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36 Plastverarbeiter ‚ November 2005

SCHUTZ VOR VERSCHLEISS OBERFLÄCHENVEREDELUNG VON SPRITZGIESSFORMEN Die Härte der meisten Spritzgießformen ist der Härte der Füllstoffe nicht selten um das Dreifache unterlegen. Von der Abnutzung ist besonders das Angusssystem be-troffen. Um den Verschleiß auf ein Minimum zu reduzieren, wurden hybride Hochleistungs-Nano-Hartstoffsyste-me entwickelt. Zu den ersten Anwendungen zählen Formen für die Herstellung von Pkw-Komponenten.

D ie wirtschaftliche Situation zwingt alle Industrien zu intensiven For-schungsarbeiten auf dem Gebiet

der Einsparung von Rohstoffen. Beson-ders sichtbar ist das in der Kunststoff-spritzgießindustrie. Hier versucht man, teure Kunststoffe so weit wie möglich mit billigen mineralischen Füllstoffen zu sub-stituieren. Derart legierte Kunststoffe weisen eine hohe Härte auf, was zu einer intensiven und vorzeitigen Abnutzung aller Spritzgießformen führt.

Die meisten Spritzgießformen werden aus hochlegierten und warmfesten Stäh-len hergestellt. Ihre Härte ist der Härte der Füllstoffe nicht selten um das Drei- fache unterlegen (zum Beispiel beträgt die Härte des gehärteten Stahls etwa 63 HRC=850 HV, die Härte von zum Beipiel Titandioxid TiO

2=2 700 HV). Einer be-

sonders intensiven Abnutzung in einer Spritzgießform unterliegt das Angusssys-tem. Hier versucht man, die Oberflächen mittels der unterschiedlichsten Metho-den so zu veredeln, dass die Abnutzung ihr Minimum erreicht. Leider wird man in den meisten Fällen trotz der Beschich-

tung mit einem sehr starken Verschleiß konfrontiert. Der Grund hierfür ist zu 99% in einer falschen geometrischen Di-mensionierung des Angussprofils zu su-chen. Aus Kostengründen werden sehr oft Folienangusssysteme in Formen ver-wendet. Leider werden bei der Konstruk-tion dieser Systeme Parameter wie Rei-bung, Spritzgeschwindigkeit, Füllstoff-härte, Korngröße der Füllstoffe, ihre geo-metrische Form, Spritzdruck, Spritztem-peratur oder Strömungsart (laminare oder turbulente) nicht berücksichtigt.

Falsch dimensionierte Folienangüsse unterliegen einem unkontrollierten und rasanten Verschleißprozess. Nur in weni-gen Fällen lassen sie sich mittels Laser-verfahren regenerieren. Das bedeutet: Auf eine Stahloberfläche mit einer Grundhärte von mindestens 60 HRC werden Schichten aufgeschweißt, deren Härte maximal 57 HRC beträgt. Diese Härtedifferenz hat auch entsprechende nicht erwünschte Differenzen in der Aus-dehnung beider Systeme zur Folge. Eine Oberflächenveredelung der regenerier-ten Bereiche bereitet in der Regel keine Schwierigkeiten.

Deformationen standhalten Aufgrund der hohen Spritzgießdrücke, nicht selten bis zu 1 500 bar, unterliegt ein Formensystem elastischen Deformatio-nen. Diese lösen sehr oft verschiedene Er-

müdungsprozesse aus, die Riss- und Grüb-chenbildungen sowie Ausplatzungen in der Formenoberfläche zur Folge haben.

Um diesen Abnutzungsarten vor-zubeugen, versucht man seit Jahren die Oberflächen mit den unterschiedlichsten Methoden zu veredeln. Zu den bisher be-kanntesten Methoden zählen dank ihrer Tieftemperaturmöglichkeiten alle PVD-Verfahren. Mittels dieser Verfahren sind leider nur kristalline Hartstoffe der ersten Generation herstellbar. Diese Hartstoffe weisen eine sehr gute Abriebresistenz ge-gen jegliche Füllstoffe auf, sind aber so spröde, dass sie den elastischen Deforma-tionen einer Form während des Spritz-gießprozesses nicht standhalten können.

Diese Tatsache veranlasste die For-scher des Technischen F&E-Zentrums da-zu nach Alternativen zu suchen. In den ersten Entwicklungsschritten bediente man sich des 3-D-Audip-CVD-Verfah-rens. Folgende Entwicklungskriterien wurden festgelegt: � hohe dynamische Elastizität, � Abscheidetemperatur von 500 bis 550 °C, � Abscheidedruck im Bereich 1,5x10–3

bis 5 x 10–4 mbar, � amorphe oder kristalline Struktur, � kleinstmögliche Oberflächenrauheit, � hohe Wärmeleitfähigkeit, � gute Entformbarkeit, � relativ hohe Mikrohärte.

Autor Dr.-Ing. Lienhard J. Paterok; Dipl.-Ing. Leon-hard F. Paterok, Geschäftsführer, Technisches F&E-Zentrum, Schömberg-Langenbrand, technisches-fe-zentrum@t-online.de

Rissbildung entlang der TiCN-Lamellen in ei-ner Spritzgießform nach etwa 47 000 Schuss. (Spritztemperatur: 350 °C, Spritzdruck: 1 000 bar, Glasfasergehalt: 40%)

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Plastverarbeiter ‚ November 2005 37

Scheinwerferspritzgießform beschichtet mit hybriden Hochleistungs-Nano-Hartstoffsystemen. Schichtdicke: 1,2 (Bilder: Technisches F&E-Zentrum)

NEUE TECHNOLOGIEN Hybride Hartstoffsysteme Mit Oberflächen, die nach dem Tieftem-peratur-3D-Hybrid-TIP-CVD-Verfahren veredelt wurden, lässt sich die Lebensdau-er von Spritzgießformen erhöhen, die Standzeit steigern und somit eine spürba-re Kostensenkung (Werkzeugbeschaf-fungskosten, Spritzgießkontrollkosten usw.) erzielen. Die aufgeschweißten Schichten verhalten sich sowohl gegen Druck- als auch Zugeinwirkungen elas-tisch.

Nach kurzer Zeit stellte sich heraus, dass die gesetzten Ziele mittels des 3-D-Audip-CVD-Verfahrens nur teilweise zu erreichen waren. Deshalb entschied man sich für die Entwicklung des Tieftem-peratur 3D-Hybrid-TIP-CVD-Verfahrens.

Schichten für Scheinwerfer Der Zeitraum von der Konzeptions- über die Konstruktionsphase zur Anlagenbau-

der Relation zur Füllstoffhärte, zum Bei-spiel des TiO

2 von 2 700 HV, noch nicht

zufriedenstellend. Durch eine weitere Modifizierung der Zusammensetzung des Hartstoffs ist es gelungen, die Mikro-härte auf etwa 2 800 HV zu steigern. Dank weiterer Forschungen konnte das Mikrohärteniveau des Hartstoffsystems auf das gewünschte Niveau von 3 200 HV erhöht werden.

und Hartstoffherstellungsexperimentier-phase betrug etwa ein Jahr. Die Entwick-lung von multielementigen hybriden Hochleistungs-Nano-Hartstoffsystemen betrug etwa eineinhalb Jahre. Die ersten Ergebnisse waren unterstöchiometrische Hartstoffe, deren Härte zwischen 1 800 und 2 000 HV lag, was eigentlich den mit-tels PVD-Verfahren hergestellten ME-Ni-triden entspricht. Dieses Ergebnis war in

suchungen auf dem Ge-biet der Elastizitätsgren-zen der entwickelten Hartstoffsysteme durch-geführt. Die zu beschich-tenden Spritzgießformen sollten generell aus Werk-stoffen hergestellt werden, deren Anlasstemperatur oberhalb von 530 °C liegt. Die Makrohärte sollte im-mer oberhalb von 50 HRC liegen. Um das „Fressen“ von unbeschichteten For-men während ihres Ein-satzes in einem Spritzgieß-prozess zu vermeiden oder das unkontrollierte Wach-sen während eines Be-

schichtungsprozesses zu verhindern, sollte immer Restaustenit durch ein drei-maliges Anlassen in Martensit umgewan-delt werden. Die zu beschichtenden For-men müssen kunststoff-, rost- und grat-frei sein.

Mit Hilfe des Tieftemperatur 3D-Hy-brid-TIP-CVD-Verfahrens lassen sich so-wohl hochglanzpolierte als auch sehr raue Oberflächen problemlos beschich-ten. Die Oberflächenstruktur kann hier geometriegetreu wiedergegeben werden, ein Nachpolieren ist nicht mehr erforder-lich, was zu entsprechenden Einsparun-gen führt.

Längere Lebensdauer Mit nach dem Tieftemperatur 3D-Hy-brid-TIP-CVD-Verfahren veredelten Kunststoffspritzgießformen konnte die Ausstoßquote von Elementen (55%

Kunststoff, 45% Glasfaser) um das Siebenfache im Vergleich zu TiCN/TiN/TiCN...(PVD) erhöht wer-den. Ein weiteres Beispiel ist die Oberflächenverede-lung von Rückstromsper-

ren, deren Lebensdauer mit entsprechen-den Mikroschichtensystemen im Schnitt um den Faktor 7,5 verbessert werden konnte. Bei der Innenbeschichtung von Spritzgießdüsen mit dem Schichtsystem Ti5000 (18 Subschichten unterschiedli-cher Zusammensetzung) wurde ihre Le-bensdauer um den Faktor 6 bis 11 verbes-sert. Und durch das Thermoimplantieren von MoTi-Spritzgießdüsen mit dem Schichtsystem TA200 konnte die Stand-zeit beim Verspritzen von Polyaryl-Sul-fon mit 50% Glasfaser um den Faktor 12 im Vergleich zu TiCN gesteigert werden. Hier wurden unterschiedliche Metallato-

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Die ersten Anwendungen in der in-dustriellen Spritzgießtechnik konnten bereits 2004 erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden Formen für die Her-stellung von verschiedenen Pkw-Ele-menten beschichtet. Eine der schwierigs-ten Aufgaben war eine Schicht für einen PkW-Scheinwerfer, der aus 76% Glasfa-ser, 14% Titandioxid und 10% Kunststoff bestand. Es gelang, ein gradiertes System aus 22 Nanoschichten zu entwickeln. Das Hartstoffsystem zeichnet sich durch eine Gesamtschichtdicke von 1,2 µm, eine sehr glatte Oberfläche und eine Haftfes-tigkeit (nach dem Ritz-Verfahren) von 165 N/mm2 aus.

Jede Nanoschicht weist eine andere Zusammensetzung auf und sorgt für ei-nen streng definierten, fließenden so-wohl Härte- als auch Elastizitätsüber-gang. Die Schichten verhalten sich so-

me in die Oberfläche in einer Tiefe von 0,08 mm eingebaut. Das Ergebnis ist ein hybrides Hartstoffsystem, dessen Ober-flächenhärte sich im Bereich von 850 bis 3 100 HV bewegt und eine extrem nied-rige Neigung zum Verkleben mit zu ver-arbeitenden Kunststoffen aufweist.

Auf Basis dieses Verfahrens können nicht nur metallische Legierungen, son-dern auch alle üblichen sauerstoffhaltigen und sauerstofffreien Keramiken her-gestellt werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten entspricht der Haftfestigkeit der Hochtemperatur-CVD-Schichten. Hier kann auch im Vorprozess mit Hilfe des Thermoimplantierens das Einbauen von Tantal, Titan, Molybdän, Vanadin, Chrom und anderen in eine Stahloberfläche erfol-gen. Eine derartige Steigerung der Lebens-dauer von Spritzgießformen führt zu einer proportionalen Senkung der � Werkzeugbeschaffungskosten, � gesamten Fertigungszeit von Kunststoffspritzgießteilen, � Anzahl der Umrüstperioden, � Spritzgießkontrollkosten, � Spritzgießteilekontrollkosten, � Formmontage- und -demontagekosten, � innerbetrieblichen Transportkosten, � allgemeinen Beschaffungskosten, � Lagerkosten usw.

Die hohe Standzeit einer Spritzgieß-form ist immer von der Oberflächenqua-lität der Form vor der Beschichtung ab-hängig. Etwa 55% aller sich auf dem Markt befindender Formen sind für das Oberflächenveredeln ungeeignet. Die Ur-sache hierfür liegt im Erodieren und im zu schnellen Schleifen ohne eine ent-sprechend effektive Kühlung. Erodier- und Schleifdefekte lassen sich selten auf mechanischem Weg korrekt beseitigen. Das kann in einigen Fällen zu Entfor-mungsproblemen führen. Die Beschädi-gung einer Oberfläche oder Schließkante erstreckt sich nicht selten bis zu einer Tie-fe von 20 bis 25 m. Diese Randzone ist entkohlt und damit enthärtet, durchoxi-diert und weist eine geringere Haftung mit dem reinmetallischen Untergrund auf. Sie neigt auch zu einer intensiven Rissbildung.

Wird eine solche Spritzgießform ein-gesetzt, können bereits nach einigen Stunden die Schichten reißen und mit der geschädigten Randzone abplatzen. Aufgrund dieser Erkenntnis werden seit einer gewissen Zeit Spritzgießwerkzeuge unter optimierten Fertigungsbedingun-gen speziell für die Beschichtung her-gestellt.

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3D-H-TIP-CVD PVDPVDUnbeschichtet

TSS5000KTiN/TiCN/..TiNUnbeschichtet

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Beschichtungsverfahren

Standzeitsteigerung von Spritzgießformen mittels Oberflächenveredelung

Die Oberflächenstruktur, die mit Hilfe des Tieftemperaturverfahrens 3D-Hybrid-TIP-CVD erreicht wird, erfordert kein Nachpolieren

wohl gegen Druck- als auch Zugeinwir-kungen in einem entsprechenden Be-reich elastisch, was bereits in verschiede-nen industriellen Anwendungen bestä-tigt wurde. Hier ist es gelungen, den Ein-fluss auf die Änderungen der sowohl physikalischen als auch chemischen Ei-genschaften und ihre dynamische Opti-mierung während des Oberflächenver-edelungsprozesses stark zu erhöhen und für die Kunststoff verarbeitende Indus-trie eine neue Serie von hybriden Hart-stoffschichtsystemen zu entwickeln.

Zurzeit werden im Technischen F&E-Zentrum umfangreiche Unter-