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Pulvermetallurgischer Werkzeugstahl - Eine Frage der Stahlauswahl

Kostengünstiger SpritzgießenVirtuell optimierte Kühlkanäle

Oben: Konventionelles Kühllayout und die resultierende Temperaturverteilung im Werkzeug. Unten: Konturnahe Kühlung (mit freundlicher Genehmigung durch IPC) und die verbesserte Temperaturverteilung. (Bild: Sigma)

Die thermische Auslegung des Werkzeugs geschieht optimalerweise bereits während der Designphase des Bauteils, um die Einflüsse der Lage und Größe der Kühlkanäle auf die Verformung und Erstarrung des Bauteils zu verstehen. 

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Pulvermetallurgischer WerkzeugstahlEine Frage der Stahlauswahl

Formenbau setzt auf pulvermetallurgische Stähle. Anspruchsvoller Werkzeugbau in der Kunststoffindustrie erfordert kompromisslose Werkstofflösungen. Mit dem neuen pulvermetallurgischen Böhler-Werkstoff M368 Microclean sind weitere Leistungssteigerungen bei der Kunststoffverarbeitung möglich.

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Formen

Die Kunststoffindustrie verlangt von den zur Verarbeitung eingesetzten Werkzeugstählen ein vielfältiges Eigenschaftsspektrum. Häufig erfordern die Anwendungen den Einsatz korrosionsbeständiger Stähle. Chemisch aggressive Kunststoffschmelzen oder -zusätze sowie korrosiv wirkendes Kühlwasser beanspruchen die teils hochkomplexen Werkzeuge. Des Weiteren werden hohe Anforderungen an Härte und Verschleißbeständigkeit gestellt, da Kunststoffe zunehmend mit harten Füllpartikeln wie Glas- oder CfK-Fasern sowie anderen Füllstoffen verstärkt sind. Auch die Zähigkeit und damit die Betriebssicherheit ist für die effiziente Großserienfertigung und bei komplizierten Formen eine entscheidende Gebrauchseigenschaft. Die beste Werkstofflösung für ein derartiges Anforderungsspektrum sind zumeist martensitische Chromstähle. Diese Materialgruppe zeigt gute Korrosionsbeständigkeit bei hoher Festigkeit und hohem Verschleißwiderstand.

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Ein moderner Vertreter dieser Werkstoffe ist der von Böhler entwickelte Werkzeugstahl M340 Isoplast. Dieser findet neben dem Einsatz in der Kunststoffindustrie, wo er für Formeinsätze, Schnecken und Zylinder verwendet wird, auch Gebrauch bei der Verarbeitung chemisch aggressiver Pressmassen sowie in der Lebensmittelindustrie. Der neuentwickelte M368 Microclean erweitert nun das Produktportfolio um eine pulvermetallurgisch hergestellte Variante. Er ist laut Hersteller auch eine Antwort auf die Leistungssteigerungen der Spritzgießmaschinen mit ihren immer höheren Verarbeitungsdrücken und Geschwindigkeiten, um Zykluszeiten zu minimieren. Die Anforderungen an das Werkzeug steigen dadurch jedoch erheblich. Aufgrund der an den bewährten Isoplast angelehnten Legierungskonzeption und des speziellen Herstellverfahrens biete der Werkstoff die ideale Kombination der geforderten Gebrauchseigenschaften und erfülle damit die Voraussetzungen für weitere Leistungssteigerungen in der kunststoffverarbeitenden Industrie.

Pulvermetallurgischer Werkzeugstahl: Eine Frage der Stahlauswahl

Was die Pulvermetallurgie besser macht
Das Besondere von pulvermetallurgisch hergestellten Stählen ist deren gleichmäßig feines Gefüge, das nahezu alle Gebrauchseigenschaften im Vergleich zu konventionell hergestellten Produkten verbessert. Für die Produktion setzt Böhler in Kapfenberg eine Pulvermetallurgie-Anlage der „3. Generation“ ein. Bei diesem Prozess wird die Stahlschmelze zu einem feinen Pulver verdüst. Die rasche Erstarrung führt zu einer homogenen und feinen Mikrostruktur der festen Stahlpartikel. Dieses Stahlpulver wird in evakuierte Behälter eingeschweißt, in denen es unter hohem Druck und Temperatur zu einem festen, porenfreien Material verpresst wird. Die feine Gefügestruktur und die damit verbundenen Vorteile bleiben bei diesem und den nachfolgenden Verformungsprozessen erhalten.

Beim Vergleich der Gebrauchseigenschaften mit schmelzmetallurgisch hergestellten Qualitäten wie 1.2083 oder 1.4112 kann der pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoff seine Vorzüge voll ausspielen. Bei Tests hinsichtlich Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Polier- und Bearbeitbarkeit übertrifft der Microclean, so der Hersteller, seine Konkurrenten deutlich. Hinsichtlich Verschleißbeständigkeit erreiche er mindestens das gleiche Niveau. Ermöglicht wird dies durch die homogene Mikrostruktur, die zusätzlich auch Bearbeitbarkeit und Polierbarkeit des Werkstoffs verbessert. In Anwendungen wie Matrizen für Kunststoffextrusion, Formeinsätze oder Bördelrollen in der Lebensmittelindustrie bestätigen sich die Versuchsergebnisse. Vor allem bei großen Bauteilen werden die Vorteile des über den gesamten Querschnitt guten Gefüges deutlich. In der Praxis ergeben sich dadurch neue Möglichkeiten für den Einsatz größerer Formen und Vorteile hinsichtlich der Produktivität der Anlagen.

Becher

Wärmebehandlung ist entscheidend
Im weichgeglühten Auslieferungszustand bei einer Härte von maximal 280 HB lässt sich der Werkstoff gut mechanisch bearbeiten. Je nach Werkzeuganforderung können die Gebrauchseigenschaften des Bauteils im Vergüteprozess, der eine Härtebehandlung und mehrmaliges Anlassen umfasst, eingestellt werden. Zum Härten wird eine Temperatur von 980 bis 1000 °C je nach Größe des Werkstücks empfohlen. Die optimale Kombination von Zähigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit wird in mehrmaligen Anlassbehandlungen bei mindestens 520 °C erreicht. Für extreme Korrosionsbelastungen soll eine niedrigere Anlasstemperatur von 300 °C angewandt werden. Die Einsatzhärte nach der Wärmebehandlung liegt zwischen 48 und 55 HRc. Um die maximale Leistungsfähigkeit des Stahls zu erhalten, wird ein sorgfältiges Vergüten bei einem qualifizierten Wärmebehandlungs-Betrieb empfohlen.

In neue Leistungsklassen vorstoßen
Mit dem M368 Microclean stellt Böhler Edelstahl einen neuen Hochleistungswerkstoff für die Kunststoffverarbeitung zur Verfügung. Das Eigenschaftsspektrum bietet hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit im Härtebereich bis 55 HRc. Darüber hinaus ist der Werkstoff dank pulvermetallurgischem Gefüge auch für Bauteile größerer Abmessungen geeignet. Damit sollte sich für Formenbauer eine neue Möglichkeit bieten, die Leistungsfähigkeit ihrer Produktion auch bei anspruchsvollen bis schwierigen Kunststoffen ein deutliches Stück anzuheben.

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