Schneidwerkzeug-Auswahl: Umfassender Leitfaden für ferro- und nicht-ferrose Metalle

Spielt es eine Rolle, ob ein Zerspanungsmaterial ferro oder nicht-ferro ist? Der wichtigste Faktor ist, wie jedes Material mit Ihren Schneidwerkzeugen in Ihren Maschinen interagiert – und das tut es, finden Werkzeughersteller mit Metallurgie-Know-how. Erfahren Sie, was Sie über die Hauptunterschiede der Metalle für die Zerspanung wissen müssen.

Fragen Sie einen Zerspaner nach „ferro“ und Sie hören wahrscheinlich: Ferrose Metalle rosten – Kohlenstoffstahl, Gusseisen, Werkzeugstahl usw. Diese Aussage ist wahr, aber unvollständig, da die metallurgische Definition spezifischer und viel breiter ist.

„Einfach gesagt: Ferrose Materialien enthalten Eisen“, sagt Aaron Schade, Program Manager für Kennametals Knowledge Center Americas. „Also natürlich Gusseisen und Stahl, aber auch Metalle, die typischerweise nicht rosten, wie rostfreier Stahl und die meisten Superlegierungen.“

Betrachtet man es anders, umfasst die nicht-ferrose Gruppe Aluminium, Kupfer, Messing, Kunststoff, Verbundwerkstoffe – und alles, was nicht in dieser Gruppe ist, kann als ferro klassifiziert werden. Aber ob ferro oder nicht-ferro: Beide enthalten eine riesige Materialvielfalt, die ein breites Spektrum an Designmerkmalen, Drehzahlen und Vorschüben erfordert, erklärt Schade.

Ein Purist könnte argumentieren, viele Aluminiumlegierungen und sogar manche Kupfer- und Bronzelegierungen seien daher ferro, da sie auch kleine Eisenmengen enthalten. Das ist aber wahrscheinlich eine Übervereinfachung. Es geht nicht nur darum, ob Eisen vorhanden ist – es geht um die Eisenmenge, betont Schade.

Nicht-ferrose Metalle enthalten keine Eisenbasis oder signifikante Eisenmengen. Beispiel: 316-Edelstahl enthält ca. 62–72 % Eisen; Inconel 718 ist nickelbasiert, enthält aber 17 % Eisen; 6061-T6 Aluminium max. 0,7 % Eisen. Deshalb sagt Schade, pauschale Aussagen zu so technisch tiefen Themen sind schwierig.

„Relevanter ist, zu identifizieren, welche Werkzeuge für ein gegebenes Material am besten funktionieren – unabhängig von dessen Nomenklatur“, sagt Schade.

Binky Sargent, Manager Materials Analysis bei Kennametal, stimmt zu. „Ob ferro oder nicht-ferro, 304-Edelstahl oder 6061-T6 – das Wichtigste ist, wie das Schneidwerkzeug mit dem Material interagiert“, sagt sie. „Sie müssen wissen, wie der Span gebildet wird und die effektivsten Wege, ihn aus der Arbeitszone zu entfernen, welchen Effekt thermische und chemische Eigenschaften des Materials auf das Werkzeug haben, und die Form des Bauteil-Features relativ zur Form und Geometrie des Schneiders.“

Im Kern hängt richtige Werkzeugauswahl von weit mehr ab als der metallurgischen Klassifikation des Werkstückmaterials.

Ferro vs. Nicht-Ferro Metalle: Das richtige Schneidwerkzeug wählen

Kennametal und andere Schneidwerkzeughersteller vermeiden „ferro vs. nicht-ferro“ und gruppieren Materialien stattdessen nach metallurgischen Eigenschaften: Härte, Festigkeit, Duktilität, Wärmeleitfähigkeit, chemische Zusammensetzung. Diese Attribute bestimmen, welches Schneidwerkzeug für ein gegebenes Material am effektivsten ist und wie es optimal anzuwenden ist. Die folgende Liste beschreibt Kennametals Kategorien mit Basisrichtlinien zur Werkzeugwahl:

Stahl: P1 – P6

Niedriglegierte Stähle wie 1018 und A36 fallen in P1, P6 umfasst PH (Aushärtende) und 400er-Serie rostfreie Stähle (440C, 15-5, 17-4). Dazwischen: Werkzeugstähle (D2, S7), Formstähle (P20), diverse Legierungsstähle (4340, 8620 etc.). Generell: Positiver Spanwinkel, Al2O3-beschichtetes Hartmetall funktioniert gut bei weicheren P1/P2; mit steigender Härte wird größere Kantenpräparation (K-Land) und negativerer Spanwinkel bevorzugt.

Rostfreier Stahl: M1 – M3

Im Gegensatz zu ferritischen/martensitischen rostfreien Stählen in der P-Gruppe sind M1/M2 austenitisch (flächenzentriert kubisch), Duplex-M3-Stähle (z. B. Nitronic) haben zweiphasige Mikrostruktur mit Ferrit – sehr zäh. Rostfreie und Duplex-Stähle enthalten min. 10,5 % Chrom, Nickel und andere herausfordernde Elemente. Faustregel: Positiver Spanwinkel, CVD-beschichtetes Werkzeug mit minimaler Kantenpräparation, moderate Vorschübe, geringere Schnitttiefen.

Hilfe bei Nickelbearbeitung? Lesen Sie „5 Metallschneide-Tipps für nickelbasierte Hochtemperaturlegierungen“.

Gusseisen: K1 – K3

Eisen findet sich von Kanaldeckeln (K1 Grauguss) über Bremsscheiben (K2 CGI, Compacted Graphite Iron) bis zu Spannbacken an Bearbeitungszentren. Spannbacken nutzen K3 duktiles Eisen (Handelsname „Dura-Bar“). Alle Eisen sind kurzspanend und abrasiv – Flachkopf (null bis negativer Spanwinkel) Keramik und PCBN sind erste Wahl. CVD-beschichtetes Hartmetall macht gute Arbeit bis auf härteste Eisen.

Nicht-Ferro: N1 – N7

Wie Kennametals Schade betont: Nicht-Ferro = Material ohne Eisen – mostly. N1–N3: alle Aluminiumlegionen von 6061-T6 bis eutektischem, sehr abrasivem Al-12Si.

N4: Kupfer, Messing, Zinkbasislegierungen – große Liste weitgehend gut zerspanbarer Metalle. N5–N7: Kunststoff, Gummi, Graphit, CFRP.

Aus Schneidwerkzeugsicht: Die meisten bearbeiten gut mit hochpositivem, meist unbeschichtetem Hartmetall oder PCD (polykristallinem Diamant), weiche Kunststoffe/Gummi evtl. mit sehr scharfem HSS.

Superlegierungen: S1 – S4

Wie der Name sagt: S-Serie Hochtemperaturlegierungen gehören zu den schwierigsten Materialien:

• S1: A286 (eisenbasiert oder S1-Legierung)
• S2: Stellite (kobalthaltig)
• S3: Inconel 625, Monel (nickelreich)
• S4: Titan wie Ti6Al-4V (häufigstes Material)

Lange, fadenförmige Späne sind Regel, ebenso Schnitttiefen-Ausbruch (Depth-of-cut notching), Werkzeughärtung, Aufbauschneide. Scharfe, positiv gespannte Werkzeuge nötig, langsamere Schnittgeschwindigkeiten, rigides Setup. Für höhere Produktivität: Keramikwerkzeuge – Ausnahme Titan wegen chemischer Reaktivität.

Gehärtete Materialien: H1 – H4

Sind Werkzeugstahl, PH-Edelstahl, hochkohlenstoffhaltige Stähle durch Wärmebehandlung gehärtet, muss oft von Hartmetall auf Keramik oder „PCBN“ (polykristallines kubisches Bornitrid) gewechselt werden.

Schnitttiefen und Schnittgeschwindigkeiten müssen reduziert werden, um extremen Verschleißwiderstand und Abrasivität von H1 (bis 48 HRC) bis H4 (>60 HRC) zu mildern. Wie bei Superlegierungen: Je rigider das Setup, desto besser.

Kriterien für Schneidwerkzeugauswahl sind herstellerübergreifend ähnlich

Brian Hoefler, Corporate Application Engineer für Seco Tools und Sandvik Machining Solutions, nutzt leicht andere Materialbeschreibungen als Kennametal, aber die Grundkriterien für Werkzeugwahl sind dieselben.

„Die Zerspanbarkeit eines Materials hängt weitgehend von seiner Mikrostruktur, Wärmeleitfähigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen wie Molybdän, Wolfram und vielen weiteren Variablen ab“, sagt Hoefler.

Am Ende kommt die richtige Werkzeugwahl typischerweise darauf an: Welches Schneidwerkzeugmaterial, welche Geometrie und Beschichtung bricht die metallurgischen Bindungen des Werkstücks am effektivsten, während es Hitze und Abrasivität während der Zerspanung standhält.

„Im Zweifel: Kommunizieren Sie mit einem kompetenten Schneidwerkzeuglieferanten für Hilfe“, sagt Hoefler. „Egal was Sie schneiden – Chancen stehen exzellent, dass eine produktive, kosteneffektive Lösung existiert.“

Wie gut kennen Sie die metallurgische Zusammensetzung der Materialien, die Sie schneiden? Teilen Sie es mit Peers.