Laserlegieren von Rückstromsperren
Rückstromsperre und Belastungsbereich an der Spitze der Unterseite eines Flügels (©Engel Austria GmbH)
MOTIVATION
Eine essentielle Komponente in der Plastifiziereinheit einer Kunststoff- spritzgießmaschine ist die sogenannte Rückstromsperre. Diese verhindert – in Kombination mit Sperrring und Druckring – durch passgenaues Schließen das Rückströmen der Schmelze während der Einspritz- und Nachdruckphase, während sie in der Plastifizierphase geöffnet ist. In beiden Prozessphasen sind die Kräfte zwischen den einzelnen Komponenten sehr hoch – in der Einspritzphase können Drücke von über 2400 bar auftreten. Daher sind diese Rückstromsperren speziell an den sogenannten Flügeln höchsten Belastungen ausgesetzt. Die Härte und Zähigkeit der Spitzen muss daher besonders hoch sein, um eine zufriedenstellende Lebensdauer der Rückstromsperre zu erzielen.
Prinzip des Laserlegierens
TECHNOLOGIE
Die Technologie des Laserlegierens wird seit über 20 Jahren bei MATERIALS weiterentwickelt: Im Rahmen der Forschung an unterschiedlichen Legierungssystemen werden mit einem Hochleistungslaser die Oberfläche eines Werkstoffes bis in eine Tiefe von mehreren Millimetern aufgeschmolzen. In dieses Schmelzbad werden dann zusätzliche Legierungselemente eingebracht. Nach der Wiedererstarrung der Schmelze entsteht eine neue Legierung. Dieser Prozess ähnelt einem „Miniatur-Stahlwerk“. Die einzige Limitierung dieser Technologie besteht darin, dass sie nur an einfachen und nahezu ebenen Bauteiloberflächen abseits der Randbereiche durchführbar ist.
Gefügevariation durch Änderung des Vanadium-Gehalts: 7 %, 15 % und 25 % (v.l.n.r.)“
PHYSIK
Das Einbringen von Monokarbidbildnern (V, Nb, Ti) bewirkt, dass sich nach der Erstarrung Monokarbide mit hohen Härten von bis zu 3000 HV bilden, wobei durch die Variation der Zufuhr das entstehende Gefüge gezielt beeinflusst werden kann.
Gefügevariation einer Legierung mit 17 % V-Gehalt, links ohne und rechts mit Impfen durch Titan
Die Verteilung, die Größe und die Morphologie der in der Schmelze ausgeschiedenen Karbide sind abhängig von der Keimbildung bei der Abkühlung der Schmelze, welche wiederum nicht nur von der Konzentration, sondern auch von der Schmelzbad- temperatur und Abkühlungsrate abhängig ist. Somit kann durch eine höhere Leistungsdichte die Schmelzbadtemperatur erhöht werden, was wiederum zu einer rascheren Abkühlrate und verminderter Keimbildung führt. Auch können beim Legieren mit Vanadium durch Impfen mit Titan Keime aus Titankarbid (TiC) erzeugt werden, die als zusätzliche Wachstumskeime für Vanadiumkarbid (VC) dienen. Die Erhöhung der Keimanzahl führt zu feinen Karbiden mit einer dichten Verteilung.
Beeinflussung der Legierungsspur durch Beigabe oberflächenaktiver Substanzen
Die Homogenisierung des Schmelzbads erfolgt durch starke Konvektionsströmungen. Da die Strömung des Schmelzbads immer in Richtung steigender Oberflächenspannung erfolgt, kann die Geometrie des Schmelzbads durch die Beigabe oberflächenaktiver Substanzen gesteuert werden.
Laserlegieren an einer Rückstromsperre (links), legierter Bereich (rechts oben) und Querschliff (rechts unten)“
PROJEKT
In Zusammenarbeit mit der Fa. Engel Austria GmbH wurde das Laserlegieren mittels VC als Verschleißschutz an den kritischen Stellen der Rückstromsperren während einer mehrjährigen Entwicklungsphase zur Serienreife gebracht. Dabei wurde für den verwendeten Stahlwerkstoff der Legierungsprozess mittels Vanadium optimiert, sodass eine hohe Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig geringer Sprödigkeit erzielt und die Rissanfälligkeit während des Herstellungsprozesses minimiert wurde.
Aufgrund der Einschränkung dieser Technologie auf nahezu ebene Oberflächen abseits von Rändern und Kanten wird das Laserlegieren der Rückstromsperren am Halbzeug durchgeführt. Erst nach erfolgtem Legierungsprozess wird das nötige Übermaß entfernt, und es wird die finale Form der Flügel ausgearbeitet. Dadurch ist an den Flügelspitzen die maximale Legierungstiefe gegeben.
Nach erfolgter Überleitung in die Serientauglichkeit werden die Rückstromsperren der Fa. Engel Austria GmbH seit 20 Jahren in den unterschiedlichsten Dimensionen gefertigt. Diese spezielle Art der lokalen Werkstoffmodifikation wurde für diesen Anwendungsfall patentiert und kann derzeit durch keine andere Technologie ersetzt werden.