Werkzeugstahl: Die ultimative langlebige Legierung für präzises Schneiden

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 ihrer Herstellung. Wie der Name andeutet, sind diese Stähle bereit für harte Arbeit: Schneiden, Schleifen, Bohren, Stanzen, Schlagen oder andere anspruchsvolle Aufgaben. Werkzeugstähle müssen die richtigen Materialeigenschaften für ihre Anwendung haben. Beispiel: Ein Bohrer und ein Stempel benötigen beide Härte und Verschleißfestigkeit. Der Stempel erlebt jedoch mehr Schlag, der Bohrer mehr Scherbeanspruchung. Ingenieure und Metallurgen wählen den Werkzeugstahltyp basierend auf dem Werkzeugeinsatz.

Werkzeugstähle haben alle Legierungselemente, die Karbide bilden – dicht gepackte Metallgitter, die ein Metall und Kohlenstoff enthalten. Karbide sind feuerfeste Materialien, die dem Zerfall unter Druck, Chemikalien oder Hitze widerstehen.

Nicht nur die Chemie macht einen Werkzeugstahl aus. Ein Werkzeugstahl erhält seine Härte auch durch präzise kontrollierte Wärmebehandlung und Abschrecken.

Werkzeugstahl durch Abschrecken härten

Abschrecken (Quenching) ist ein Prozess, Stahl durch Mikrostrukturänderung zu härten.

Zuerst wird der Stahl erhitzt. Stahllegierungen werden auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt, abhängig vom Kohlenstoffgehalt. Eisen und Kohlenstoff durchlaufen verschiedene „Phasen“, in denen die Moleküle unterschiedliche Formen annehmen – diese Phasen hängen von der Gesamtchemie ab.

Ist die richtige Hitze erreicht und gehalten, wird die Legierung abgeschreckt – also durch Aussetzen an ein viel kälteres Gas oder eine Flüssigkeit abgekühlt. Dieses Abschrecken friert das Metall schlagartig ein. Wenn Metall so schockgefroren wird, beginnen viele winzige Kristallkörner gleichzeitig zu erstarren, mit großer Versetzung in jedem Korn und zwischen ihnen. Vergleichen Sie das mit sehr langsamer Abkühlung, wo Körner langsam über Zeit in großen, runden Blüten erstarren. Langsam abgekühlte Körner können aneinander vorbeigleiten beim Schlag, das Metall eindellen aber nicht brechen. Schockgefrieren gibt der Molekularstruktur weniger Raum zur Bewegung beim Schlag, macht es härter, weniger eindellanfällig. Das Metallgitter in diesen Strukturen heißt Martensit, und Martensits geschockte, gezackte Molekularstruktur verleiht abgeschreckten Metallen ihre charakteristische Härte.

Wasserabschrecken ist der schnellste Weg, Luftabschrecken der langsamste. Was die Legierung verträgt, hängt von ihrer Chemie ab. Manche Legierungen könnten reißen oder verziehen, wenn sie zu schnell abgekühlt werden, härten aber gut im sanfteren Luftabschrecken. Andere bilden keine harte Martensit-Schicht, es sei denn, sie werden durch einen großen Temperaturschock wie in Wasser geschockt.

Kategorien von Werkzeugstahl

Es gibt sechs breite Kategorien von Werkzeugstahl. Die vier häufigsten sind wassergehärtet, kaltarbeits-, warmarbeits- und hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle. Spezialanwendungen nutzen auch schlagzähe und spezielle Werkzeugstähle.

Wassergehärtet (W-Serie)

Diese Gruppe ist im Wesentlichen Kohlenstoffstahl, der wärmebehandelt wurde. Sie enthalten 0,5–1,5 % Kohlenstoff. Andere Legierungselemente können für ihre verschiedenen Qualitäten vorhanden sein, liegen aber meist unter 0,5 %. Diese Metalle – Nickel, Wolfram, Molybdän – sind teuer. Weniger davon einzusetzen bietet Wert für leichtere Anwendungen.

Der extreme Schock des Wasserabschreckens ist bei dieser Gruppe nötig, um eine harte Außenschicht zu erhalten. Leichte Werkzeuge, Kleinteile wie Federn und kleine Befestigungselemente sind typische Endprodukte. Sie dürfen nicht in extremen Umgebungen eingesetzt werden, da W-Serie-Stähle etwas spröder sind als andere Werkzeugstähle. W-Serie-Stähle sind anfälliger für Risse und vertragen nur Dauer温度 bis 150 °C (302 °F).
Kaltarbeits-Werkzeugstahl

Kaltarbeits-Werkzeugstähle sind für „kalte“ Temperaturen gedacht – sie sind hart, zäh und verschleißfest, aber nicht in heißen Umgebungen. Da das Schneiden kalter Materialien mehr Kraft erfordert als heiße, ist Druckfestigkeit ein Muss in Kaltarbeits-Werkzeugstahl.

„Kalt“ bedeutet hier nicht, dass der Metallarbeiter einen Pullover braucht. 200 °C (392 °F) und darunter gilt als kalte Arbeitsumgebung für diese Werkzeuge. Anders als viele Stahlsorten bildet sich in Kaltarbeitsstählen oft Graphit. Dieser Graphit macht viele dieser Legierungen zerspanbar: Der Graphit wirkt als Schmiermittel.

Unterkategorien von Kaltarbeits-Werkzeugstahl:
- Ölgehärtet (O-Serie): Während der Produktion in Öl abgeschreckt. 0,85–2,00 % Kohlenstoff, meist unter 1 % jedes anderen Legierungselements. Diese können Mangan, Silicium, Wolfram, Chrom, Vanadium, Molybdän umfassen.
- Luftgehärtet (A-Serie): In Luft abgeschreckt. 0,05–2,85 % Kohlenstoff. Können bis zu 5 % Chrom enthalten. Hohes Chrom bedeutet, dass die A-Serie bei der Wärmebehandlung keine dimensionsändernden Verzug erfährt. Chrom erzeugt engere Toleranzen.
- Hochkohlenstoff-Chrom (D-Serie): Diese Kaltarbeitsstähle funktionieren bis 425 °C (797 °F). Sie enthalten 1,4–2,5 % Kohlenstoff und 11–13 % Chrom. Je nach Legierung luft- oder ölgehärtet, mit sehr geringem Verzug bei beiden Kühlmethoden. Diese Legierungen haben allgemein sehr hohe Abriebfestigkeit.

Warmarbeits-Werkzeugstahl

Warmarbeits-Werkzeugstähle haben alle höhere Legierungsanteile, um mehr Karbide zu bilden und höhere Arbeitstemperaturen zu bewältigen. Sie arbeiten bis 540 °C (1004 °F). Als Gruppe haben die meisten niedrige Kohlenstoffanteile, unter 0,6 %.

Warmarbeits-Werkzeugstahl wird oft in der Hochtemperaturfertigung mit formbarem heißem Material wie Metall und Glas eingesetzt. Matrizen, Stempel, Extruder, Pressen können aus Warmarbeitsstahl gefertigt sein. Das Werkzeug muss auch bei langanhaltender Hitze funktionieren.

Es gibt drei Haupttypen basierend auf dem Hauptlegierungselement: Chrom, Wolfram oder Molybdän. Einige haben hohe Chrom- und Wolframwerte und werden je nach Hersteller als Wolfram- oder Chromstahl eingestuft. Das Hauptlegierungselement erzeugt die Karbidart im Stahl, und jedes Karbid bietet unterschiedliche Vorteile.

Unterkategorien:
- Chrom: 3–5 % Chrom. Andere Elemente wie Wolfram, Vanadium, Molybdän unter 5 %. Vanadium wird oft in Stahl für Schneidwerkzeuge genutzt. Diese Gruppe (speziell AISI H13) sind die meistgenutzten Warmarbeitswerkzeuge.
- Wolfram: Enthalten oft kein Molybdän oder Vanadium. Stattdessen 9–18 % Wolfram. Meist 2–4 % Chrom. Nicht universell: AISI H23 hat 12 % Chrom und 12 % Wolfram – wird mal als Chrom-, mal als Wolframstahl, mal als beides bezeichnet. Wolframstähle bieten exzellente Hitzebeständigkeit, können aber spröde sein; gemanagt durch Vorwärmen auf Betriebstemperatur vor Einsatz.
- Molybdän: Viele Chrom-Warmarbeitsstähle haben etwas Molybdän. Premium-Warmarbeitsstähle für extrem harte Umgebungen haben viel. Molybdän schafft höhere Hitzestabilität und Verschleißfestigkeit in anspruchsvollen Warmarbeitsanwendungen. Molybdän-Legierungen AISI H42 und H43 werden oft als Matrizen oder Schneiden in Metallwerken eingesetzt, um Hitze und Kraft beim Schneiden und Schmieden zu bewältigen.
Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl

Moderne Fertigungsprozesse sind teilweise der Erfindung dieser Werkzeugstahlklasse zu verdanken. Schneidwerkzeuge und Maschinenbits, die mit hoher Geschwindigkeit laufen, werden durch Reibung heiß. Die Hochgeschwindigkeits-Materialinnovation erlaubte Mechanikern, ihre Produktionsrate zu steigern.

1900 wurde Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl auf der Pariser Ausstellung vorgestellt. Hersteller staunten, eine Schneide rotglühend durch Reibung weiterarbeiten zu sehen. Wo Schnittgeschwindigkeiten in den 1890ern bei 1,5–9 m/min (5–30 ft/min) lagen, erreichten Maschinen 1905 bereits 45 m/min (150 ft/min).

Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle enthalten 14–18 % Wolfram, 3–5 % Chrom, 0,6 % Kohlenstoff und weitere Elemente je nach Anwendung.

Schlagzäher Werkzeugstahl (S-Gruppe)

Gruppe S schlagzäher Werkzeugstähle sind extrem fest, gebaut für hohe Schlagfestigkeit. Ihre Festigkeit liegt nicht nur an der Oberfläche oder „geschockten“ Schicht. Sie dienen für Federn, Meißel, Stanzmatrizen, Stempel. Diese Legierungsgruppe hat oft viele Legierungselemente – die meisten auch in anderen Werkzeugstählen. Allerdings ist Silicium im Bereich 0,15–3 % in dieser Klasse präsent.
Spezial-Werkzeugstähle

Hier landen die „Exoten“; diese Metalle dienen spezifischen Anwendungen und werden teils für einen bestimmten Hersteller von einem Metallurgen entwickelt. Diese Gruppe umfasst niedriglegierte, hoch-eisenhaltige Stähle, wo alle anderen Legierungselemente sparsam eingesetzt sind. Sie ähneln den günstigen W-Stählen und werden auch wassergehärtet. Die minimalen Zusätze verbessern mechanische Eigenschaften bei niedrigen Kosten. Niedrigkohlenstoff-„Formstähle“ (Mold Steels) sind auch in dieser Gruppe. Sie dienen für Thermoplastverformung, die hitzebeständig und verschleißfest sein muss, aber keine hohe Schlagfestigkeit braucht.

Werkzeugstahl auswählen

Beim Design einer Industriemaschine oder beim Kauf einer Maschine für industrielle Fertigungszwecke ist der Werkzeugstahltyp wichtig und sollte von einem Ingenieur spezifiziert werden.

Anders sieht es bei Privatkäufern von Handwerkzeugen aus. Oft bietet ein Hersteller „gehärteten Stahl“ an und wählt den Stahl basierend auf dem Werkzeugeinsatz. Welche Güte verwendet wird, ist oft ein Betriebsgeheimnis jedes Herstellers. Hersteller balancieren Wert und Bauteilbeanspruchung teilweise. Der beste Weg, Werkzeuge zu wählen, sind Empfehlungen von Profis, Freunden und Online-Rezensionen – statt sich um die Legierung zu sorgen. Wenn der Hersteller metallurgische Kompetenz hat und nicht an der Qualität spart, wird das Design eines Handwerkzeugs wichtiger als die Legierung.

Schmiede, Gießer und andere Metallurgen sind neugieriger, auch auf Hobbyebene. Die Suche nach Ressourcen und Foren in diesen Gruppen liefert reichlich Information darüber, was zu erwarten ist und welche Metalle sich eignen.

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