DE2324723A1 - Form zur fertigung von kunststoffgegenstaenden und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Priorität: v. 26.Mai 1972 in Schweden Anm.No.: 6990/72

Die Erfindung betrifft eine Form zur Fertigung von Kunststoff gegenständen, beispielsweise mittels Preßverformung, Strangverpressung oder Spritzverformung, die aus einem ausscheidungsgehärteten legierten Stahl besteht. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Form.

Eine Form zur Fertigung von Kunststoffgegenständen soll hohe Dauerhaftigkeit besitzen. Sie muß in der Lage sein, Abnutzung zu widerstehen und soll so hart sein, daß bei der Stichelbearbeitung möglichst keine Kratzer auftreten. Ferner muß sie so zäh oder duktil sein, daß sie während ihrer Benutzung jeder ungleichförmigen Belastung oder Stoßen widerstehen kann,

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denen sie eventuell ausgesetzt ist. Die Gesamtwerkzeugkosten für die Fertigung von Kunststoffgegenständei sollen möglichst niedrig sein. Eine gewisse Erhöhung der Materialkosten ist somit tragbar, wenn Ersparnisse mindestens derselben Größenordnung durch Verbesserung der vorstehend genannten Eigenschaften erzielt werden.

An die Werkstoffwahl für solche Formen sind deshalb Anforderungen zu stellen:

1.. Gute Bearbeitbarkeit. Gravierung in der Form wird in erster Linie mittels spanabhebender Bearbeitung durchgeführt.

2. Gute Polierbarkeit. In den meisten Fällen inuß die Gravierung in der Form zu einer befriedigenden Oberflächenglätte poliert werden. Für gewisse Zwecke ist sogar eine hochglanzpolierte Oberfläche erforderlich.

3. Gute Härtbarkeit. Hohe und gleichförmige Härte muß selbst bei großen Formen und Formen mit schwankender Wanddicke möglich sein.

4. Große Dimensionsbeständigkeit während der Warmbehandlung. Veränderungen in den Dimensionen und Verziehen während der Warmbehandlung der Formen mit Gravierung von einer etwas komplizierten Art verlangt eine anschließende Einstellung der Gravierung, die äußerst teuer ist. Daher ist Maßbe-

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stänäigkeit vielleicht die wichtigste Eigenschaft.

Formen zur Fertigung von Kunststoffgegenständen werden heute in weitem Ausmaße aus Zäheisen, beispielsweise der Type SIS 2541, gefertigt. Der Stahl wird zu einer Härte von 230-320 HB warm gehärtet angeliefert, und deshalb ist nach Durchführung der Gravierung keine weitere Warmbehandlung erforderlich. Das wesentliche Erfordernis Nr.4 ist damit erfüllt. Die Schneidfähigkeit in Stahl dieses Härtegrades kann als tragbar angesehen werden, aber eine Verbesserung würde erwünscht sein. Diese verhältnismäßig niedrige Härte führt zu einer schlechten Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung Die Härte kann jedoch nicht gesteigert werden, weil dies die Leichtigkeit des Schnittes beträchtlich beeinträchtigen würde, Durch Benutzung qualifizierter metallurgischer Verfahren, wie Vakuumentgasung, ElektroschlackenaufSchmelzung usw., kann ein schlackenreiner Stahl erzeugt werden, aber infolge seines hohen Härtegrades ist es oft unmöglich, die Oberfläche befriedigend zu polieren.

Die zweite Art von Formmaterial, die heute allgemein benutzt wird, ist ein harttempernder Stahl der Type SIS 214O, SIS 2550 und SIS 2242. Die Gravierarbeit wird dann durchgeführt, während der Stahl sich im ausgeglühten Zustand befindet und kann deshalb nicht leicht geschnitten werden. Die Form muß also durch Härtung und Temperung auf einen hohen Härtegrad von 46 bis 56 IiRC warrr behandelt werden, was zu einer guten Abnutzunnsfostiqkeit führt und auch eine Ober-

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fläche liefern kann, die gut zu polieren ist. Während dieser Warmbehandlung treten jedoch Änderungen in der Dimension und Verziehung auf, und deshalb ist eine anschließende Ausgleichung notwendig, die äußerst teuer ist.

Deshalb scheinen die Anforderungen an einen Werkzeugstahl für Formen zur Fertigung von Kunststoffgegenständen iriteinander nicht vereinbar zu sein, unü die Stahlwahl wird in jedem Fall ein Kompromiß, bei dein wichtige Eigenschaften geopfert werden müssen.

Kürzlich ist eine Untersuchung über die Durchführbarkeit der Anwendung von ausscheidungsgehärtetem legiertem Stahl für solche Formen durchgeführt worden. Solcher Stahl wird in einem durch Erwärmen und Abschrecken gehärteten Zustand mit relativ niedrigem Härtegrad geliefert, und in diesem Zustand kann die Form auf die gewünschte Gestalt bearbeitet werden. Die Form wird dann durch einige Stunden Behandlung bei etwa 500°C gealtert, und ein Anstieg im Härtegrad wird so mit sehr geringen Dimensionsänderungen erhalten. Ein typischer Stahl dieser Art ist der sogenannte "mar-aging" (martensitisch altender )Stahl, der 18 % Ni, 8 % Co, 5 % Mo, 0,2 % Ti, Ü,l % Al und Rest Eisen enthält. Mit einem solchen Stahl können die meisten Anforderungen erfüllt werden, aber der Stahl enthält hohe Prozentsätze an teuren Legierungsbestandteilen und ist deshalb vierfach teurer als der früher benutzte Stahl.

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Gegenwärtig ist kein niedrig legierter Stahl vorhanden, der den oben genannten Anfofderungen, insbesondere der Anforderung an einen hohen Grad von Lndhärte, entspricht. Um den gev/ünschten Endhärtegrad von etwa 500 HV zu erzielen, ist es notwendig gewesen, relativ große Mengen, z.B. 2 % Ti, zuzusetzen, was zu metallurgischen Schwierigkeiten führt. Zahlreiche Einschlüsse bilden sich in dem Stahl, der deshalb brüchig wird und schwer zu polieren ist. Es ist auch überlegt worden, daß bei Ersatz des Nickels durch Mangan der Stahl im ausscheidungsgehärteten Zustand brüchia wird.

Gemäß der Erfindung wurde nun gefunden, daß es möglich ist, Formen zu erhalten, die den genannten Erfordernissen entsprechen, ohne daß ein Stahl mit einem hohen Gehalt an Legierungsbestandteilen benutzt würde. Die Form nach der Erfindung besteht aus einem ausscheidungsgehärteten legierten Stahl mit bis zu 0,05 % Kohlenstoff, 5 bis 7 % Nickel, 4,5 bis 7 % Mangan, bis zu 2 % Molybdän, Rest,außer Verunreinigungen, Lisen. Die angegebene Kombination von niedrigem Kohlenstoffgehalt, zusammen mit begrenzten Nickel- und Mangangehalten, liefert einen Stahl, der bei Abkühlung in Martensit umgewandelt wird. Martensit ist nicht zu hart für Bearbeitung durch ein Schneidverfahren, und die Härte von Martensit kann mittels Ausscheidungshärtung gesteigert werden. Gewisse Versuche zeigen an, daß die Zähigkeit gesteigert wird, während die übrigen Eigenschaften durch Zugabe von bis zu 2 % Molybdän erhalten bleiben. Die Formen gemäß der Erfindung haben nach der Ausscheidungshärtung einen Härtegrad von mindestens

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400 EV (Vickers-Härte). Die Härte kann auf mindestens 500 KV erhöht werden, wenn der Stahl 0,005 bis 0,03 Gew.-% Kohlenstoff, 6 bis 7 Gew.-% nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% "langan und 0,2 bis 1,2 Gew.-% Molybdän enthält. Kenn dieser Stahl Silicium, Phosphor, Schwefel und Stickstoff enthält, sollen diese-Elemente in niedrigeren Mengen als 0,4 % Si, 0,035 % Γ, 0,035 % S und 0,01 % K vorhanden sein.

Die oberen Grenzen der Legierungsgehalte werden durch die Forderung bestimmt, daß bei Abkühlung in Luft von der Anwärm- und Abschrecktemperatur die Martensiturawandlung in Stahl zu dem Zeitpunkt im wesentlichen vollständig sein soll, wo der Stahl eine Temperatur von ungefähr 25 C erreicht. Dehnbarkeitsversuche zeigen, daß dies der Fall ist, wenn der liickelgehalt höchstens etwa 7 % und der Mangangehalt höchstens 6,5 % betragen. Lin Stahl mit einer chemischen Zusammensetzung innerhalb dieser Grenzen ist auf Schneidfähigkeit untersucht worden. Der Stahl wurde zunächst in durch Erwärmen und Abschrecken (solution) behandeltem Zustand mit einer Härte von 3 30 Dis 3 50 HV geprüft. Zum Vergleich wurde ein üblicher' zähgercachter Kunststoff-FormstanI einer Härte von 300 KV gleichzeitig geprüft. vJenn die Bearbeitung mit einem Schnelldrehstahl durchgeführt wurde, zeigte sich, aaß mehr als das doppelte Volumen in neuem Stahl verarbeitet werden konnte als bei dem zähgemachten Stahl, bevor das Arbeitswerkzeug abgenutzt war. Grob- und Feinbearbeitung unter Benutzung harter Metallwerkzeuge und Schnelidrehstahlwerkzeuge lieferte sehr glatte Oberflächen. Ferner zeigte sich, daß es

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trotz des hohen Härtegrades möglich war, den neuen Stahl ohne Schwierigkeiten zu bearbeiten, selbst wenn Schraubgewinde gebohrt und geschnitten wurden. Sogar in gealterterr Zustand war der neue Stahl überraschend leicht, im Vergleich zu zähgemachter.. Stahl zu schneiden. Schneidarbeit in ungetemperter.i Zustand kann ferner durch Zugabe von 0,035 bis 0,20 % Schv/efel erleichtert werden.

Besonders bei Anwendung von Vakuuir.entgasung oder Elektroschlackenaufschäelzung erwies es sich als möglich, den neuen Stahl schlackenfrei herzustellen, was in Verbindung mit dem hohen Härtegrad bedeutet, daß die Anforderung der Poiierbarkeit in befriedigender Weise erfüllt ist. Längeninderungen nach dem Altern sind zu weniger als 0,03 % gemessen worden, d.h. die Anforderung an die Maßhaltigkeit ist sehr befriedigend erfüllt. Der Alterungsprozeß wird ferner vereinfacht, da er bei so niedrigen Temperaturen wie 400 C durchgeführt werden kann.

Die Zeihnung erläutert eine Form für de Fertigung der Hülse eines Telefonhörers. Die Form besteht aus einer oberen Preßform 1 (Patrize) und einer unteren Preßform 4 (Matrize). Die obere Preßforru besteht aus einem Stahlblock mit einer "flachen Oberfläche 2, die einen vorspringenden Teil 3 aufweist. Die untere Preßform besteht aus einem Stahlblock mit einer flachen Oberfläche 5, die einen zurückspringenden Teil G aufweist. Die oberen und unteren Preßformen sind maschinell bearbeitet worden, während der Stahl sich· in weichem angelas-

senen Zustand befindet. Darauf sind die Preßformen warni behandelt worden, um so den Stahl in den ausscheidungsgehärteten Zustand zu überführen. Dann wurden sie in bekannter Weise fertig-poliert.

Wenn ein Kunststoffgegenstand geforrrt werden soll, wird eine vorbestimmte Menge granulierten Kunststoffmaterials in den zurückspringenden Teil 6 eingelegt, die obere Preßform 1 auf die untere 4 aufgesetzt, so daß der vorspringende Teil 3 in den zurückspringenden Teil 6 eingreift. Dann werden die beiden Formen zusammengepreßt, bis der Kunststoff den Formraum ausgefüllt hat.

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Claims (5)

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   Patentansprüche

   l.j Form zur Herstellung von Kunststoffgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus ausscheidungsgehärtetem legiertem Stahl mit bis zu 0,05 % Kohlenstoff, 5 bis 7 % Nickel, 4,5 bis 7 % Mangan, bis zu 2 % Molybdän und Rest Eisen, neben Verunreinigungen, besteht.
2. 2.) Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der legierte Stahl bis zu 0,03 % Kohlenstoff, 6 bis 7 % Nickel und 5,5% bis 6,5 % Mangan, weniger als 0,4 % Silicium, bis zu 1,2 % Molybdän, weniger als 0,035 % Phosphor, weniger als 0,035 % Schwefel und weniger als 0,01 % Stickstoff enthält.
3. 3.) Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl zur Erleichterung der Schneidbarkeit in ungetempertem Zustand 0,035 bis 0,20 % Schwefel beigemischt ist.
4. 4.) Verfahren zur Herstellung einer Form gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der legierte Stahl bei einer Temperatur von 800 bis 1050⁰C eine Stunde lang warm behandelt und an der Luft abkühlen gelassen wird, worauf er auf die gewünschte Gestalt bearbeitet und dann mittels 12 bis 36 Stunden Warrrbehandlung bei einer Temperatur von 400 bis 500°C durch Ausscheidung gehärtet wird.

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5. 5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   ein Rohling aus einem durch Ausscheidung härtbaren legierten Stahl mit neben Eisen 0,005 bis 0,05 Gew.-% Kohlenstoff, 5 bis 7 % Nickel, 4,5 bis 7 % Mangan und O,2 bis 2 % Molybdän gefertigt, durch ungefähr einstündiges Erhitzen auf eine.Temperatur von 800 bis 1050°C verhältnismäßig wenig gehärtet"und in Luft abkühlen gelassen, dann auf die gewünschte Gestalt bearbeitet, durch 12-bis 36-stündiges Erhitzen auf eine Temperatur von 400 bis 500°C gehärtet und die gehärtete Form poliert wird.

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