Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung als Partner für Stahl im Formenbau

Mit dem Werkstoff Duracon 45M erweitert die Vacuumschmelze GmbH & Co. KG das Anwendungsspektrum der Fe-Co-Ni-Legierungen: Der Neuling in der Werkstofffamilie Duracon ist aufgrund der hohen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit für den Werkzeug- und Formenbau prädestiniert.

Fe-Co-Ni-Legierung erhöht Formstabilität beim Werkzeug- und Formenbau

Die hohe Festigkeit wirkt sich günstig auf die Formstabilität der damit hergestellten Teile aus. Zudem hat die Legierung ein mit den Werkzeugstählen identisches Ausdehnungsverhalten, wodurch sich das Risiko von Spannungsrissen in Werkzeugen, deren Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, deutlich reduziert.

Bei Spritzgießformen lassen sich daher mit Hilfe der Legierung eine deutlich längere Lebensdauer und eine erhöhte Taktzahl erzielen. Weniger Werkzeugverschleiß sowie eine schnellere Formteilabkühlung sorgen für eine gesteigerte Produktivität.

Fe-Co-Ni-Legierung lässt sich gut umformen und verarbeiten

Die entwickelte Legierung basiert auf einem Ausgangsgefüge eines thermisch – durch Abkühlung – gebildeten Eisen-Kobalt-Nickel-Martensits (Fe-Co-Ni). Im Gegensatz zum extrem spröden Eisen-Kohlenstoff-Martensit (Fe-C) hat es eine gewisse Duktilität und ist somit gut umform- und verarbeitbar.

Die Herstellung der Legierung erfolgt über Schmelzen in Vakuuminduktionsöfen und anschließende Schmiede- oder Warmwalzprozesse. Gemäß Kundenvorgabe wird daraus Stangenhalbzeug mit bis zu 80 mm Durchmesser als Ausgangsmaterial für den Formenbau hergestellt.

Für Werkstoffe im Kunststoff-Spritzgießformenbau sind folgende Eigenschaften von elementarer Bedeutung:

-Eine hohe Festigkeit – insbesondere Verschleißbeständigkeit – sorgt für gute Formstabilität und eine lange Lebensdauer des Werkzeugs.

-Eine gute Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine schnelle Abkühlung der Kunststoffteile und verkürzt entsprechend die Produktionszyklen.

Für eine Kostenbetrachtung sind beim Spritzgießen von Kunststoffteilen insbesondere die Fertigungseffizienz – hergestellte Einheiten pro Zeit – und die Werkzeuglebensdauer entscheidende Faktoren. Sie müssen in Relation zu den Kosten für Werkstoffe und Herstellung der Form betrachtet werden.

Geometrisch komplexe Spritzgießformen meist aus mehreren Werkstoffen

Zum Spritzgießen großer, leicht herzustellender Kunststoffteile kommt vorzugsweise einfacher Automatenstahl für den Formenbau zur Anwendung. Bei fertigungstechnisch anspruchsvollen, geometrisch komplexen Spritzgießteilen, zum Beispiel für die Automobilindustrie oder die Medizintechnik, bestehen die Formen aus mehreren Werkstoffen.

Bei diesen Formen ist der Grundkörper aus Werkzeugstahl gefertigt. Darin eingebettet sind Kavitäten, Kühlspitzen oder -pinolen aus hochwärmeleitfähigen Werkstoffen wie CuBe2 (Kupfer-Beryllium). Diese Komponenten gewährleisten an kritischen Stellen eine ausreichende Wärmeabfuhr und dadurch kurze Produktionszyklen.

Spritzgießformen müssen hohe Temperaturunterschiede aushalten

Bei der Herstellung von Kunststoffteilen werden Spritzgießformen einem großen Temperaturbereich ausgesetzt. Daher sind identische thermische Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe wünschenswert, die für eine Form verwendet werden.

Ziel ist die Vermeidung thermisch induzierter Spannungen. Sie sind oft die Ursache für ein vorzeitiges Versagen der Formen. Allerdings ist das Wärmeausdehnungsverhalten von Stahl und CuBe2 sehr unterschiedlich: Der thermische Ausdehnungskoeffizient α von CuBe2 liegt bei 17 × 10-6/K. Dagegen hat Werkzeugstahl einen Ausdehnungskoeffizienten von rund 11 × 10-6/K.

Höherer Wärmeausdehnungskoeffizienz von CuBe2 ruiniert Spritzgießformen schnell

Aufgrund des um 55% höheren Ausdehnungskoeffizienten von CuBe2 sind somit thermische Spannungen in sogenannten Verbundwerkzeugen sozusagen vorprogrammiert – und Risse und damit vorzeitiges Versagen der Form die unausweichlichen Folgen.

Hier punktet die Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung Duracon 45M: Mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 11,2 × 10-6/K hat sie einen mit den meisten Werkzeugstählen annähernd gleichen Wert. In einem Verbundwerkzeug aus Stahl und dieser Legierung entstehen somit kaum thermische Spannungen. Eine optimierte Werkzeuglebensdauer ist die Folge.

Spritzgießform mit Fe-Co-Ni-Legierung und Stahl verhält sich wie eine Einheit

Bezüglich der thermischen Ausdehnung verhält sich eine solche Spritzgießform wie eine Einheit – mit dem Vorteil, dass die aus der Legierung ausgeführten Teile eine um den Faktor 3 höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Stahl haben (mindestens 70 statt etwa 25 W/mK). Bei geeigneter Werkzeugauslegung lassen sich damit die Produktionszyklen deutlich reduzieren, zum Teil im hohen zweistelligen Prozentbereich.

Die entwickelte Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung verfügt zudem über eine deutlich höhere Festigkeit als CuBe2 (1500 MPa Zugfestigkeit statt etwa 1200 MPa). Das ist ein weiterer Vorteil, der sich durch den deutlich geringeren Verschleiß äußerst positiv auf die Lebensdauer der Formwerkzeuge auswirkt.

Fe-Co-Ni-Legierung frei von toxischen Elementen

Wie der „Schwesterwerkstoff“ Duracon 17A ist diese Legierung frei von toxischen Legierungselementen wie Beryllium, die sowohl bei der Verarbeitung als auch im Einsatz krebserregende Dämpfe und Stäube erzeugen. Beryllium kann zu Haut-, Lungen-, Milz- und Leberschäden führen, indem es sich im menschlichen Körper akkumuliert und nach jahrelanger Latenzzeit zur Bildung von Tumoren führt. Folglich sind bei der Berylliumverarbeitung Absaugung und Abkapselung bei der Spanabnahme unbedingt erforderlich – ein weiterer Kostenfaktor, der mit der Verwendung der Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung schlicht entfällt.

Auch als Schrottbestandteil wird Beryllium sehr kritisch bewertet. Somit trägt die Legierung nicht nur zur Erhöhung der Produktivität und Verlängerung der Lebensdauer von Spritzgießformen bei, sie verbessert auch den Umweltschutz.

Dr. Robert Brand ist Produktmarketing-Manager bei der Vacuumschmelze GmbH & Co. KG in 63450 Hanau.