Werkzeugstahl:Stahl, der Dinge erledigt

Die Metallzusammensetzung und Herstellung von Werkzeugstählen

Was ist Werkzeugstahl?

Werkzeugstähle sind außergewöhnlich harte, zähe oder verschleißfeste Legierungen. Ihre Eigenschaften stammen sowohl aus ihrer Chemie als auch aus ihrer Herstellung. Wie ihr Name andeutet, sind diese Stähle bereit zum Schneiden, Schleifen, Bohren, Stanzen, Schlagen oder für andere harte Arbeiten. Werkzeugstähle müssen für ihre Anwendung die richtigen Materialeigenschaften aufweisen. Zum Beispiel benötigen ein Bohrer und ein Stempel jeweils Härte und Verschleißfestigkeit. Der Stempel erfährt jedoch mehr Schlag, während der Bohrer mehr Scherung erfährt. Ingenieure und Metallurgen wählen die Art des Werkzeugstahls basierend auf der Verwendung des Werkzeugs aus.

Alle Werkzeugstähle haben Legierungselemente, die Karbide erzeugen, ein dicht gepacktes Metallgitter, das ein Metall und Kohlenstoff enthält. Karbide sind ein feuerfestes Material, was bedeutet, dass sie einem Zerfall unter Druck, Chemikalien oder Hitze widerstehen.

Es ist jedoch nicht nur die Chemie, die einen Werkzeugstahl ausmacht. Ein Werkzeugstahl erhält seine Härte auch durch eine genau kontrollierte Wärmebehandlung und Abschreckung.

Härten von Werkzeugstahl durch Abschrecken

Abschrecken ist ein Verfahren zum Härten von Stahl durch Veränderung seiner Mikrostruktur.

Zuerst wird der Stahl erhitzt. Stahllegierungen werden je nach Kohlenstoffmenge in der Mischung auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt. Eisen und Kohlenstoff durchlaufen verschiedene „Phasen“, in denen die Moleküle unterschiedliche Formen annehmen, und diese Phasen hängen von der Gesamtchemie ab.

Sobald die richtige Hitze erreicht und gehalten wurde, wird die Legierung abgeschreckt oder gekühlt, indem sie einem viel kühleren Gas oder einer viel kühleren Flüssigkeit ausgesetzt wird. Dieses Abschrecken friert das Metall schnell ein. Wenn das Metall auf diese Weise schockgefroren wird, beginnen viele winzige Kristallkörner des Metalls auf einmal zu gefrieren, mit einer großen Verschiebung in jedem Korn und zwischen ihnen. Vergleichen Sie dies mit einer sehr langsamen Abkühlung, bei der Körner im Laufe der Zeit in größeren, kreisförmigen Blüten langsam abkühlen. Langsam abgekühlte Metallkörner können sich beim Auftreffen auf das Metall aneinander vorbeibewegen und das Metall verbeulen, aber nicht brechen. Schockgefrieren gibt der Molekularstruktur weniger Bewegungsspielraum, wenn sie getroffen wird, wodurch sie härter wird und weniger wahrscheinlich einbeult wird. Das Metallgitter in diesen Strukturen wird Martensit genannt, und es ist die gezackte, gezackte Molekularstruktur von Martensit, die abgeschreckten Metallen ihre charakteristische Härte verleiht.

Das Abschrecken mit Wasser ist der schnellste Weg zum Abschrecken und das Abschrecken mit Luft der langsamste Weg. Was die Legierung verarbeiten kann, hängt von ihrer Chemie ab. Einige Legierungen können brechen oder sich verziehen, wenn sie zu schnell abgekühlt werden, härten aber bei einer sanfteren Luftabschreckung gut aus. Andere bilden keine harte Martensitschicht, es sei denn, sie werden von einer großen Temperaturänderung wie der in Wasser geschockt.

Kategorien von Werkzeugstahl

Es gibt sechs große Kategorien von Werkzeugstahl. Die vier gebräuchlichsten sind wassergehärtete, Kaltarbeits-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstähle. Spezielle Anwendungen verwenden auch schlagfeste und spezielle Werkzeugstähle.

Wassergehärtet

Diese Gruppe von Werkzeugstählen besteht im Wesentlichen aus Kohlenstoffstahl, der wärmebehandelt wurde. Sie haben 0,5–1,5 % Kohlenstoff. Andere Legierungselemente können wegen ihrer unterschiedlichen Qualitäten vorhanden sein, aber diese liegen im Allgemeinen unter 0,5 %. Diese Metalle, wie Nickel, Wolfram oder Molybdän, sind teuer. Die Verwendung von weniger teurem Metall bietet einen Mehrwert für leichtere Anwendungen.

Der extreme Schock des Wasserabschreckens ist bei dieser Gruppe von Stählen erforderlich, um eine harte Außenschicht zu erhalten. Leichte Werkzeuge, Kleinteile wie Federn und kleine Befestigungselemente sind wahrscheinlich Endprodukte. Sie dürfen nicht in extremen Umgebungen eingesetzt werden, da Stähle der W-Serie etwas spröder sind als andere Werkzeugstähle. Stähle der W-Serie sind anfälliger für Rissbildung und können nur Dauertemperaturen bis 150 °C (302 °F) standhalten.
Kaltarbeitsstahl

Kaltarbeitsstähle sollen bei „kalten“ Temperaturen eingesetzt werden – sie sind hart, zäh und verschleißfest, aber nicht in heißen Umgebungen. Da das Schneiden von kalten Materialien mehr Kraft erfordern kann als das Schneiden von heißen Materialien, ist die Druckfestigkeit bei Kaltarbeitsstahl ein Muss.

Kälte bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass es Zeit für den Metallbauer ist, einen Pullover anzuziehen. 200 °C (392 °F) und darunter gelten als kalte Arbeitsumgebung für diese Werkzeuge. Im Gegensatz zu vielen Stahlsorten bildet sich bei Kaltarbeitsstählen häufig Graphit. Dieser Graphit macht viele dieser Legierungen bearbeitbar:Der Graphit sorgt für Schmierung.

Die Unterkategorien von Kaltarbeitsstahl sind:
- Ölhärtung (O-Serie):Während der Produktion werden diese Legierungen in Öl abgeschreckt. Sie haben 0,85–2,00 % Kohlenstoff und normalerweise weniger als 1 % jedes anderen Legierungselements. Diese Elemente können Mangan, Silizium, Wolfram, Chrom, Vanadium und Molybdän umfassen.
- Lufthärten (A-Serie):Während der Produktion werden diese Legierungen an Luft abgeschreckt. Sie haben 0,05–2,85 % Kohlenstoff. Diese Stähle können bis zu 5 % Chrom enthalten. Hoher Chromanteil bedeutet, dass die A-Serie während der Wärmebehandlung keiner Maßverzerrung unterliegt. Chrom ergibt engere Toleranzen.
- Chrom mit hohem Kohlenstoffgehalt (D-Serie):Diese Kaltarbeitsstähle funktionieren bis zu 425 °C (797 °F). Sie enthalten 1,4–2,5 % Kohlenstoff und 11–13 % Chrom. Sie können je nach Legierung luft- oder ölabgeschreckt werden und weisen bei beiden Kühlmethoden nur sehr geringe Verformungen auf. Diese Legierungen haben im Allgemeinen eine sehr hohe Abriebfestigkeit.

Warmarbeitsstahl

Warmarbeitsstähle haben alle einen höheren Anteil an Legierungselementen, um mehr Karbide zu erzeugen und heißere Arbeitstemperaturen zu bewältigen. Warmarbeitsstähle können bei Temperaturen bis zu 540 °C (1004 °F) arbeiten. Als Gruppe haben die meisten einen niedrigen Kohlenstoffanteil von unter 0,6 %.

Warmarbeitsstahl wird häufig in der Hochtemperaturfertigung mit verformbaren heißen Materialien wie Metall und Glas verwendet. Matrizen, Stempel, Extruder und Kompressoren können alle aus Warmarbeitsstahl hergestellt werden. Das Werkzeug muss auch bei längerer Hitzeeinwirkung funktionsfähig bleiben.

Es gibt drei Haupttypen von Warmarbeitsstahl, basierend auf dem Hauptlegierungselement:Chrom, Wolfram oder Molybdän. Einige haben einen hohen Gehalt an Chrom und Wolfram und werden daher je nach Hersteller als Wolfram oder als Chrom sortiert. Das Hauptlegierungselement erzeugt die Art des Karbids im Stahl, und jedes Karbid bietet unterschiedliche Vorteile.

Die Unterkategorien von Warmarbeitsstahl sind:
- Chrom :Chrom-Warmarbeitsstähle enthalten 3–5 % Chrom. Andere Legierungselemente wie Wolfram, Vanadium oder Molybdän liegen unter 5 %. Vanadium wird im Allgemeinen in Stahl verwendet, der für Schneidwerkzeuge verwendet wird. Diese Gruppe von Legierungen (insbesondere AISI H13) sind die am häufigsten verwendeten Warmarbeitswerkzeuge.
- Wolfram :Diese Legierungen enthalten oft kein Molybdän oder Vanadium. Stattdessen enthalten sie 9–18 % Wolfram. Die meisten Wolfram-Warmarbeitsstähle enthalten zwischen 2 und 4 % Chrom. Das ist nicht überall richtig:Beispielsweise hat die Legierung AISI H23 12 % Chrom und 12 % Wolfram. H23 wird manchmal als Chromstahl bezeichnet, manchmal als Wolframstahl und manchmal beides. Wolframstähle bieten eine hervorragende Hitzebeständigkeit, können aber spröde sein; Dies wird durch Vorheizen auf Betriebstemperatur vor dem Gebrauch erreicht.
- Molybdän :Viele Chrom-Warmarbeitsstähle enthalten etwas Molybdän. Premium-Warmarbeitsstähle für sehr raue Umgebungen haben es in sich. Molybdän sorgt für höhere Hitzestabilität und Verschleißfestigkeit bei schweren Heißarbeitsanwendungen. Die Molybdänlegierungen AISI H42 und H43 werden häufig als Matrizen oder Schneidwerkzeuge in Metallwerken verwendet, um die Hitze und Kraft beim Schneiden und Schmieden zu bewältigen.
Schnellarbeitsstahl

Moderne Produktionsverfahren sind zum Teil auf die Erfindung dieser Klasse von Werkzeugstählen zurückzuführen. Schneidwerkzeuge und Maschineneinsätze, die mit hoher Geschwindigkeit laufen, werden durch Reibung heiß. Die Hochgeschwindigkeits-Materialinnovation ermöglichte es den Maschinisten, ihre Produktionsrate zu steigern.

1900 wurde Schnellarbeitsstahl auf der Pariser Ausstellung vorgestellt. Eine Menge Hersteller schnappte nach Luft, als sie sahen, wie eine Schneide aufgrund von Reibung rotglühend zu glühen begann und dennoch weiter funktionierte. Während die Schnittgeschwindigkeiten in den 1890er Jahren 5–30 Fuß pro Minute betrugen, bewegten sich 1905 Maschinen mit 150 Fuß pro Minute.

Schnellarbeitsstähle enthalten je nach Anwendung 14–18 % Wolfram, 3–5 % Chrom, 0,6 % Kohlenstoff und andere Elemente.

Stoßfester Werkzeugstahl

Stoßfeste Werkzeugstähle der Gruppe S sind unglaublich stark und für eine hohe Schlagfestigkeit ausgelegt. Ihre Stärke liegt nicht nur an der Oberfläche oder „geschockten“ Schicht des Werkzeugs. Sie können für Federn, Meißel, Stanzwerkzeuge und Stempel verwendet werden. Diese Gruppe von Legierungen hat oft viele Legierungselemente, von denen die meisten in anderen Werkzeugstählen zu finden sind. In dieser Stahlklasse ist jedoch Silizium im Bereich von 0,15–3 % vorhanden.
Sonderwerkzeugstähle

In dieser Gruppe von Legierungen rasten die ungeraden Enten; Diese Metalle werden in bestimmten Anwendungen verwendet und können sogar von einem Metallurgen für einen bestimmten Hersteller hergestellt werden. Zu dieser Gruppe gehören niedrig legierte Stähle mit hohem Eisengehalt, bei denen alle anderen Legierungselemente sparsam verwendet werden. Diese ähneln am ehesten den preiswerten W-Stählen und sind ebenfalls wasserabgeschreckt. Die winzige Zugabe anderer Elemente verbessert die mechanischen Eigenschaften, hält aber die Kosten niedrig. Auch kohlenstoffarme Formstähle gehören zu dieser Gruppe von Speziallegierungen. Diese werden für thermoplastische Formteile verwendet, die hitzebeständig und verschleißfest sein müssen, aber keine hohe Schlagfestigkeit benötigen.

Auswahl eines Werkzeugstahls

Wenn Sie eine Industriemaschine entwerfen oder eine Maschine für industrielle oder Produktionszwecke kaufen, ist die Art des verwendeten Werkzeugstahls wichtig und sollte von einem Ingenieur angegeben werden.

Das Need-to-Know ist für Einzelpersonen, die Handwerkzeuge kaufen, anders. Häufig bietet ein Hersteller von Handwerkzeugen „gehärteten Stahl“ an und wählt dann den Stahl basierend auf der beabsichtigten Verwendung des Werkzeugs aus. Welche Stahlsorte verwendet wird, ist jedoch für jeden Werkzeughersteller so etwas wie ein Branchengeheimnis. Die Hersteller balancieren Wert und Arbeitsbelastungen auf einer Teil-für-Teil-Basis aus. Der beste Weg, Werkzeuge auszuwählen, besteht darin, Empfehlungen von Fachleuten, Freunden und Online-Rezensionen einzuholen, anstatt sich Gedanken über die Legierung selbst zu machen. Wenn der Hersteller über metallurgische Kompetenz verfügt und keine Abstriche macht, wird das Design eines Handwerkzeugs wichtiger als die Legierung.

Schmiede, Gießer und andere Metallurgen werden neugieriger, sogar auf der Ebene der Heimwerker. Die Suche nach Ressourcen und Foren in diesen Gruppen bietet eine Fülle von Informationen darüber, was zu erwarten ist und welche Arten von Metall am besten verwendet werden können.

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