhöhung des Chromgehaltes auf ca. 14,5 Gew.-% und eine Anhebung des Kohlenstoffgehaltes auf ca.0,48 Gew.-% sowie einen Zusatz von ca. 0,25 Gew.-% Molybdän entsprechend der DIN Werkstoffnummer 1.2314 können besser korrosionsbeständige Eisenbasislegierungen für eine Kunststoffverarbeitung erhalten werden. Derartige Werkstoffe sind zumeist im praktischen Einsatz ausreichend beständig gegen chemischen Angriff, haben jedoch, insbesondere bei Mineralfasem enthaltenden Preßmassen, keinen ausreichenden Widerstand gegen Verschleiß.

Verbesserte Gebrauchseigenschaften von Kunststofformen betreffend Oxidation/Korrosion und Verschleiß sind durch vergleichsweise hohe Chromgehalte, hohe Kohlenstoffgehalte sowie Molybdän- und Vanadingehalte des verwendeten Stahls erreichbar. Eine dafür typische Eisenbasislegierung für hochbeanspruchte Kunststoffwerkzeuge stellt der Werkstoff Nr. 1.2361 gemäß DIN dar. Bei einer Herstellung von Werkzeugen bzw. Formen aus dieser Legierung kann jedoch ein Materialverzug bzw. eine ungleichmäßige Maßänderung entstehen, welcher bzw. welche oft teure Nacharbeiten oder ein Ausscheiden des angearbeiteten Teiles erfordem. Eine derartige ungleichmäßige Maßänderung, wie dem Fachmann bekannt ist, wird im wesentlichen durch eine Verformungstextur bzw. eine zeilige Anordnung der Karbide bewirkt. Wird nun, wie vorgeschlagen wurde, der Kohlenstoffgehalt und damit der Karbidanteil in der Matrix erniedrigt, so emiedrigt sich auch insbesondere der Verschleißwiderstand des Werkstoffes, wodurch die Abtragung der Form bei hoher Reibbeanspruchung vergrößert und die Standzeit verringert sind. Ein weiterer Nachteil eines hohen Kohlenstoffgehaltes besteht in einem geringen Dehnungsvermögen und einer geringen Zähigkeit des Stahls.

Ein rostfreier martensitischer Stahl mit Stickstoff- und abgesenkten Kohlenstoff-Gehalten ist aus der EP- 0638 658 A1 bekannt, wobei dieser Werkstoff von 14 bis 17 Gew.-% Chrom und von 0,10 bis 0,70 Gew.-% Vanadin aufweist. Einen weiteren warmfesten korrosionsbeständigen Chromstahl mit Stickstoffkonzentrationen von 0,20 bis 1 Gew.-% und einem Verhältnis Kohlenstoff: Stickstoff von 0,4 bis 0,8 offenbart die DE 42 12 966 A1, welche Legierung von 0,2 bis 1,0 Gew.-% Vanadin besitzt sowie die Elemente Wolfram und Nlckel aufweist.

Aufgabe der Erfindung war, obige Nachteile zu vermeiden und eine chromhältige, martensitische Eisenbasislegierung für thermisch vergütete Kunststofformen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Gebrauchseigenschaften vorzuschlagen, welche Formen wirtschaftlich mit geringer Maßänderung herstellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Verwendung einer Eisenbasislegierung mit der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 zur Herstellung thermisch vergüteter Kunststofformen mit einer Härte von mindestens 45 HRC , vorzugsweise von 50 bis 55 HRC, und mit hoher Korrosionsbeständigkeit vorgeschlagen.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß der Formteil bzw. das Werkstück weitgehend isometrische Maßänderungen bei einer Wärmebehandlung zeigt. Weiters ist die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes verbessert und dessen Matrix weist eine größere Homogenität auf.

Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch , vollkommen überraschend, die Verschleißfestigkeit der Kunststofformen aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung sind deutlich erhöht. Die Ursache für diese Eigenschaftsverbesserung des Formenmaterials wird darin gesehen, daß die Eisenbasislegierung Stickstoff enthält, welches Element einerseits ein starker Austenitbildner ist und andererseits mit nitridbildenden Elementen ein Entstehen intermetallischer harter Phasen bewirkt. Die Konzentrationen aller wesentlichen Legierungselemente sind dabei synergetisch aufeinander, unter Bedachtnahme auf die Wirkung des Stickstoffes auf die Erstarrung, auf die Ausscheidungen, auf die Umwandlungskinetik bei einer Wärmebehandlung und auf das Korrosions- sowie Rißverhalten der Eisenbasislegierung abgestimmt, so daß bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Werkstoffes zur Herstellung thermisch vergüteter Kunststofformen diese wesentlich verbesserte Gebrauchseigenschaften aufweisen. Im besonderen gilt dies für eine Hochglanzpolierbarkeit der Kunststofform, welche oft, unter anderem bei einer Verwendung der Form in der Elektronikindustrie, erforderlich ist. Alle Ursachen dafür sind wissenschaftlich noch nicht restlos geklärt, jedoch wurden folgende Zusammenhänge gefunden: Bei der Erstarrung und Verformung sowie einer üblichen Wämebehandlung sind die Konzentrationsunterschiede an Chrom in der Matrix des erfindungsgemäß verwendeten des Formmaterials gering und auch der Karbidanteil ist im Vergleich mit stickstoffreien martensitischen Chromstählen niedrig, was eine hohe Korrosionsbeständigkeit und offensichtlich eine besonders gute Hochglanzpolierbarkeit bewirkt. Niedrigere Cr-Gehalte als 14 Gew.-% führen jedoch zu einem sprunghaft erhöhten chemischen Angriff, insbesondere durch organische Säuren. Bei Chromgehalten über 25 Gew.-% wurden Versprödungserscheinungen des Werkstoffes bei der Verwendung für Kunststofformen beobachtet, wobei die besten Langzeitergebnisse bei Cr-Konzentrationen von 16, 0 bis 19,0 Gew.-% festgestellt wurden. Ausgenommen sind Gehalte bis 17 Gew.-% Chrom.

Zur Unterstützung der Korrosionsbeständigkeit bzw. der Stabilisierung der Oberflächen-Passivschicht ist ein Mindestgehalt von 0,5 Gew.-% Molybdän wichtig, höhere Gehalte als 3,0 Gew.-% können jedoch eine ferritstabilisierende Wirkung haben, wodurch eine Vergütbarkeit der Legierung erschwert wird. Besonders gute Ergebnisse auch hinsichtlich der Wirkung des Molybdännitrides ( Mo₂N) auf die mechanischen Materialeigenschaften, insbesondere jedoch auf den Verschleißwiderstand wurden bei Gehalten im Bereich von 0,3 bis 1,5 Gew.-% Mo gefunden.

Vanadin hat sowohl zu Kohlenstoff als auch zu Stickstoff eine sehr hohe Affinität. Die feinen dispers verteilten Monokarbide (VC) bzw. die Mononitride ( VN) und die Mischkarbide sind im Bereich von 0,04 bis 0,4 Gew.-% Vanadin vorteilhaft wirksam betreffend die Materialeigenschaften des Werkstoffes im vergüteten Zustand, wobei im Bereich zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-% V besonders gute Härtewerte und hohe Anlaßbeständigkeit bei guter Maßhaltigkeit der Form erreicht wurden, was vermutlich auf die Keimwirkung der kleinen homogen verteilten Vanadinverbindungen zurückzuführen ist. Ausgenommen sind Gehalte ab 0,1 Gew.-% Vanadin.

Von wesentlicher Bedeutung ist in den gewählten Konzentrationsbereichen der Legierungsmetalle die Summenwirkung von Kohlenstoff und Stickstoff in der Eisenbasislegierung. Bei Minimalkonzentrationen von entweder Kohlenstoff und/oder Stickstoff von 0,25 bzw. 0,1 Gew.-% muß die Summe der Gehalte mindestens 0,5 Gew.-% sein, um eine vorteilhafte Wechselwirkung der Legierungselemente , wie vorher erwähnt, zu bewirken. Bei einem Summengehalt im Bereich von 0,5 bis 1,2 Gew.-% C + N wurde überraschend gefunden, daß insbesondere die Dauerfestigkeit bei Wechselbeanspruchungen wie sie bei Kunststofformen der Füllzyklen wegen auftritt wesentlich erhöht ist. Wahrscheinlich ist dies auf die durch Stickstoff bewirkte Stabilisierung der Passivschicht im atomaren bzw. Mikro- Bereich und damit eine Vermeidung einer Rißinitiation durch örtlichen Materialangriff zurückzuführen. Stickstoffatome könnten, was noch genauer zu untersuchen sein wird, bei Korrosions- Wechselbeanspruchung des Werkstoffes, wie gefunden wurde, eine günstige Wirkung ausüben. Weiters beginnt bei obigem Mindest-Summengehalt offensichtlich eine Destabilisierung des kubisch raumzentrierten Gitters, so daß bei der Vergütung in einfacher Weise keine Restbereiche mit Alpha- und Deltagefüge verbleiben, was eine Spannungsrißkorrosionsneigung des Werkstoffes ausschaltet. Bei gleicher Härte und Verschleißfestgkeit ist durch ein Legieren des chromhältigen martensitischen Stahles mit Kohlenstoff und Stickstoff ein geringerer Karbidgehalt gegeben, wobei die Matrix eine erhöhte Festigkeit besitzt, was die Gebrauchseigenschaften einer hochbeanspruchten Kunststofform wesentlich verbessert. Höhere Summenwerte von Kohlenstoff und Stickstoff als 1,2 Gew.-% bewirken zwar eine außerordentlich große Härte bei aufwendigen Anlaß- und Tiefkühlbehandlungen der Form, erhöhen aber auch sprunghaft deren Bruchgefahr.
In einem Bereich von 0,61 bis 0,95 Gew.-% des Summengehaltes von Kohlenstoff und Stickstoff der Eisenbasislegierung wurden bei daraus gefertigten thermisch vergüteten Kunststofformen mit einer Materialhärte von 50 bis 55 HRC die höchsten Standzeiten , insbesondere bei einer Verarbeitung von stark chemisch angreifenden Preßmassen und Kunststoffen mit verschleißenden Zusätzen ermittelt. Dabei war überraschend, daß die Haftung des Kunststoffproduktes bzw. Preßlings in der Form, insbesondere bei hohen Produktionszahlen, wesentlich geringer war als bei niedrigen Stickstoffkonzentrationen in der Legierung, was den Auswurf des Preßgutes wesentlich erleichterte. Die Ursache für eine Verringerung der Gleitreibung an der Formwand ist noch nicht vollkommen geklärt.

Wolframgehalte bis 3,0 Gew.-% verbessern die Härte und Verschleißfestigkeit, höhere Werte jedoch wirken sich der großen Kohlenstoffaffinität des Wolframs wegen nachteilig auf die Bearbeitbarkeit und das Glühverhalten des Materials aus.

Niob und/oder Titan sind in höheren Anteilen Monokarbid- und Mononitridbildner; bis zu einer Konzentration von 0,18 Gew.-% bzw. 0,2 Gew.-% werden diese Elemente jedoch hauptsächlich im Mischkarbid eingelagert, verbessern die mechanischen Eigenschaften des Stahles und verringern eine Überhitzungsgefahr wesentlich. Höhere Gehalte können insbesondere bei Kohlenstoffgehalten über 0,7 Gew..-% die Sprödigkeit der Formen erhöhen.

Kobalt und Nickel verbessern in geringen Gehalten bis 2,8 Gew.-% bzw. 3,9 Gew.-% die Materialzähigkeit, wobei Nickel , ein austenitbildendes Element, der Härtbarkeit wegen vorzugsweise einen Konzentrationswert von 1,5 Gew.-% nicht übersteigen sollte.

Eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Materials ist, wie an sich bekannt, durch ein Zulegieren von Schwefel mit einer Konzentration zwischen 0,02 und 0,45 Gew.-% erreichbar, wobei die günstigsten Werte in einem Konzentrationsbereich von 0,2 bis 0,3 Gew.-% gefunden wurden.

Zur weiteren Härtung bzw. Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Oberfläche der Kunststofformen aus einer erfindungsgemäß verwendeten Eisenbasislegierung ist, wie umfangreiche Arbeiten zeigten, vorteilhaft, wenn insbesondere auf der Arbeitsfläche eine, vorzugsweise nach einem CVD- oder PVD-Verfahren hergestellte, Hartstoffschicht ausgebildet ist.

Die Erfindung wird zwecks weiterer Verdeutlichung anhand von Beispielen, die in einer Tabelle zusammengefaßt sind, nachfolgend beschrieben. Dabei wurden für gleich ausgebildete, besonders hoch, jedoch gleichartig chemisch und auf Verschleiß beanspruchte Kunststofformen acht Eisenbasislegierungen verwendet, wobei die Ergebniswerte der Form aus dem zum Stand der Technik zu zählenden DIN Werkstoff Nr. 1.2361 mit 100% gesetzt wurden, um vergleichend wesentliche Eigenschaftswerte anderer Formen aus untertschiedlichen Werkstoffen deutlich darstellen zu können. Die jeweiligen Werte sind gerundete Summenwerte. Dabei sind das Korrosionsverhalten, die mechanischen Eigenschaften, die Dauerfestigkeit, die Hartstoffbeschichtung und die Verschleißbestandszahl bei höheren Ergebniswerten besser, eine geringere Maßbeständigkeit und eine bessere Hochglanzpolierbarkeit des Werkstoffes werden durch geringere Kennzeichnungszahlen angegeben.

Claims (3)

1. Verwendung einer Eisenbasislegierung bestehend aus in Gew.-% C 0,25 bis 1,0 Si bis 1,0 Mn bis 1,6 gegebenenfalls S 0,02 bis 0,45 N 0,10 bis 0,35 Al bis 1,0 Co bis 2,8 Cr 14,0 bis 25,0, ausgenommen bis 17,0 Mo 0,5 bis 3,0 Ni bis 3,9 V 0,04 bis 0,4, ausgenommen ab 0,1 W bis 3,0 Nb bis 0,18 Ti bis 0,20 mit der Maßgabe, daß die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff einen Wert A von in Gew.-%
   mindestens 0,5 und höchstens 1,2 ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen zur Herstellung thermisch vergüteter Kunststofformen mit einer Härte von mindestens 45 HRC, vorzugsweise von 50 bis 55 HRC, und mit hoher Korrosionsbeständigkeit und/oder Hochglanzpolierbarkeit.
2. Verwendung einer Eisenbasislegierung bestenend aus in Gew.-% C 0,4 bis 0,8 Si bis 1,0 Mn 0,3 bis 0,8 gegebenenfalls S 0,20 bis 0,30 N 0,12 bis 0,29 Al 0,002 bis 0,8 Co bis 2,8 Cr 16,0 bis 19,0, ausgenommen bis 17,0 Mo 0,8 bis 1,5 Ni bis 1,5 V 0,05 bis 0,2, ausgenommen ab 0,1 W bis 3,0 Nb bis 0,18 Ti bis 0,20 mit der Maßgabe, daß die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff einen Wert A von in Gew.-% von mindestens 0,61 und höchstens 0,95 ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen zur Herstellung thermisch vergüteter Kunststofformen mit einer Härte von mindestens 45 HRC, vorzugsweise von 50 bis 55 HRC, und mit hoher Korrosionsbeständigkeit und/oder Hochglanzpol ierbarkeit.
3. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einer Oberfläche, insbesondere Arbeitsoberfläche, auf welcher zumindest teilweise eine Hartstoffschicht, vorzugsweise aus Karbid undloder Nitrid und/oder Oxid in Einzel- oder Mischformen , insbesondere der Elemente Titan und/oder Vanadin und/oder Aluminium, ausgebildet ist.