Edelstahl für Werkzeug- und Formenbau

Andrea Gillhuber,

Kunststoffformenstähle im Vergleich

Rund 60 Millionen Tonnen Kunststoff (19 Prozent der Weltmenge) wurden 2016 allein in Europa produziert. Abnehmer sind vor allem Verpackungshersteller oder Zulieferer der Fahrzeug-, Elektro- und Medizinindustrie. Am Ende der Kette stehen Produkte wie Plastikflaschen, Autositze oder Spritzen. Jedes dieser Kunststoffprodukte hat seinen Ursprung in einer Form oder einem Werkzeug aus Edelstahl. Und bei jedem Werkstoff kommt es auf die Feinheiten an. 

Spritzgussform aus Corroplast mit 48 Kavitäten. © DEW

Der Trend im Kunststoffformenbau geht zu Formen, die komplett aus rostfreiem Stahl (Stainless Steel) hergestellt sind. Der Vorteil: Sie sind sehr beständig gegenüber Schwitz- und Kühlwasser sowie Säureabscheidung. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für ein langes Leben der jeweiligen Kunststoffform ist dabei die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Die Vorteile, die sich für die Hersteller von Kunststoffteilen durch den zunehmenden Einsatz von „All Stainless“-Formenaufbauten ergeben, bedeuten jedoch gleichzeitig ein Problem für den Formenbauer. Denn alle bisher zur Verfügung stehenden rostfreien Stähle sind nur mit hohem Zerspanungsaufwand zu bearbeiten.

Wachsende Nachfrage nach Kunststoffen

Aufgrund der stetig wachsenden Kunststoffnachfrage besteht die größte Herausforderung für den Edelstahllieferanten also darin, den Kunststoffverarbeitern gleichermaßen wirtschaftliche wie prozesssichere Lösungen anzubieten. Denn nur mit qualitativ hochwertigem Werkzeugstahl können auch einwandfreie Kunststoffprodukte entstehen. Die Deutschen Edelstahlwerke haben sich auf die steigenden individuellen Anforderungen dieser Industrie eingestellt und bieten ein Paket sogenannter „All Stainless“-Werkstoffe. Es besteht aus drei Werkzeugstählen:

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  • Formadur 2083 Superclean,
  • Formadur PH X Superclean,
  • Corroplast.

Alle drei Werkstoffe weisen drei unverzichtbaren Eigenschaften auf: Korrosionsbeständigkeit, Härte und Zerspanbarkeit. Nichtsdestotrotz hat jeder Werkstoff seine speziellen Eigenschaften.

Auslagerungsversuch diverser Kunststoffformenstähle in 5-prozentiger, siedender Essigsäure. © DEW

Die wichtigsten Faktoren bei der Werkstoffauswahl sind Bearbeitungsgrad, Polierfähigkeit, Einsatzumgebung und der Anspruch an die Verschleißbeständigkeit. Welcher der drei Werkstoffe zum Einsatz kommt, entscheidet somit der individuelle Anwendungsfall beim Kunden.

Polierbares Allroundtalent: Formadur 2083 Superclean

Formadur 2083 Superclean bietet nach dem Härten und Anlassen auf die gewünschte Einsatzhärte eine sehr gute Verschleißbeständigkeit, so dass dieser Werkstoff auch für Messer eingesetzt wird. Der ESU-umgeschmolzene (Elektro-Schlacke-Umschmelzen) Kunststoffformenstahl ist auch für hohe Anforderungen an die Polierbarkeit geeignet und kann in der Kunststoffverarbeitung zum Spritzgießen, Formpressen und Strangpressen verwendet werden. In der Schweiß-und Nitrierbarkeit fällt der Allrounder etwas ab, dafür liefert er gute Werte in den Bereichen Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und Zerspanbarkeit. Trotz der guten Korrosionseigenschaften muss nicht auf das Narbätzen verzichtet werden.

Kohlenstoffarmer Säureblocker: Formadur PH X Superclean

Logarithmische Darstellung der Korrosionsstromdichte bei unterschiedlichen pH-Werten. © DEW

Der hochkorrosionsbeständige Formadur PH X Superclean hat den Vorteil, dass er nicht noch zusätzlich vergütet werden muss, da der Werkstoff bereits nach der Warmumformung und Wärmebehandlung eine Einsatzhärte von 38 bis 42 HRC aufweist. Beim Formadur PH X Superclean handelt es sich um einen ausscheidungshärtbaren Werkzeugstahl: Er weist eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit auf. Anwendung findet der Werkstoff vor allem für Formen, die eine hohe Beständigkeit gegen Schwitz- und Kühlwasser aufweisen müssen. Aufgrund seiner hohen Widerstandsfähigkeit, ist Formadur PH X Superclean besonders für die Verarbeitung von Kunststoffen wie PVC oder Aminoplasten geeignet, da die Formen häufig durch Säureabscheidungen angegriffen werden. Dies beweisen Korrosionsprüfungen beziehungsweise Auslagerungsversuche (Ergebnisse siehe Bild 1). Durch sein homogenes, nahezu karbidfreies Gefüge ist der ESU-umgeschmolzene Spezialstahl die erste Wahl hinsichtlich Polierbarkeit. Legt der Anwender großen Wert auf die Schweißbarkeit, spielt der Formadur PH X Superclean ebenfalls seine Stärken aus, da er nur sehr wenig Kohlenstoff beinhaltet.

Auslagerungsversuch nach ASTM G48-03, Methode A für 72 h bei 22 °C in 6-prozentiger FeCl-Lösung. © DEW

Beim Corroplast werden alle gewünschten Eigenschaften während der Wärmebehandlung eingestellt. Er zeichnet sich vor allem durch eine gute Zerspan- und Bearbeitbarkeit bei gleichbleibend gutem Korrosionsverhalten aus. Die Balance zwischen den beiden Eigenschaften ist im Vergleich zu anderen Werkzeugstählen bei Corroplast einzigartig. Lediglich bei der Polierbarkeit müssen Abstriche gemacht wer-den. Letztere Eigenschaft ist aber auch weniger von Bedeutung, da die Hauptanwendungsgebiete des Corroplast Grundplatten, Aufbauteile und Kunststoffformen sind. Hier sind lediglich Standardanforderungen an die Polierbarkeit sowie Schwitz- und Kühlerwasserbeständigkeit gegeben. Der Formpflegeaufwand ist durch den Einsatz von Corroplast extrem gering, was in erster Linie an seiner hohen Korrosionsbeständigkeit liegt. Man kann sagen: Je schwieriger die Klimaverhältnisse, desto wohler fühlt sich Corroplast. Auch Kontaktkorrosion wie zwischen Formrahmen und Formrahmeneinsatz haben keinerlei Auswirkungen auf das Material.

Beim Kunststoffverarbeiter kommt der Stahl in einer von Wärme, Schwitzwasser und Kühlflüssigkeit geprägten Umgebung zum Einsatz. Um hier bestehen zu können, ist neben der Korrosionsbeständigkeit eine gute Zerspanbarkeit das A und O für den Werkstoff. Bei der Herstellung von Corroplast spielen daher Legierungselemente wie Chrom, Mangan und Schwefel eine wichtige Rolle. Sie werden während der Stahlerzeugung hinzugegeben und bestimmen im optimalen Verhältnis wesentlich über Härte, Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die exakte Einstellung der Eigenschaften von Corroplast geschieht letztlich durch eine gezielte metallurgische Behandlung zur Schwefelverteilung und natürlich auch bei der Wärmebehandlung. Hier wird der Stahl kontrolliert auf über 800 °C erwärmt und in Wasser oder Polymer abgeschreckt. Diese Behandlung fördert das charakteristische, sehr homogene Gefüge des Werkzeugstahls.

Tests unter Laborbedingungen

Um die Korrosionsbeständigkeit abzuschätzen und die geeignete Prüfmethode zu ermitteln, muss der Anwender wissen, welche Art von Korrosionsangriff vorliegt. Das Korrosionsverhalten ist eine Systemeigenschaft. Entsprechende Prüfungen liefern nur eine Eingruppierung der Stähle im gleichen Versuchsaufbau. Um beispielsweise das Korrosionsverhalten von Corroplast bewerten zu können, wurden im Auftrag der DEW daher mehrere Untersuchungen unter Laborbedingungen in chloridhaltigen Medien, Kondensaten und unter leicht sauren Bedingungen durchgeführt:

  • Elektrochemische Untersuchungen anhand von Stromdichte-Potenzial-Kurven in HCl pH 3 und HCl pH 5 (Elektrolytlösung) bei Raumtemperatur,
  • Konstantklimaprüfung (Schwitzwassertest) gemäß DIN EN ISO 6270 und Auswertung nach DIN EN ISO 10289,
  • Auslagerungsversuche gemäß DIN 50905, analoge Medien wie bei den elektrochemischen Versuchen,
  • Erprobung von Corroplast bei der Firma Cambridge Material Testing Ltd. mittels Auslagerungsversuchen nach ASTM G48-03.
Vergleich der Zerspanbarkeit in Prozent. © DEW

Zum Vergleich wurden die schwefellegierten Werkstoffe Formadur 2085 und Formadur 2312 ebenfalls untersucht. Nachfolgend werden einige Untersuchungsergebnisse vorgestellt. Bild 2 enthält stellvertretend die Auswertung der Korrosionsstromdichte, die als Maß für die Korrosionsgeschwindigkeit herangezogen werden kann. Dabei zeigte sich, dass die Korrosionsbeständigkeit von Corroplast mit der des Formadur 2085 vergleichbar ist, aber immer noch als deutlich beständiger einzuschätzen ist als der herkömmliche Formadur 2312. Bei den Auslagerungsversuchen nach DIN 50905 wurde das Ranking der Stähle bestätigt, wobei der korrosive Angriff bei Corroplast und Formadur 2085 nahezu gleich ist. Die Ergebnisse der Auslagerungsversuche gemäß ASTM G48-03, Methode A zeigt die Abbildung 3.

Auch diese Untersuchung zeigt die gleiche Reihenfolge. Corroplast hat unter diesen Versuchsbedingungen erwartungsgemäß eine etwas höhere Massenverlustrate, wird also mehr angegriffen als der Formadur 2085. Bei der Konstantklimaprüfung erfolgt die Bewertung mittels Punkt- und Fleckenkarten mit der Bewertungsskala von 1 bis 10, wobei 10 den besten Oberflächenzustand nach der Prüfung beschreibt. Sowohl der Formadur 2085 als auch Corroplast wurden mit 9 bewertet. Beim Schwitzwassertest waren so nur geringste Unterschiede zwischen Corroplast und Formadur 2085 festzustellen.

Die Anwendung bestimmt den Werkstoff

In dieser Tabelle werden Eigenschaften von Kunststoffformenstählen verglichen. © DEW

Die gute Zerspanbarkeit von Corroplast im Vergleich zu dem Werkstoff Formadur 2085 bestätigen auch die durchgeführten Untersuchungen in fünf verschiedenen Zerspanungsprozessen: Schruppen, Schlichten, Schleifen, Bohren und Fräsen.

Geringere Bearbeitungskosten und eine effizientere Bearbeitung sind die Vorteile für Formenbauer und Endverbraucher durch den Einsatz des Spezialstahls Corroplast.

Wie aus den einzelnen Eigenschaftsbeschreibungen und entsprechenden Laboruntersuchungen deutlich wird, kommt der Werkstoffauswahl in der Kunststoffindustrie eine sehr große Bedeutung zu. Auch die modernen Kunststoffformenstähle sind keine „Alleskönner“, deren Gebrauchseigenschaften sind jedoch auf bestimmte Anwendungen optimiert – und die sollte der Anwender kennen.

Kathrin Eger, Daniel Kipp, Dr. Philipp Niederhofer, Dr. Hans-Günter Krull, alle Deutsche Edelstahlwerke / ag

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