CNC-Bearbeitung: Stahlverarbeitung für hochwertige Bauteile meistern

Wir alle wissen, dass CNC-Bearbeitung einer der besten Wege zur Teilefertigung ist. Und die meisten Teile bestehen aus Stahl. Um die Eigenschaften des Stahls zu verändern und ihn leichter bearbeitbar zu machen, werden vor Abschluss der Bearbeitung meist zusätzliche Behandlungen und Prozesse durchgeführt.

Das Härten des Materials vor der Bearbeitung erhöht Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß, aber der Stahl kann nach der Bearbeitung behandelt werden, um Festigkeit oder Härte des Fertigteils zu erhöhen. Wie wird Stahl also mittels CNC-Bearbeitung in Stahlteile verwandelt? Nachfolgend 3 Standard-Stahlverarbeitungstechniken.

CNC-Bearbeitung von Stahlwerkstoffen – Wärmebehandlung

Wärmebehandlung bezeichnet mehrere verschiedene Prozesse, bei denen die Temperatur des Stahls manipuliert wird, um seine Werkstoffeigenschaften zu ändern.

Weichglühen (Annealing) wird eingesetzt, um Härte zu reduzieren und Duktilität zu erhöhen – was den Stahl leichter bearbeitbar macht. Beim Weichglühen wird der Stahl langsam auf die gewünschte Temperatur erhitzt und dort für eine gewisse Zeit gehalten. Zeit und Temperatur hängen von der spezifischen Legierung ab und nehmen mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt ab. Schließlich wird der Stahl langsam im Ofen oder umgeben von Isoliermaterial abgekühlt.

Normalisieren (Normalizing) baut innere Spannungen im Stahl ab, während höhere Festigkeit und Härte als bei weichgeglühtem Stahl erhalten bleiben. Beim Normalisieren wird der Stahl auf hohe Temperatur erhitzt und dann bei geeigneter Temperatur abgekühlt, um die Härte des Stahls zu verbessern.

Härten (Quenching) härtet den Stahl nicht nur und erhöht seine Festigkeit, sondern macht ihn auch spröder. Der Härteprozess umfasst langsames Erhitzen des Stahls, Ausscheidung bei hohen Temperaturen und anschließendes schnelles Abkühlen durch Eintauchen des Stahls in eine Flüssigkeit wie Wasser, Öl oder Salzlösung.

Anlassen (Tempering) kann einen Teil der Sprödigkeit lindern, die mit dem Härten einhergeht. Das Anlassen von Stahl ist dem Normalisieren sehr ähnlich: Zuerst wird er langsam auf eine gewählte Temperatur erhitzt, dann an der Luft abgekühlt. Der Unterschied: Anlassen erfolgt bei niedrigerer Temperatur als andere Prozesse, was Sprödigkeit und Härte des angelassenen Stahls reduziert.

CNC-Bearbeitung von Stahlwerkstoffen – Ausscheidungshärtung (Precipitation Hardening)

Ausscheidungshärtung erhöht die Streckgrenze des Stahls. Der Hauptunterschied bei ausscheidungshärtbaren Stählen: Sie enthalten Elemente wie Kupfer, Aluminium, Phosphor oder Titan, die nicht nur die Festigkeit erhöhen, sondern auch ausreichende Zähigkeit bewahren – eine Klasse hochfester Edelstähle, bezeichnet als PH-Stähle.

Um die Ausscheidungshärtungseigenschaften zu aktivieren, wird der Stahl zunächst lösungsgeglüht (Solution Treated) und dann altersgehärtet (Age Hardened). Der Altersgehärtungsprozess erhitzt das Material über einen längeren Zeitraum, wodurch die zugesetzten Elemente ausscheiden – feste Partikel unterschiedlicher Größe bilden sich –, was die Festigkeit des Materials erhöht.

17-4PH (auch als 630er Stahl bekannt) ist ein gängiges Beispiel für einen ausscheidungshärtbaren Edelstahl. Diese Legierung enthält 17 % Chrom, 4 % Nickel und 4 % Kupfer, was die Ausscheidungshärtung unterstützt. Aufgrund seiner erhöhten Härte, Festigkeit und hohen Korrosionsbeständigkeit wird 17-4PH in Hubschrauberdecks, Turbinenschaufeln und Atommüllbehältern eingesetzt.

CNC-Bearbeitung von Stahlwerkstoffen – Kaltumformung (Cold Working)

Eigenschaften von Stahl können auch ohne große Wärmezufuhr verändert werden. Beispielsweise wird kaltumgeformter Stahl durch den Prozess der Kaltverfestigung (Work Hardening) fester. Kaltverfestigung tritt auf, wenn ein Metall plastisch verformt wird.

Dies kann gezielt durch Hämmern, Walzen oder Ziehen des Metalls erfolgen. Kaltverfestigung kann auch unbeabsichtigt während der Bearbeitung auftreten, wenn Schneidwerkzeug oder Werkstück zu heiß werden. Kaltumformung verbessert auch die Zerspanbarkeit des Stahls. Baustahl (Mild Steel) eignet sich sehr gut für Kaltumformung.

Wenn Sie Teile aus Stahl fertigen – beachten Sie diese Punkte!

• Beim Design von Stahlteilen ist es wichtig, die einzigartigen Materialeigenschaften im Blick zu behalten. Merkmale, die es für Ihre Anwendung passend machen, können zusätzliche Design-for-Manufacturing (DFM) Überlegungen erfordern.
• Stahlbearbeitung dauert länger als bei weicheren Materialien wie Aluminium oder Messing aufgrund der Materialhärte – Sie schützen Ihre Teile und Werkzeuge, indem Sie Spindeldrehzahlen und Vorschübe reduzieren.
• Bei der Wahl des Stahls müssen nicht nur Härte und Festigkeit, sondern auch Unterschiede in der Zerspanbarkeit berücksichtigt werden. Beispielsweise dauert die Bearbeitung von Edelstahl etwa doppelt so lange wie bei Baustahl. Bei der Wahl verschiedener Güten muss auch bedacht werden, welche Eigenschaften am wichtigsten sind und welche Stahllegierungen leicht verfügbar sind. Gängige Güten wie 1.4301 (304) oder 1.4401 (316) sind in breiteren Lagergrößen verfügbar und benötigen weniger Beschaffungszeit.