Wie wirkt sich die Wärmebehandlung auf das Design von Spritzgussformen aus?

Die meisten Produktingenieure und Einkäufer betrachten die Wärmebehandlung als etwas, das der Formenbauer intern - in einem Werkstattprozess durchführt. In der Praxis entscheiden Entscheidungen während der Konstruktionsphase und der Bearbeitungsplanung darüber, ob durch die Wärmebehandlung ein brauchbarer oder ein verformter Einsatz entsteht.

Die Wärmebehandlung verändert drei Dinge im Werkzeugstahl, die für Konstrukteure von Kunststoffspritzgussformen für Spielzeugautos und für jeden, der ein Präzisionsspritzgusswerkzeug spezifiziert, wichtig sind:

Härte:Das primäre Ziel. Geglühtes H13 hat eine Härte von etwa HRC 18–22. Nach Durchhärten und Anlassen erreicht es HRC 48–54. Diese Härte verleiht einem Werkzeug dieses Typs oder jedem anderen Langzeitwerkzeug seine Verschleißfestigkeit und Lebensdauer -, ist aber mit Abmessungskosten verbunden, die bewältigt werden müssen.

Interne Stressumverteilung:Bearbeitungsvorgänge führen Eigenspannungen in den Stahl ein. Durch die Wärmebehandlung -, insbesondere durch den Abschreckzyklus -, werden diese Spannungen schnell umverteilt, wodurch sich der Stahl bewegt. Wenn beim Einfahren des Einsatzes in den Ofen erhebliche Eigenspannungen vorhanden sind, kann die Verformung während des Abschreckens ein Ausmaß annehmen, das völlig außerhalb des Toleranzbandes liegt.

Lautstärkeänderung:Stahl dehnt sich aus, wenn er sich beim Abschrecken von Austenit in Martensit umwandelt. Bei asymmetrischer Geometrie ist diese Volumenausdehnung über den Einsatz nicht gleichmäßig, was zu unterschiedlichen Dimensionsänderungen führt.

Eine im veröffentlichten StudieInternationale Zeitschrift für fortschrittliche Fertigungstechnologie(2021) fanden heraus, dass H13-Formeinsätze mit asymmetrischer Geometrie und ohne Spannungsabbau vor -Wärme{3}} nach dem Härten Maßabweichungen von bis zu 0,15 mm auf kritischen Flächen aufwiesen -, etwa drei- bis fünfmal höher als symmetrisch bearbeitete Einsätze, die einer ordnungsgemäßen Spannungsabbau unterzogen wurden. Bei einer Form mit Abmessungstoleranzen des Karosserieteils von ±0,05 mm macht eine 0,15 mm große Verschiebung nach dem Aushärten den Einsatz unbrauchbar.

Durch Härten - Abschrecken und Anlassen

Durchhärten ist die Standardwärmebehandlung für H13 und ähnliche Warmarbeitsstähle. Der Einsatz wird auf Austenitisierungstemperatur (ca. 1.020–1.040 Grad für H13) erhitzt, gehalten, um eine vollständige Umwandlung zu ermöglichen, und dann in einem Vakuumofen mit Gas abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wird der Einsatz zweimal bei 560–600 Grad angelassen, um die Zielhärte zu erreichen und Abschreckspannungen abzubauen.

Dies ist der Prozess, der die hohe Härte erreicht, die für eine langlebige Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform, eine Motorgetriebe-Spritzgussform oder ein ähnlich anspruchsvolles Werkzeug erforderlich ist. Außerdem führt es zu den bedeutendsten Dimensionsänderungen aller Wärmebehandlungsprozesse, weshalb die Auslegung für die Durchhärtung eine äußerst sorgfältige Planung erfordert.

Für eine Spielzeugform, die 1.500 000+ Schüsse aufnehmen soll, ist H13 durchgehärtet auf HRC 50–52 die geeignete Spezifikation - und die Bearbeitungsreihenfolge muss die Dimensionsänderung berücksichtigen, die während des Härtens auftritt.

Nitrieren - Oberflächenhärten mit minimaler Verformung

Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff bei Temperaturen unterhalb des Umwandlungspunkts (typischerweise 480–530 Grad) in die Oberflächenschicht des Stahls und erzeugt eine harte Randschicht von 0,1–0,3 mm ohne Phasenumwandlung in der Masse. Da der Stahl keinen Phasenwechsel erfährt, ist die Dimensionsverschiebung während des Nitrierens minimal -, typischerweise weniger als 0,01–0,02 mm bei kritischen Abmessungen.

Nitrieren kann bei vor{0}gehärteten Stählen (P20 oder bereits-gehärtetem H13) als zusätzliche Oberflächenbehandlung oder als primäre Härtungsmethode für eine solche Form mit nicht-abrasivem ABS oder PP angewendet werden, wenn eine Durchhärtung nicht erforderlich ist, aber eine gewisse Verbesserung der Oberflächenhärte gewünscht wird.

Für eine Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform mit einem Programm von 500.000–1.000.000 Schüssen in ungefülltem ABS ist das Gasnitrieren auf P20-Basisstahl ein kostengünstiger Ansatz, der die Oberflächenlebensdauer im Vergleich zu unbehandeltem P20 - um 50–80 % verlängert, bei vernachlässigbarem Verformungsrisiko und ohne Notwendigkeit, die Bearbeitungssequenz um Wärmebehandlungszugaben herum neu zu erstellen.

PVD- und Oberflächenbeschichtungen

PVD-Beschichtungen (Physical Vapour Deposition) wie TiN (Titannitrid) und TiAlN tragen bei Substrattemperaturen von 200–400 Grad eine 2–8 µm dicke harte Beschichtung auf die Formoberfläche auf. Die Maßänderung ist vernachlässigbar, die Beschichtung erhöht die Verschleißfestigkeit und verringert die Reibung und kann ohne Auswirkungen auf die Abmessung auf eine vollständig bearbeitete, polierte Wendeplatte aufgetragen werden.

PVD-Beschichtungen eignen sich besonders für Hohlraumoberflächen von Spielzeugwerkzeugen, bei denen der Basisstahl (P20 oder leicht gehärteter H13) eine ausreichende Gesamtfestigkeit bietet, die Oberfläche jedoch von einem zusätzlichen Verschleißschutz profitieren könnte. Für eine Motorgetriebe-Spritzgussform mit glasgefüllten Harzen bietet TiN oder TiAlN PVD auf H13 bei HRC 52 die beste verfügbare Verschleißfestigkeit ohne das Risiko einer Verformung durch zusätzliche Wärmebehandlung.

Spannungsarmglühen

Der Spannungsabbau ist ein vorbereitender Schritt, der Restspannungen aus der Grobbearbeitung reduziert, bevor die Wendeplatte härtet. Der Einsatz wird auf etwa 600–650 Grad (unterhalb der Transformationstemperatur) erhitzt, ausreichend lange gehalten und langsam abgekühlt.

Für die Werkzeugeinsätze mit erheblichem Materialabtrag während der Schruppbearbeitung ist eine Spannungsentlastung nicht optional. Das Auslassen ist die häufigste Ursache für übermäßige Verformung beim Abschrecken. Die Investition - typischerweise 150–400 US-Dollar pro Einsatzsatz, plus 8–12 Stunden Ofen- und Abkühlzeit - ist gering im Vergleich zu den Kosten für die Verschrottung eines verformten Einsatzes, der nicht spannungsentlastet wurde.

Vor-Gehärtete Stähle - Vollständiger Verzicht auf Durchhärtung

Bei Kunststoffspritzgussprogrammen für Spielzeugautos in moderaten Stückzahlen und bei Kleinserien oder Prototypenwerkzeugen ermöglichen vor{1}gehärtete Stähle (P20 bei HRC 30–36, NAK80 bei HRC 40–43) das Umgehen des gesamten Durchhärtungsschritts. Der Einsatz wird direkt auf Endmaß bearbeitet und ist ohne Wärmebehandlungssequenz montagebereit.

Dadurch wird das Risiko einer Verformung vollständig eliminiert und die Vorlaufzeit für ein Spielzeugauto-Werkzeug erheblich verkürzt. Der Kompromiss-ist eine geringere Härte und eine kürzere Formlebensdauer für anspruchsvolle Anwendungen - aber für Spielzeugautoformen, die bis zu 500.000 Schüsse aus ungefülltem ABS oder PP verarbeiten, ist P20 oft völlig ausreichend und der Vorlaufzeit- und Kostenvorteil ist wirklich wertvoll.

Die Reihenfolge, in der die Bearbeitungsvorgänge im Verhältnis zur Wärmebehandlung durchgeführt werden, bestimmt das endgültige Maßergebnis. Die branchenübliche-Standardsequenz für einen durchgehärteten-Formhohlraumeinsatz für Spielzeugautos ist:

Schritt 1 - Grobbearbeitung:Entfernen Sie den Großteil des Materials vom geglühten Stahlblock bis auf 1–3 mm der endgültigen Form. Es entsteht eine erhebliche Eigenspannung.

Schritt 2 - Spannungsarmglühen:Auf 600–650 Grad erhitzen, halten und langsam abkühlen lassen. Dadurch wird die Restspannung aus der Grobbearbeitung reduziert, ohne dass sich die Stahlphase oder die Härte verändert.

Schritt 3 -Halb-Bearbeitung:Bearbeiten Sie bei Präzisionsflächen innerhalb der Schlichtzugabe -, typischerweise 0,10–0,20 mm. Dadurch werden die Vor-Abmessungen für die Härtung festgelegt.

Schritt 4 - Durchhärten (Vakuum):Der Einsatz dieser Art von Werkzeug wird hier - das Erwartete und Geplante verzerren.

Schritt 5 - CMM-Messung:Der gehärtete Einsatz wird gemessen, um die tatsächlichen Abmessungen nach der Härtung im Vergleich zum Nennmaß zu quantifizieren. Die Abweichungsdaten sagen dem Finisher genau, wie viel Material auf jeder Oberfläche entfernt werden muss.

Schritt 6 - Fertigbearbeitung:Durch Hartfräsen, Schleifen oder Erodieren werden alle kritischen Abmessungen auf die endgültige Toleranz gebracht. Für Präzisionsmerkmale wie die Zahnradzahnprofile in einer Motorgetriebe-Spritzgussform oder präzise Einrastmerkmale-in einer Mausschalen-Spritzgussform ist die Drahterosion nach dem Härten der Standardansatz - sie wird von der Stahlhärte nicht beeinflusst und erreicht routinemäßig ±0,005–0,010 mm.

Schritt 7 - Polieren:Bei kosmetischen Oberflächen in einer Mausschalen-Spritzgussform oder einer Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform folgt nach allen Bearbeitungsvorgängen das Polieren.

Das Überspringen des Entspannungsschritts oder der CMM-Messung nach dem Aushärten erhöht das Risiko einer Verformung des Formeinsatzes und führt dazu, dass die Informationen verloren gehen, die für eine genaue Planung der endgültigen Endbearbeitung erforderlich sind.

Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform

Eine Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform, die ABS oder PP mit 500.000 bis 2.000.000 Schüssen verarbeitet, verfügt je nach angestrebter Produktionslebensdauer über zwei praktikable Wärmebehandlungsansätze:

P20 mit Gasnitrieren:Bearbeiten Sie den Spielzeugformeinsatz in P20 und anschließend mit Gasnitrid auf die endgültigen Abmessungen. Minimale Verzerrung (unter 0,02 mm). Die Oberflächenhärte im nitrierten Fall entspricht HRC 58–68 für die dünne Oberflächenschicht. Dieser Ansatz ist kostengünstig und praktisch für solche Formprogramme, die auf 500.000 bis 1.000.000 Schüsse mit nicht abrasiven Materialien abzielen.

H13 durchgehärtet:Für eine Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform, die 1.500 000+ Schüsse benötigt oder bei erhöhten Formtemperaturen und höheren Zyklusraten läuft, bietet H13 durch Härtung auf HRC 50–52 eine überlegene Massenhärte und Ermüdungsbeständigkeit. Die oben beschriebene vollständige Bearbeitungssequenz muss eingehalten werden.

Motorgetriebe-Spritzgussform

Eine Motorgetriebe-Spritzgussform für Präzisionsanwendungen erfordert fast überall eine Durchhärtung. Die Zahnprofiltoleranzen (±0,02–0,05 mm) und die Verschleißanforderungen glasgefüllter technischer Kunststoffe erfordern beide eine vollständig ausgehärtete Kavität bei HRC 50–54.

Die Präzisionsbearbeitungssequenz ist für eine Motorgetriebe-Spritzgussform von entscheidender Bedeutung: Das Zahnprofil wird vor dem Härten grob geschnitten, der Einsatz wird gehärtet, auf einer CMM gemessen und das endgültige Zahnprofil wird durch Profilschleifen oder Funkenerosionsbearbeitung an den Zahnflanken erreicht. Das Drahterodieren nach dem Härten ist der Standard-Endbearbeitungsprozess für eine Motorgetriebe-Spritzgussform -. Es erreicht die erforderliche Maßgenauigkeit, ohne dass die Härte des Stahls beeinträchtigt wird.

Maus-Shell-Spritzgussform

Für eine Mausschalen-Spritzgussform mit NAK80 (vor-gehärteter HRC 40–43) ist keine Durchhärtung erforderlich. Der Einsatz wird auf die Endabmessungen bearbeitet und direkt poliert, ohne dass die Gefahr einer Verformung durch Wärmebehandlung besteht. Wenn H13 für eine Mausschalen-Spritzgussform mit höherem -Volumen spezifiziert ist, gilt die Standardsequenz -, aber das Erreichen des hohen Spiegelglanzes erfordert bei gehärtetem H13 im Vergleich zu NAK80 mehr Zeit und Geschick beim Polieren.

Internationale Zeitschrift für fortschrittliche Fertigungstechnologie(2021): Wendeschneidplatten, die mit der vollständigen Abfolge Schruppen → Spannungsarmglühen → Vorschlichten → Härten → Schlichten bearbeitet wurden, zeigten nach dem Härten eine Maßabweichung von durchschnittlich 0,032 mm, verglichen mit 0,118 mm bei Wendeschneidplatten ohne Spannungsarmglühen -, eine Reduzierung um 73 %, die allein auf die Einbeziehung des Spannungsarmglühens zurückzuführen ist.

Tragen(2020): Nitrierte P20-Formoberflächen zeigten bei simuliertem ABS-Spritzgusskontakt - eine um 68 % niedrigere Verschleißrate als unbehandeltes P20, was eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer zeigt, die durch Nitrieren eines Spielzeugwerkzeugs ohne vollständige Durchhärtung erreichbar ist.

SPE (2022): Die Vakuumwärmebehandlung führte im Vergleich zur Ölabschreckung bei gleichwertigen H13-Einsätzen zu durchschnittlich 42 % weniger Verformungen -, was den Dimensionsqualitätsvorteil der Vakuumbehandlung bestätigt.

Oberflächen- und Beschichtungstechnik(2021): Mit TiN PVD-beschichtetes H13 zeigte bei Kontakt mit glasgefülltem PA66 eine um 71 % niedrigere Verschleißrate als unbeschichtetes H13, was den zusätzlichen Schutz bestätigt, den die Beschichtung auf einer Motorgetriebe-Spritzgussform mit abrasivem Harz bietet.
 

Ein Spielzeughersteller in China baute eine neue ABS-Spielzeugautoreihe auf. Das Programm umfasste sechs Formen: zwei Karosseriewerkzeuge, zwei Chassiswerkzeuge und zwei Kleinkomponentenformen. Die angestrebte Produktion lag bei 800.000 kompletten Sätzen pro Jahr über einen Zeitraum von vier Jahren -, etwa 3.200.000 Aufnahmen pro Spielzeugauto-Werkzeug im gesamten Programm.

Erste Kostenschätzungen unter Verwendung von P20 ohne Wärmebehandlung für alle sechs Formen ergaben, dass die Hohlraumeinsätze in den beiden Kunststoffspritzgusswerkzeugen für die Karosserie eines Spielzeugautos nach etwa 600.000 Schüssen ausgetauscht werden müssten -, was drei Austauschsätze pro Spielzeugautoformen im Laufe des Vierjahresprogramms bedeutet. Gesamtkosten für den Austausch der Einsätze bei allen Werkzeugen für den Formkörper: 24.000 US-Dollar.

Sunhingstones empfahl einen alternativen Ansatz für die beiden Kunststoff-Spritzgusswerkzeuge für die Karosserie des Spielzeugautos: H13-Hohlraum- und Kerneinsätze, durchgehärtet auf HRC 50–52 mittels Vakuumwärmebehandlung, gefolgt von der vollständigen Sequenz „Schruppen → Spannungsabbau → Halbfinish → Härten → CMM-Messung → Finish“. Die vier kleineren Formen behielten P20 durch Gasnitrieren bei.

Der Kostenaufschlag für die H13-Wendeschneidplatte für die beiden Karosseriewerkzeuge mit Einsatz betrug 3.400 US-Dollar über dem P20-Äquivalent. Das geplante Überholungsintervall wurde von 600.000 auf 1.500 verlängert,000+ Schüsse - und der Austausch von Einsätzen innerhalb des Vier-{11}Jahresprogramms für diese Werkzeuge entfällt.

Nettoeinsparung: ca. 8.200 $ durch vermiedenen Wendeschneidplattenaustausch minus 3.400 $ zusätzliche Werkzeuginvestitionen =4.800 $ Nettoeinsparungüber das Vierjahresprogramm hinweg und vermeidete Produktionsausfallzeiten.

Die Post-Abmessungsprüfung der H13-Formeinsätze für die Spielzeugproduktion bestätigte, dass alle kritischen Abmessungen innerhalb von ±0,015 mm vom Nennwert nach der vollständigen Sequenz - und gut innerhalb der ±0,05 mm-Drucktoleranz lagen.

Wärmebehandlungsverzerrungen in einer Spielzeugauto-Kunststoffspritzgussform, einer Motorgetriebe-Spritzgussform oder einem anderen Präzisionsspritzgusswerkzeug sind vorhersehbar und beherrschbar, wenn sie von Anfang an darauf ausgelegt sind. Die Formenbauer, die gut damit umgehen, sind diejenigen, die es in der Bearbeitungssequenz berücksichtigen: Sie lassen die richtigen Toleranzen, einschließlich Spannungsfreigabe, spezifizieren die Vakuumhärtung und messen vor der Endbearbeitung. Diejenigen, die es als nachträglichen Einfall betrachten, sind diejenigen, die am Ende eine teure Nacharbeit - oder eine verschrottete Beilage haben.

Bei Sunhingstones ist die Wärmebehandlungsplanung Teil unseres standardmäßigen Konstruktionsprozesses für jedes dieser Formen-, Mausschalen-Spritzguss- und Motorgetriebe-Spritzgussprojekte. Wir dokumentieren die Stahlspezifikation, das Härteziel, die Bearbeitungsreihenfolge und den Endbearbeitungsansatz, bevor mit dem Schneiden begonnen wird -, sodass das Ergebnis nach der Wärmebehandlung ein kontrolliertes Ergebnis ist und keine Überraschung.

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Roberts, GA et al.Werkzeugstähle, 5. Auflage. ASM International, 1998.https://www.asminternational.org/

Uddeholm.Wärmebehandlung von Werkzeugstahl. Technische Veröffentlichung, 2021.https://www.uddeholm.com/

Totten, GEHandbuch zur Stahlwärmebehandlung, 2. Auflage. CRC Press, 2006.https://www.routledge.com