EP1251187A1 - Werkzeugstahl für Kunststoffformen - Google Patents

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EP1251187A1
EP1251187A1 EP01109276A EP01109276A EP1251187A1 EP 1251187 A1 EP1251187 A1 EP 1251187A1 EP 01109276 A EP01109276 A EP 01109276A EP 01109276 A EP01109276 A EP 01109276A EP 1251187 A1 EP1251187 A1 EP 1251187A1
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steel
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Buderus Edelstahl GmbH
Edelstahlwerke Buderus AG
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below

Definitions

  • the invention relates to the manufacture and use of a pre-tempered tool steel for producing molds for plastic parts, in particular for dies with large dimensions.
  • Plastic molds for spraying or pressing plastic parts always exist from two halves, a die and the core part.
  • the surface quality of the plastic part is essentially determined by the quality of the matrix material.
  • the working hardness of the mold steel of about 30-40 HRC is already by tempering the rolled or forged blank at steel manufacturers adjusted (pre-tempered plastic mold steel).
  • Molds for plastics processing are today predominantly made of steels Material number. 1.2311 and 1.2738 and made from AISI P 20 (Chemical Analyzes see Table 1).
  • EP 0 709 481 B1 describes a steel for the type in question Application proposed that has certain levels of boron, the hardenability to increase, with aluminum and titanium to shield the borer Nitrogen must be added.
  • boron for improvement
  • the hardenability leads to non-reproducible at larger diameters Results, i. undefined hardening, especially in the core area.
  • the object of the invention is a tool steel for plastic molds to create, even with large diameters high core hardness without qualitative Disadvantages enabled.
  • the tool steel according to the invention is used to avoid qualitative disadvantages deliberately made without the addition of boron, with the necessary hardness through the targeted set nickel content is achieved. Surprisingly, it has become namely shown that the missing or only in the context of inevitable impurities Boron present at carefully adjusted nickel content not Disadvantages in the achievable hardness values, but the steel at the same time especially for larger workpiece diameters better reproducible results in terms of its hardenability with less tendency to embrittlement shows. Similarly, no titanium is needed to shield the boron from nitrogen to be admitted.
  • the tool steel according to the invention is ideal for use in plastic molds suitable, especially for larger diameters of the workpiece over 400 mm up to 1300 mm and above.
  • the mold steel according to the invention is withoutmatsrißgefahr in water or Polymer curable, has only low segregations and a high degree of purity and is very high due to the higher tempering temperature after the heat treatment homogeneous and low in residual stress.
  • a sulfur content of up to 0.15 Weight percent be provided, but usually one is to ensure a high degree of purity, the sulfur content as well as to keep phosphorus content as low as possible, for example S ⁇ 0.005% and / or P ⁇ 0.02%.
  • Table 1 and Figure 1 is an example within the scope of the invention Composition of manufactured mold steel compared to commercially available steels. This carbon was lowered so far that Seigerept minimized and water hardenability is given at the same time (C max 0.30%). The silicon content was used to minimize the block segregations to an average value lowered from 0.1%, as well as the chromium content of 2.0 to 1.25%. The hardening-promoting alloy content has largely remained unchanged of Mn (about 1.50%), while the steel 1.2738 also corresponding content to Ni (about 1.10%) in conjunction with the other contents of the said surprisingly good overall properties.
  • the improved temper resistance is set by higher additions of molybdenum (0.5% instead of about 0.20% at 1.2738) and vanadium (0.1% versus no vanadium at 1.2738).
  • molybdenum 0.5% instead of about 0.20% at 1.27308
  • vanadium 0.1% versus no vanadium at 1.2738.
  • the content of sulfur on about 0.002% limited.

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Abstract

Ein vorvergüteter Werkzeugstahl dient zur Herstellung von Formen für Kunststoffteile, insbesondere für Matrizen mit großen Abmessungen. Um auch bei großen Durchmessern hohe Kernhärten ohne qualitative Nachteile zu ermöglichen, wird ein Werkzeugstahl vorgeschlagen, der in Gewichtsprozent eine Zusammensetzung aus C = 0,25 - 0,30, SE = 0,04 - 0,20, Mn = 1,2 - 2,0, Cr = 1,0 - 2,0, Ni = 0,9 - 1,5, Mo = 0,3 - 0,8, V <= 0,2 und Al = 0,01 - 0,03 aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. Auf die Zugabe von Bor zur Härtesteigerung wird bewußt verzichtet, da es sich gezeigt hat, daß Bor bei größeren Durchmessern zu nicht reproduzierbaren Härten insbesondere im Kernbereich führt.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung eines vorvergüteten Werkzeugstahls zur Herstellung von Formen für Kunststoffteile, insbesondere für Matrizen mit großen Abmessungen.
Kunststofformen zum Spritzen oder Pressen von Kunststoffteilen bestehen stets aus zwei Hälften, einer Matrize und dem Kernteil. Die Oberflächengüte des Kunststoffteils wird durch die Qualität des Matrizenwerkstoffes wesentlich bestimmt.
Anforderungen an den Matrizenwerkstoff sind:
  • gleichmäßig hohe Härte zur Vermeidung von mechanischen Beschädigungen und plastischen Verformungen durch Verkratzen, Verschleiß bei der Kunststoffverarbeitung, Deformation beim Zusammenfahren der Formhälften, Verbiegen und Rißbildung unter Betriebsbedingungen
  • gleichmäßige Vergütungsgefügestruktur und hoher Reinheitsgrad zur Sicherstellung einer guten Maschinenbearbeitbarkeit und guter Polier- und fotochemischer Narbeigenschaften.
Dabei wird die Gebrauchshärte des Formenstahles von ca. 30-40 HRC bereits durch Vergüten des gewalzten oder geschmiedeten Rohlings bei Stahlherstellern eingestellt (vorvergüteter Kunststofformenstahl).
Formen für die Kunststoffverarbeitung werden heute überwiegend aus den Stählen Werkstoff-Nr. 1.2311 und 1.2738 sowie aus AISI P 20 hergestellt (Chemische Analysen siehe Tabelle 1).
Für spezielle Anwendungszwecke wie die Verarbeitung von verschleißfördernden, verstärkten Kunststoffen oder Salzsäure abspaltenden Stoffen wie PVC werden darüber hinaus spezielle hochharte (50 - 60 HRC) oder korrosionsbeständige chromlegierte Werkzeugstahllegierungen verwendet.
Bei der Verwendung herkömmlicher vorvergüteter Kunststofformenstähle besteht ein besonderes Problem in der eingeschränkten Härtbarkeit der Stähle. Die Forderung nach gleichmäßiger Härte im gesamten Volumen der Stahlform erfordert Durchvergütung bis zum Kern des Stahlblockes, unabhängig von dessen Abmessungen.
Die Härtbarkeit der in der Regel ölgehärteten und auf ca. 30 HRC angelassenen Standardstähle AISI P2O, 1.2311 und 1.2738 ist in Bild 1 dargestellt. Daraus geht gleichzeitig die Maximalabmessung für den Einsatz des jeweiligen Stahles hervor, bis zu der noch kein signifikanter Abfall der Härte im Kern, verglichen mit der Randhärte eintritt.
Der Trend der Plastikindustrie zu immer größeren Teilen erfordert ständig größere Formen und entsprechend große Stahlblöcke mit Abmessungen von über 1000 mm Dicke. Für diese Dimensionen sind Blockgewichte von > 50 Tonnen heute üblich.
Die dabei zwangsläufig zum Einsatz kommenden großen Schmiedeblöcke mit Gewichten von über 80 to erhöhen seigerungsbedingte Inhomogenitäten, die durch zunehmende Legierungsgehalte weiter verstärkt werden und bei Kunststofformen zu Qualitätsproblemen führen können (Mechanische Bearbeitung, Polieren, Narben).
In der EP 0 709 481 B1 wird beispielsweise ein Stahl für die in Rede stehende Anwendung vorgeschlagen, der bestimmte Gehalte an Bor aufweist, um die Härtbarkeit zu erhöhen, wobei Aluminium und Titan zur Abschirmung des Bors vor Stickstoff zugegeben werden müssen. Die Verwendung von Bor zur Verbesserung der Härtbarkeit führt jedoch bei größeren Durchmessern zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen, d.h. undefinierten Härten insbesondere im Kernbereich.
In der EP 0431 557 B1 ist ein Werkzeugstahl für die Verwendung im Kunststofformenbau beschrieben, der im Hinblick auf gute Schweißbarkeit einen Schwefelgehalt von 0,025 bis 0,10 Gewichtsprozent aufweisen soll. Ferner soll der Werkzeugstahl einer Zusatzbedingung BH = 326,0 + 847,3(C%) + 18,3(Si%)8,8(Mn%) - 12,5(Cr%) ≤ 460 genügen, was unter allen Umständen einen Kohlenstoffgehalt von höchsten 0,208 Gewichtsprozent bedeutet. Ein derartig niedriger Kohlenstoffgehalt ist zwar für die Schweißbarkeit von Vorteil, steht jedoch dem Erreichen der geforderten Härten des Werkzeugstahles nach dem Vorvergüten entgegen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Werkzeugstahl für Kunststofformen zu schaffen, der auch bei großen Durchmessern hohe Kernhärten ohne qualitative Nachteile ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Werkzeugstahl gelöst, der die folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) aufweist:
  • C = 0,25 - 0,30
  • Si = 0,04 - 0,20
  • Mn = 1,2 - 2,0
  • Cr = 1,0 - 2,0
  • Ni = 0,9 - 1,5
  • Mo = 0,3 - 0,8
  • V ≤ 0,2
  • Al = 0,01 - 0,03
    • wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
    Der erfindungsgemäße Werkzeugstahl wird zur Vermeidung qualitativer Nachteile bewußt ohne Zugabe von Bor hergestellt, wobei die notwendige Härte durch den gezielt eingestellten Nickelgehalt erreicht wird. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß das fehlende bzw. nur im Rahmen unvermeidlicher Verunreinigungen vorliegende Bor bei sorgfältig eingestelltem Nickelgehalt nicht zu Nachteilen bei den erreichbaren Härtewerten führt, der Stahl gleichzeitig jedoch insbesondere bei größeren Werkstückdurchmessern besser reproduzierbare Ergebnisse in Bezug auf seine Härtbarkeit bei geringerer Neigung zur Versprödung zeigt. Entsprechend braucht auch kein Titan zur Abschirmung des Bors vor Stickstoff zugegeben zu werden.
    Damit ist der erfindungsgemäße Werkzeugstahl ideal zur Verwendung in Kunststofformen geeignet, insbesondere auch bei größeren Durchmessern des Werkstückes über 400 mm bis zu 1300 mm und darüber.
    Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Gewichtanteil an Molybdän zwischen 0,3% und 0,8%, vorzugsweise zwischen 0,4% und 0,6% wird ferner eine verbesserte Anlaßbeständigkeit erreicht, so daß bei einem beispielhaften Werkstückdurchmesser von 1000 mm und einem beispielhaften Gehalt an Mo von 0,5 Gewichtsprozent zum Erreichen von 30 HRC eine Anlaßtemperatur von ca. 620°C vorteilhaft ist, während bekannte Formstähle mit Anlaßtemperaturen deutlich unter 600°C vergütet werden.
    Der erfindungsgemäße Formenstahl ist ohne Spannungsrißgefahr in Wasser oder Polymer härtbar, weist nur geringe Seigerungen und einen hohen Reinheitsgrad auf und ist infolge der höheren Anlaßtemperatur nach der Wärmebehandlung sehr homogen und eigenspannungsarm.
    Zur Verbesserung der Schweißbarkeit kann ein Schwefelgehalt von bis zu 0,15 Gewichtsprozent vorgesehen sein, im Regelfall wird man jedoch zur Sicherstellung eines hohen Reinheitsgrades bemüht sein, den Schwefelgehalt ebenso wie den Gehalt an Phosphor möglichst gering zu halten, beispielsweise S ≤ 0,005% und/oder P ≤ 0,02%.
    In Tabelle 1 und Bild 1 ist ein beispielhaft im Rahmen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellter Formenstahl marktüblichen Stählen gegenübergestellt. Dabei wurde Kohlenstoff soweit abgesenkt, daß Seigerungen minimiert werden und gleichzeitig Wasserhärtbarkeit gegeben ist (C max. 0,30 %). Der Siliziumgehalt wurde zur Minimierung der Blockseigerungen auf einen Durchschnittswert von 0,1 % abgesenkt, wie auch der Chromgehalt von 2,0 auf 1,25 %. Weitgehend unverändert geblieben ist der härtbarkeitsfördernde Legierungsgehalt von Mn (ca. 1,50 %),während der dem Stahl 1.2738 ebenfalls entsprechende Gehalt an Ni (ca. 1,10 %) in Verbindung mit den sonstigen Gehalten zu den genannten überraschenden guten Gesamteigenschaften führt.
    Wegen des bei großen Abmessungen nicht reproduzierbaren härtbarkeitssteigenden Effektes und gleichzeitig versprödender Eigenschaften wurde auf Bor-Zugabe bewußt verzichtet, die Zugabe von Titan kann daher ebenfalls entfallen.
    Die verbesserte Anlaßbeständigkeit wird durch höhere Zugaben von Molybdän (0,5 % statt ca. 0,20 % bei 1.2738) und Vanadin (0,1 % gegenüber keinem Vanadin bei 1.2738) eingestellt. Für große Abmessungen über 1000 mm verändern sich die Anlaßtemperaturen für ca. 30 HRC dabei wie folgt:
    Formenstahl 1.2738 nach Ölhärtung 595 °C
    Erfindungsgemäßer Formenstahl 620 °C.
    Zur Sicherstellung eines hohen Reinheitsgrades wird der Gehalt an Schwefel auf ca. 0,002 % begrenzt.
    Der Vergleich der Härtbarkeit des erfindungsgemäßen Formenstahles mit marktüblichen Standardstählen ist in Bild 1 dargestellt. Danach eignet sich der Stahl für vorvergütete Abmessungen bis ca. 1300 mm ohne qualitative Nachteile.

    Claims (9)

    1. Werkzeugstahl zur Herstellung von Formen für Kunststoffteile, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent):
      C = 0,25 - 0,30
      Si = 0,04 - 0,20
      Mn = 1,2 - 2,0
      Cr = 1,0 - 2,0
      Ni = 0,9 - 1,5
      Mo = 0,3 - 0,8
      V ≤ 0,2
      Al = 0,01 - 0,03
      wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
    2. Werkzeugstahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Ni zwischen 0,9 und 1,2 Gewichtsprozent.
    3. Werkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Si zwischen 0,04 und 0,15 Gewichtsprozent.
    4. Werkzeugstahl nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Gehalt an Mn zwischen 1,2 und 1,6 Gewichtsprozent, einen Gehalt an Mo zwischen 0,4 und 0,6 Gewichtsprozent und einen Gehalt an V zwischen 0,05 und 0,15 Gewichtsprozent.
    5. Werkzeugstahl nach einem der vorgehenden Ansprüchem gekennzeichnet durch einen Gehalt an S zwischen 0,008 und 0,15 Gewichtsprozent.
    6. Werkzeugstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er wasser- oder polymervorvergütet ist und eine Maximalhärte bis 40 HRC aufweist.
    7. Werkzeugstahl nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Härten mit einer Anlaßtemperatur von ungefähr 620°C für ca. 30 HRC angelassen ist.
    8. Werkzeugstahl nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Durchmesser von mindestens 400 mm vorvergütet ist.
    9. Werkzeugstahl nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Durchmesser von über 1000 mm vorvergütet ist.
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