Formstahl

Metallurgy
1. Werkzeugstahl, gegossen, geschmiedet und wärmebehandelt, beispielsweise ein Warmarbeitsstahl für Druckgussformen und thermisch hochbeanspruchte Kokillen (Tabellen  1 und 2). Formstähle werden im weichgeglühten oder vorvergüteten Zustand spanabhebend bearbeitet. Nach Fertigstellung der Formbauteile müssen jene, die aus weichgeglühten Formstählen angefertigt wurden, vergütet, das heißt gehärtet und angelassen werden.

Vorvergütete Stahlsorten bedürfen dieser Wärmebehandlung nicht, doch ist immerhin ein Spannungsarmglühen bei der, der gewünschten Einbaufestigkeit entsprechenden Anlasstemperatur zu empfehlen. Durch die zerspanende Bearbeitung treten im Formstahl bleibende Spannungen auf, die an sich durch das abschließende Glühen auf Härtetemperatur wieder abgebaut werden, nicht aber wenn einbaufertige, vorvergütete Stähle verwendet werden. Ein Spannungsarmglühen ist außerdem auch stets nach Durchführung von Formreparaturen (Schweißen, Schleifen usw.) erforderlich.

Die erzielbare Formstandzeit hängt nicht nur von der Wahl eines geeigneten Formstahles und von dessen fachgerechter Wärmebehandlung, sondern auch von den bei der Formherstellung und im Gießereibetrieb induzierten Spannungen ab. Die schon erwähnten, bei der Zerspanung auftretenden Spannungen werden beim Glühen auf Härtetemperatur abgebaut, sofern die Erwärmung langsam genug erfolgt. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, treten zusätzliche Wärmespannungen auf, die gemeinsam mit den dann nicht vollständig abgebauten Bearbeitungsspannungen eine so hohe Vorspannungssumme ergeben, dass der Formstahl beim Druckgießen schon sehr bald Schaden leidet.

Gerade beim Druckgießen kommt es sehr darauf an, dass im Dauerbetrieb keine erneuten hohen Spannungen entstehen. Dies könnte beispielsweise eintreten, wenn die Form vor Gießbeginn ungenügend angewärmt wird. Wenn nur ein einziges Mal in eine kalte Form gegossen wird, sind die dabei entstehenden Spannungen so groß, dass der Formstahl bereits nach kurzer Zeit ausfällt. Daher ist es besonders wichtig, die Formstähle nach einer bestimmten Schusszahl einem Zwischenglühen zu unterziehen.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, werden für Druckguss aus niedrigschmelzenden Legierungen und für Leichtmetall vorzugsweise Chrom-Molybdän-Vergütungsstähle verwendet. Hier sind es vor allem die Sorten X38 CrMoV 5–1 (Werkstoff-Nr. 1.2343) und X40 CrMoV 5–1 (Werkstoff-Nr. 1.2344). Es sind also Stähle, die 5 % Cr, 1 % Mo und 1 % V enthalten. Sehr gute Eigenschaften hat auch der etwas höher legierte Formstahl X38 CrMoV 5–3 (Werkstoff-Nr. 1.2367), der sich durch hohe Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit auszeichnet (Bild 1).

Es wurden viele Anstrengungen unternommen, die in der Praxis bewährten Formstahlsorten qualitativ zu verbessern, um höhere Beständigkeit gegen Brandrissbildung und dadurch noch längere Standzeit zu erzielen. Hierbei wurde nicht so sehr die Stahlzusammensetzung, sondern in erster Linie die Herstellungstechnologie verfeinert. Diese Entwicklung führte zu qualitativ hochwertigen Formstählen, die den konventionell erzeugten Sorten gleicher Zusammensetzung überlegen sind.

Solche Qualitätsformstähle sollen möglichst wenig Primärcarbide enthalten, denn sie vermindern die Duktilität und fördern damit die Rissauslösung und -ausbreitung. Auch die Zähigkeit ist wichtig für die Erzielung hoher Lebensdauer, und sie wird verschlechtert durch Grobkorn, Sekundärcarbide an den Korngrenzen, Ausscheidung von Bainit oder Perlit statt Martensit sowie durch Spurenelemente, die Anlasssprödigkeit bewirken. Ausserdem kommt es darauf an, Seigerungen zu minimieren und hohe Gefügehomogenität zu erreichen; dies lässt sich durch besondere Verfahren, zum Beispiel das Elektroschlackeumschmelzen, realisieren. Aber auch in der Stahlerzeugung werden verbesserte Verfahren, zum Beispiel im Rahmen der Sekundärmetallurgie, angewandt. Wichtig ist auch eine Angleichung der Eigenschaften der Schmiedeblöcke in Längs- und Querrichtung (Isotropie), und hier lässt sich durch dreidimensionales Schmieden eine wesentliche Qualitätsverbesserung erzielen. Eine weitere Maßnahme ist das Diffusionsglühen, das sich günstig auf den Abbau von Seigerungen auswirkt.

Die Wärmebehandlung der Vergütungsstähle besteht aus Härten und Anlassen. Zum Härten wird der Stahl im Ofen langsam und gleichmäßig, evtl. auch in Etappen, bis zum Erreichen der Umwandlungstemperatur, dann aber rasch bis zur Härtetemperatur (Austenitisierungstemperatur) aufgeheizt. Die Umwandlungstemperatur liegt für den gebräuchlichsten Formstahl X40 CrMoV 5–1 bei etwa 840 °C und die Härtetemperatur bei 1000 bis 1080 °C. Gleiche Wirkungen haben niedrigere Härtetemperatur und längere Haltezeit einerseits und höhere Härtetemperatur mit kürzerer Haltezeit andererseits.

Um beim Anlassen eine bestimmte Härte beziehungsweise Einbaufestigkeit (Zugfestigkeit) zu erreichen, richtet man sich nach den Anlasskurven (den Glühkurven für das Anlassen). Ein Beispiel zeigt Bild 2 und man sieht daraus, das die Härtetemperatur, von der vorher abgeschreckt worden war, eine gewisse Rolle spielt, da sie auf die Ausgangshärte vor dem Anlassen und dadurch auch auf das beim Anlassen erzielbare Härte beziehungsweise Festigkeitsniveau Einfluss nimmt. Weitere Anlasskurven zeigt Bild  3. Anlasstemperatur und Anlassdauer stehen in ähnlicher Wechselbeziehung wie Härtetemperatur und Haltezeit beim Härten. Üblich ist ein zweimaliges Anlassen, wobei das zweite Anlassen bei jener Temperatur erfolgt, die gemäß der Anlaßkurve zur gewünschten Härte oder Einbaufestigkeit führt. Zu empfehlen ist ein drittes Anlassen bei etwas niedrigerer Temperatur, das einem Spannungsarmglühen entspricht.

Für das Spannungsarmglühen wie auch für das Zwischenglühen von Bauteilen aus vergütetem Formstahl ist es wichtig zu wissen, wie hoch die Temperatur beim zuletzt vorgenommenen Anlassen gewesen war. Um dies an einem Beispiel darzustellen, zeigt Bild  4 die Aufeinanderfolge der verschiedenen Glühkurven einer kompletten Wärmebehandlung des Formstahls X 40 CrMoV 5–1 wie sie häufig gewählt wird. Begonnen wird mit dem ersten Spannungsarmglühen der bearbeiteten Bauteile zum Abbau der Bearbeitungsspannungen. Danach folgt das Aufheizen in mehreren Stufen bis auf Härtetemperatur und danach das Abkühlen an Luft, im Warmbad oder in Öl. Nach dem Reinigen des gehärteten Bauteils wird vergütet, und zwar mit zweimaligem Anlassen. Nach dem ersten Anlassen wird die Härte gemessen und entsprechend der für diesen Stahl geltenden Anlasskurve ein zweites Mal angelassen, um die gewünschte Härte oder Einbaufestigkeit zu erreichen. Daran schließt sich ein drittes Anlassen an, das identisch mit einem erneuten Spannungsarmglühen ist; es wird etwa 50 K unterhalb der zuletzt gewählten Anlaßtemperatur (beim zweiten Anlassen) vorgenommen, und ebenso wird vor und/oder nach späteren Formreparaturen spannungsarm geglüht. Auch das Zwischenglühen besonders beanspruchter Formbauteile nach einer gewissen Schusszahl wird so durchgeführt wie das dritte Anlassen in Bild 4.

In Tabelle 2 sind martensitaushärtbare Nickelstähle aufgeführt (Werkstoff- Nr. 1.2706 und 1.2709). Sie haben sich als gut geeignete Formstähle hoher Temperaturwechselbeständigkeit eingeführt. Die Bearbeitung erfolgt im lösungsgeglühten Anlieferungszustand, und nach der Fertigstellung der Bauteile wird lediglich bei einer Temperatur zwischen 450 und 550 °C ausgehärtet, um eine Einbauhärte von 46 bis 50 HRC zu erreichen. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt somit niedriger als bei anderen Formstählen. Eine weitere Sorte ist der martensitaushärtbare Stahl X2NiCoMoTi 12–8–8 (Werkstoff-Nr. 1.2799), der sich für Druckgießformen ebenfalls bewährt hat.

2. Warmgewalzte Fertigerzeugnisse in Profilform, die in geraden Stäben gewalzt werden und deren Querschnitte den Buchstaben H, I, U und Ω ähneln. Die Steghöhe berägt mindestens 80 mm.
<IMAGETITLE ac_groupseparator="/" ac_cstyle="StandardLexikon/bildunterschrift" ac_pstyle="StandardLexikon/Bildunterschrift">Bild 4: Zeit-Temperatur-Folge einer kompletten Wärmebehandlung des Formstahls X 40 CrMoV 5 1 (nach R. Breitler und J. Stuhl)</IMAGETITLE><IMAGESOURCE ac_groupseparator="/" ac_cstyle="StandardLexikon/bildquelle"> (</IMAGESOURCE><IMAGESOURCE ac_groupseparator="/" ac_cstyle="StandardLexikon/bildquelle" ac_pstyle="StandardLexikon/Bildunterschrift" cols="1">GIESSEREI LEXIKON</IMAGESOURCE><IMAGESOURCE ac_groupseparator="/" ac_cstyle="StandardLexikon/bildquelle">)</IMAGESOURCE>
        Modellplatte mit der Ausführung eines speziellen Formstandes.     Haltbarkeit einer metallischen Dauerform, zum Beispiel der Kokille oder der Druckgießform. Es wird die Zahl der Abgüsse bis zum Auftreten eines unzulässig hohen Formverschleißes genannt, (Temperaturwechselbeständigkeit, Druckgießform).

Bild 1: Warmstreckgrenze von drei Formstählen, vergütet auf rd. 1450 N/mm (nach D. Detering)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Anlassverhalten von zwei Formstählen in Abhängigkeit von der Härtetemperatur© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: Anlasskurven einiger Formstähle (nach H. M. Hiller)© GIESSEREI LEXIKON
Tabelle 1: Verwendungsbereiche der gebräuchlichsten Formstähle
Tabelle 2: Zusammensetzung der Formstähle nach Tabelle 1