Leitfaden zur Materialauswahl für Spritzgießformen: P20 vs. H13 vs. S136

Sie erhalten zwei Werkzeugangebote für dasselbe Teil. Eines liegt 40 % über dem anderen. Der Lieferant erklärt den Unterschied mit der Stahlsorte: Ein Angebot basiert auf P20, das andere auf H13. Sie müssen Ihrem Entwicklungsteam den Unterschied erklären und die Budgetentscheidung begründen—ohne bei der Werkstoffkunde von vorn anzufangen. Dieser Leitfaden liefert den Rahmen, um diese Entscheidung gleich beim ersten Mal richtig zu treffen.

Warum ist die Auswahl des Werkzeugmaterials wichtig?

Die Auswahl des Formmaterials bestimmt Verschleißlebensdauer, erreichbare Oberflächengüte, Korrosionsbeständigkeit und Gesamtbetriebskosten des Werkzeugs — nicht nur den anfänglichen Werkzeugpreis. Die Wahl eines minderwertigeren Stahls zur Einsparung bei den Anfangskosten kann zu kürzerer Formlebensdauer, häufigerer Wartung und Oberflächenschäden führen, die einen Neuaufbau vor Erreichen des Produktionsvolumens erzwingen. Den vollständigen Kontext des Werkzeuglebenszyklus finden Sie in unserem Komplettleitfaden zu Spritzgießformen.

Die drei hier behandelten Sorten — P20, H13 und S136 — decken den Großteil der weltweit für Produktionsformen ausgewählten Stähle ab. Sie unterscheiden sich vor allem in Härte, Polierbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Preis. Jede Sorte ist für einen bestimmten Anwendungsbereich richtig; Ziel ist die Abstimmung auf die tatsächliche Produktionsanforderung und nicht stets ein Upgrade als Sicherheitsreserve. Professionelle Formenbaudienstleistungen finden Sie in unserem Angebot zum Spritzgießformenbau.

Wofür eignet sich P20 am besten?

P20 eignet sich am besten für Prototypenformen, Brückenwerkzeuge und Produktionsformen mit einer erwarteten Laufleistung unter 300.000 Schuss bei nicht abrasiven Thermoplasten¹. Der Stahl wird auf 28–34 HRC vorgehärtet geliefert und kann daher ohne Wärmebehandlung nach der Bearbeitung zerspant werden — das verkürzt die Lieferzeit und senkt die Werkzeugkosten gegenüber durchgehärteten Sorten.

P20 eignet sich gut für ABS, PP, PE, PS und andere Standardharze, die keine Glasfasern, Mineralien oder sonstigen abrasiven Füllstoffe enthalten. Der Stahl lässt sich für semikosmetische Teile auf SPI B2 oder besser polieren. Seine Einschränkung ist die Verschleißrate: Aufgrund der geringeren Härte verschleißt die Kavitätsoberfläche bei abrasiven Harzen, hohen Kavitätsdrücken oder sehr langen Produktionsläufen schneller als bei H13 oder S136.

Praktischer Auswahlschwellenwert: Liegt die erwartete Produktionsmenge unter 200.000–300.000 Schuss und ist das Harz ungefüllt, erzielt P20 fast immer die besten Stückkosten, wenn die gesamten Werkzeugkosten über den Produktionslauf abgeschrieben werden. Oberhalb dieser Menge fällt der Kostenschnittpunkt typischerweise zugunsten von gehärtetem Stahl aus.

Wann sollten Sie H13 wählen?

Diese Stahlsorte ist die richtige Wahl bei Produktionsmengen über 500.000 Schuss, bei glas- oder mineralgefüllten Harzen oder bei Zylindertemperaturen über 200 °C, wie sie technische Kunststoffe wie PEEK oder PPS erfordern. H13² ist ein Warmarbeitsstahl, der nach der Bearbeitung auf 44–52 HRC gehärtet wird — deutlich härter als P20 und beständiger gegen abrasiven Verschleiß sowie thermische Ermüdung.

Für glasfaserverstärkte Typen von Polyamid, PBT, PP oder ABS – mit einem typischen Glasfaseranteil von 15–50% – gilt H13 als Mindestspezifikation für Kavitäten- und Kernstahl. Die Verarbeitung glasfaserverstärkter Kunststoffe in P20-Werkzeugen erzeugt innerhalb von 50,000–100,000 Schuss sichtbaren Kavitätsverschleiß, der sich durch zunehmende Oberflächenrauheit, Maßdrift und Gratbildung an den Trennebenen zeigt.

H13 bewältigt auch erhöhte Temperaturwechsel besser als P20. Bei Harzen, die oberhalb von 300°C verarbeitet werden (PEEK, PEI, PPS), erzeugt die wiederholte Wärmeausdehnung und -kontraktion während des Formzyklus Ermüdungsspannungen im Kavitätsstahl; die Beständigkeit von H13 gegen thermische Ermüdung ist unter diesen Betriebsbedingungen deutlich höher als die von P20.

Wann ist S136 die bessere Wahl?

S136 ist die richtige Wahl bei korrosiven Harzen — PVC, flammhemmenden Sorten mit Halogenzusätzen oder jedem Werkstoff, der bei der Verarbeitung saure Gase freisetzt — sowie bei Anwendungen, die spiegelblanke optische Klarheit oder Lebensmittelkonformität erfordern. Rostfreier Werkzeugstahl S136³ ist ein Edelstahl-Werkzeugstahl mit über 13 % Chrom, der nach der Bearbeitung auf 48–52 HRC gehärtet wird.

Der Mechanismus der Korrosionsbeständigkeit ist für die Spezifikation entscheidend: Standard-Werkzeugstähle einschließlich H13 rosten in Gegenwart saurer Gase, die von PVC oder bestimmten Flammschutzmitteln freigesetzt werden. Dadurch entsteht Lochfraß an der Kavitätsoberfläche, der sich als Oberflächenfehler an den Teilen zeigt. Die rostfreie Zusammensetzung von S136 widersteht diesem Abbau. Für medizinische Anwendungen und Anwendungen mit Lebensmittelkontakt erfüllt S136 zudem Anforderungen an Sauberkeit und chemische Inertheit, die Standard-Kohlenstoff- und legierte Stähle ausschließen.

Die Polierbarkeit von S136 bis zur SPI A1-Spiegelglanzoberfläche ist deutlich besser als bei P20 oder H13. Die feine Karbidstruktur des rostfreien Werkzeugstahls ermöglicht feineres Polieren ohne Lochfraß, was für optische Linsenkomponenten, transparente Gehäuse oder Teile entscheidend ist, bei denen die Oberflächengüte unmittelbar das Produkterscheinungsbild bestimmt. Bei optisch kritischen Anwendungen ist S136 keine optionale Aufwertung—sondern eine technische Anforderung, die H13 nicht erfüllen kann.

Wie unterscheiden sich P20, H13 und S136?

Die folgende Tabelle vergleicht die drei Werkstofftypen anhand der Kriterien, die für die Auswahl entscheidend sind. Nutzen Sie sie als ersten Filter und stimmen Sie die genaue Werkstoffspezifikation für das Harz und das Produktionsvolumen Ihrer Anwendung mit Ihrem Werkzeugbauer ab.

Ein Übergangshinweis zu den Kosten: Die Tabelle zeigt die relative Auswirkung auf die Werkzeugkosten, nicht die Stückkosten oder amortisierten Kosten. Eine Form, die aus H13 35% mehr kostet, aber 3× länger läuft als dasselbe Werkzeug aus P20, hat über ihre Lebensdauer niedrigere Kosten pro Schuss. Die Auswahl der Stahlgüte sollte stets anhand des erwarteten Produktionsvolumens und nicht nur anhand des anfänglichen Werkzeugangebots bewertet werden.

Wie beeinflussen Stückzahl und Harz die Wahl des Werkzeugstahls?

Produktionsvolumen und Harztyp sind die beiden wichtigsten Eingangsgrößen für die Auswahl des Formenstahls – sie bestimmen, welche Güte technisch ausreichend ist und welche die besten amortisierten Kosten bietet. Volumengrenzen sind keine starren Grenzen; sie kennzeichnen die Bereiche, in denen der Kostenübergang in der Praxis typischerweise eintritt.

Unter 100,000 Schüssen mit ungefülltem Harz: P20 gewinnt bei den Gesamtkosten fast immer. Unter 300,000 Schüssen mit ungefülltem Harz: P20 bleibt die Standardwahl, sofern Oberflächengüte oder Korrosionsbeständigkeit nicht für S136 sprechen. Über 500,000 Schüssen mit beliebigem Harz: mindestens H13; S136 prüfen, wenn korrosive oder optische Anforderungen bestehen. Bei jedem Volumen mit glas- oder mineralgefülltem Harz: mindestens H13 unabhängig vom Volumen—der abrasive Verschleißmechanismus schließt P20 unabhängig von der prognostizierten Schusszahl aus.

Einfluss des Harztyps auf die Verschleißrate nach Stahlsorte

Die Harzauswahl beeinflusst auch die Wartungshäufigkeit innerhalb der gewählten Stahlsorte. Glasfaserverstärktes Nylon verschleißt in H13 die Kavitätsoberfläche, doch mit einem geeigneten Wartungsplan bleibt die Rate über die vorgesehene Werkzeuglebensdauer beherrschbar. Dasselbe Harz verursacht in P20 bereits innerhalb der ersten 50.000 Schuss messbaren Kavitätsverschleiß. Den umfassenderen Prozesskontext der Wechselwirkungen zwischen Harz und Werkzeug finden Sie in unserem Komplettleitfaden zum Spritzgießen.

Was ist die einfachste Regel für die Auswahl von Werkzeugstahl?

Wenn Sie eine einzige Entscheidungsregel benötigen, die die meisten Fälle abdeckt: Wählen Sie P20 für ungefüllte Harze bei weniger als 300.000 Schuss, H13 für abrasive Materialien oder mehr als 500.000 Schuss und S136 für korrosive Harze oder optische beziehungsweise lebensmitteltechnische Anwendungen – unabhängig vom Volumen. Im Überschneidungsbereich (200.000–500.000 Schuss, ungefülltes Harz) ist ein Gespräch mit Ihrem Werkzeugbauer besonders wertvoll, da Bauteilgeometrie, Wartungsplan und Kavitätskomplexität den Übergangspunkt beeinflussen.

Wenn die Anwendung an einer Entscheidungsgrenze liegt, bitten Sie Ihren Lieferanten, für beide Werkstoffgüten die Kosten pro Schuss bei der geplanten Stückzahl zu berechnen. Die Mehrkosten für den Stahl, geteilt durch die Differenz der Schusszahlen zwischen den Werkstoffgüten, ergeben häufig einen Wert, der die Entscheidung eindeutig macht. Ausführliche technische Hinweise zu Werkzeugwerkstoffen, Spezifikationen und Konstruktion finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden für Spritzgießwerkzeuge.

Wenn Sie eine Empfehlung für eine Stahlsorte für ein bestimmtes Bauteil und Produktionsprogramm wünschen, wenden Sie sich für eine Prüfung des Werkzeugmaterials an unser Werkzeugtechnikteam.

Häufig gestellte Fragen: Welchen Werkzeugstahl sollte ich wählen?

Worin unterscheiden sich die Werkzeugstähle P20, H13 und S136?

P20 ist ein vorgehärteter Stahl (28–34 HRC), der sich für Werkzeuge mit kleinen bis mittleren Stückzahlen und ungefüllten Kunststoffen eignet. H13 ist ein Warmarbeitsstahl, der nach der Bearbeitung auf 44–52 HRC gehärtet wird und eine höhere Verschleißfestigkeit für abrasive Kunststoffe und Großserien bietet. S136 ist ein rostfreier Werkzeugstahl mit mindestens 13% Chrom. Er ist korrosionsbeständig gegenüber aggressiven Kunststoffen und lässt sich für optische Anwendungen auf Hochglanz polieren.

Wann sollte ich von P20 auf H13 umsteigen?

Wechseln Sie zu H13, wenn die erwartete Produktion 300,000–500,000 Schuss übersteigt, das Harz Glas-, Mineral- oder abrasive Füllstoffe in beliebigem Anteil enthält oder die Verarbeitungstemperaturen 200°C überschreiten. Der abrasive Verschleiß durch glasfaserverstärkte Harze macht H13 zu einer technischen Notwendigkeit und nicht nur zu einer optionalen Aufrüstung – P20 verschleißt bei abrasiven Materialien unabhängig vom Volumen schneller als für die vorgesehene Werkzeuglebensdauer zulässig.

Ist S136 immer teurer als H13?

S136-Stahl ist nach Materialgewicht typischerweise 15–25 % teurer als H13, und einschließlich Bearbeitung und Wärmebehandlung liegen die Werkzeugkosten üblicherweise 40–60 % über P20. Bei Anwendungen, für die S136 technisch erforderlich ist — korrosive Harze, optische Teile, Lebensmittelkontakt — gibt es jedoch keine preislich vergleichbare Alternative, die die technische Spezifikation erfüllt.

Kann ich P20 für glasfaserverstärktes Nylon verwenden?

Nein. Glasfaserverstärktes Polyamid und andere abrasive Kunststoffe führen bei P20-Werkzeugen zu beschleunigtem Verschleiß der Kavitätsoberfläche, der typischerweise nach 50,000–100,000 Schuss als sichtbare Zunahme der Rauheit auftritt. Die Mindestspezifikation für glasfaserverstärkte Kunststoffe ist H13 (44–52 HRC). Die Verarbeitung glasfaserverstärkter Kunststoffe in P20-Werkzeugen ist keine kostensparende Entscheidung; sie führt zu einem Werkzeug, das sein vorgesehenes Produktionsvolumen nicht erreicht und frühzeitig ersetzt oder aufgearbeitet werden muss.

Wovon hängt ab, ob ich S136 oder H13 benötige?

S136 ist erforderlich, wenn das Harz während der Verarbeitung korrosive Gase freisetzt (PVC, halogenierte Flammschutzmittel), die Anwendung Konformität für Lebensmittelkontakt oder Medizinqualität erfordert oder die Spezifikation der Oberflächengüte eine SPI A1-Spiegelpolitur verlangt. Für alle anderen Großserienanwendungen mit nicht korrosiven Harzen und Anforderungen an eine halbkosmetische Oberfläche ist H13 die geeignete Wahl.

Wie beeinflusst die Stahlsorte die Werkzeuglieferzeit?

P20 wird vorgehärtet geliefert und benötigt nach der Bearbeitung keine Wärmebehandlung, wodurch die Lieferzeiten kürzer bleiben. H13 und S136 müssen nach der Grobbearbeitung gehärtet werden—typischerweise verlängert dies den Werkzeugbauplan um 2–4 Wochen. Dieser Lieferzeitunterschied ist bei dringenden Programmen relevant, sollte jedoch nicht zu einer Stahlwahl führen, deren Verschleißlebensdauer für das Produktionsvolumen unzureichend ist.

Quellen

1. ASM International. Werkzeugstähle, 5. Aufl. (1998). Spezifikationen für vorgehärtete Stähle der P-Reihe (P20: 28–34 HRC); Zusammensetzungen der Warmarbeitsstähle der H-Reihe.
2. SPI (Society of the Plastics Industry). Leitfaden zur Formtechnologie. Schwellenwerte für Produktionsmengen und Richtlinien zu Harztypen bei der Auswahl von P20, H13 und rostfreiem Werkzeugstahl.
3. Machinery’s Handbook, 31st ed. Abschnitt zu Werkstoffen für Spritzgießwerkzeuge: relative Werkzeugkostenaufschläge (+20–35% für H13, +40–60% für S136 gegenüber P20) und Schätzungen der Lieferzeit für die Wärmebehandlung (2–4 Wochen).