TY - THES

T1 - Untersuchung des Einflusses zyklisch - thermischer Belastung auf die Härte und Mikrostruktur von Kunststoffformenstählen

AU - Pock, Alexander

N1 - gesperrt bis 23-09-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Das Spritzgussverfahren ist das wichtigste diskontinuierliche Formgebungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe. Die Vorteile liegen in der freien Formgestaltung, dem geringen Nachbearbeitungsaufwand und der hohen Reproduktionsgenauigkeit bei gleichzeitig großen Stückzahlen. Diese Genauigkeit ist jedoch an die Maßhaltigkeit der schmelzeführenden Maschinenteile geknüpft und somit vom Verschleiß der Oberflächen abhängig. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Spritzgussprozesses werden immer höhere Massendurchsätze gefordert, die - bedingt durch Reibung und hohe Scherbeanspruchung der Schmelze - zu großen Wärmeeinträgen in die Werkzeugoberfläche führen. Deshalb wird von Werkzeugstählen für den Einsatz in Spritzgussmaschinen neben Verschleißwiderstand auch Anlassbeständigkeit gefordert. Für Anwendungen unter besonders abrasiven Verschleißbedingungen werden Stähle eingesetzt, deren Gefüge aus einer martensitischen Matrix, harten Primärkarbiden und beim Anlassen ausgeschiedenen Sekundärhärtekarbiden (SHK) bestehen. Da sich das bei der Herstellung eingestellte Gefüge im metastabilen Zustand befindet, können hohe Temperaturen im Einsatz zur Veränderung der Mikrostruktur führen. Ziel der Arbeit war, zyklisch thermische Belastungen, wie sie während des Spritzgussprozesses auftreten, anhand von Dilatometerversuchen nachzustellen und ihren Einfluss auf die Härte und die Mikrostruktur von verschiedenen Werkzeugstählen zu bestimmen. Dabei wurden im Abschreckdilatometer Proben mehrfach induktiv auf Temperaturen bis zu 650°C erwärmt und kontinuierlich auf 300°C abgekühlt, wobei die maximale Temperatur variiert wurde. Die Härte wurde an der Oberfläche der Proben ermittelt. Zudem ist die Veränderung der SHK eines pulvermetallurgisch hergestellten Stahles bei zunehmender thermischer Belastung anhand von REM-Aufnahmen untersucht worden. Die Ergebnisse zeigten, dass zyklische kurzzeitige Erwärmung auf Temperaturen über dem Sekundärhärtemaximum bei allen untersuchten Stählen signifikante Härteabfälle bewirkte, die abhängig von der Stahlsorte über 250 HV1 lagen. Die Untersuchung der SHK ergaben, dass diese bereits im vergüteten Zustand vereinzelt zu finden waren. Nach zyklisch thermischer Belastung bei variierender Temperatur steigerte sich ihr Anteil in der Matrix um bis zu 400%, wobei der mittlere Durchmesser sowie die Größenverteilung annähernd unverändert blieben.

AB - Das Spritzgussverfahren ist das wichtigste diskontinuierliche Formgebungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe. Die Vorteile liegen in der freien Formgestaltung, dem geringen Nachbearbeitungsaufwand und der hohen Reproduktionsgenauigkeit bei gleichzeitig großen Stückzahlen. Diese Genauigkeit ist jedoch an die Maßhaltigkeit der schmelzeführenden Maschinenteile geknüpft und somit vom Verschleiß der Oberflächen abhängig. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Spritzgussprozesses werden immer höhere Massendurchsätze gefordert, die - bedingt durch Reibung und hohe Scherbeanspruchung der Schmelze - zu großen Wärmeeinträgen in die Werkzeugoberfläche führen. Deshalb wird von Werkzeugstählen für den Einsatz in Spritzgussmaschinen neben Verschleißwiderstand auch Anlassbeständigkeit gefordert. Für Anwendungen unter besonders abrasiven Verschleißbedingungen werden Stähle eingesetzt, deren Gefüge aus einer martensitischen Matrix, harten Primärkarbiden und beim Anlassen ausgeschiedenen Sekundärhärtekarbiden (SHK) bestehen. Da sich das bei der Herstellung eingestellte Gefüge im metastabilen Zustand befindet, können hohe Temperaturen im Einsatz zur Veränderung der Mikrostruktur führen. Ziel der Arbeit war, zyklisch thermische Belastungen, wie sie während des Spritzgussprozesses auftreten, anhand von Dilatometerversuchen nachzustellen und ihren Einfluss auf die Härte und die Mikrostruktur von verschiedenen Werkzeugstählen zu bestimmen. Dabei wurden im Abschreckdilatometer Proben mehrfach induktiv auf Temperaturen bis zu 650°C erwärmt und kontinuierlich auf 300°C abgekühlt, wobei die maximale Temperatur variiert wurde. Die Härte wurde an der Oberfläche der Proben ermittelt. Zudem ist die Veränderung der SHK eines pulvermetallurgisch hergestellten Stahles bei zunehmender thermischer Belastung anhand von REM-Aufnahmen untersucht worden. Die Ergebnisse zeigten, dass zyklische kurzzeitige Erwärmung auf Temperaturen über dem Sekundärhärtemaximum bei allen untersuchten Stählen signifikante Härteabfälle bewirkte, die abhängig von der Stahlsorte über 250 HV1 lagen. Die Untersuchung der SHK ergaben, dass diese bereits im vergüteten Zustand vereinzelt zu finden waren. Nach zyklisch thermischer Belastung bei variierender Temperatur steigerte sich ihr Anteil in der Matrix um bis zu 400%, wobei der mittlere Durchmesser sowie die Größenverteilung annähernd unverändert blieben.

KW - Kunststoffformenstahl

KW - Spritzgießen

KW - zyklisch thermische Belastung

KW - Härte

KW - Mikrostruktur

KW - Sekundärhärtekarbide

KW - plastic mold steel

KW - injection molding

KW - cyclic thermal loading

KW - hardness

KW - microstructure

KW - secondary hardening carbides

M3 - Masterarbeit

ER -