Die richtige Werkzeugwerkstoffwahl: Ein umfassender Leitfaden

Traditionelle Werkzeugwerkstoffe gliedern sich in Kaltarbeits-, Warmarbeits- und Kunststoffformwerkstoffe. Die Auswahl muss Anforderungen an Verschleißfestigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbruchverhalten, Hochtemperatureignung, Korrosionsbeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit genügen. Technologische Anforderungen: Schmiedbarkeit, große Zerspanbarkeit, geringer Werkzeugverschleiß, niedrige Oberflächenrauheit, Empfindlichkeit gegenüber Oxidation und Entkohlung, Schleifbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

In der modernen Industrieproduktion ist das Werkzeug das zentrale Basisprozessmittel. Werkstoff und Herstellungstechnologie sind entscheidend für hohe Qualität und lange Standzeit der geformten Produkte. Die Werkstoffwahl muss auf den spezifischen Werkzeugeinsatzbedingungen und den Werkstoffeigenschaften basieren.

Werkzeuge finden breite Anwendung in Automobil, Luftfahrt, Elektromechanik, Haushaltsgeräten, Kunststoffprodukten etc. Der Werkzeugwerkstofftyp ist ein wesentlicher Faktor für die Werkzeugstandzeit.

Arbeitsbedingungen des Werkzeugs

1. Werkstoffwahl variiert nach Arbeitsbedingungen

(1) Während des Werkzeugeinsatzes ändern sich die Zähigkeitsanforderungen mit der auftretenden Schlagkraft, die Festigkeitsanforderungen mit der erforderlichen Tragfähigkeit.

(2) Warmarbeits- und Kaltarbeitswerkzeuge.

Warmarbeitswerkzeug: Hauptbeanspruchung durch hohe Temperaturen und Thermospannungen. Erfordert gute Ermüdungsfestigkeit und thermische Stabilität. Warmarbeitswerkzeugstahl wird nach tatsächlicher Arbeitstemperatur ausgewählt.

Kaltarbeitswerkzeug: Hauptbeanspruchung durch Schlag- und Reibkräfte. Erfordert gute Festigkeit, Härte und Zähigkeit. Hauptwerkstoff: Kaltarbeitswerkzeugstahl.

2. Allgemeine Anforderungen an die Werkzeugwerkstoffwahl

(1) Verschleißfestigkeit. Beim plastischen Verformen des Rohlings in der Kavität des Präzisionsstanzwerkzeugs fließt und gleitet das Material an der Kavitätsoberfläche, was starke Reibung und Verschleiß verursacht. Verschleißfestigkeit ist eine der grundlegendsten und wichtigsten Eigenschaften.

Härte ist der Hauptfaktor für Verschleißfestigkeit. Allgemein: höhere Härte → geringerer Verschleiß → bessere Verschleißfestigkeit. Zusätzlich beeinflussen Art, Menge, Form, Größe und Verteilung der Karbide die Verschleißfestigkeit.

(2) Hohe Zähigkeit. Arbeitsbedingungen von Präzisionsstanzwerkzeugen sind oft extrem; häufig große Schlaglasten → Bruchsgefahr. Daher sind hohe Festigkeit und Zähigkeit erforderlich.

Zähigkeit hängt 주로 von Kohlenstoffgehalt, Korngröße und Gefügestatus ab.

(3) Ermüdungsbruchverhalten. Langzeitige zyklische Belastung führt zu Ermüdungsbruch: niederenergetischer Mehrfachschlag, Zug-, Kontakt- und Biegeermüdung.

Abhängig von Festigkeit, Zähigkeit, Härte und Einschlussgehalt.

(4) Hochtemperatureignung. Bei hoher Arbeitstemperatur sinken Härte und Festigkeit → vorzeitiger Verschleiß oder plastische Verformung/Versagen. Werkzeugwerkstoff benötigt hohe Anlassbeständigkeit, um Härte und Festigkeit bei Arbeitstemperatur zu halten.

(5) Wechselwarmebeständigkeit (Thermoschockbeständigkeit). Wiederholtes Aufheizen und Abkühlen verursacht Oberflächenrisse und -abplatzungen, erhöht Reibung, behindert plastische Verformung, mindert Dimensionsgenauigkeit → Werkzeugversagen. Wechselwarmebeanspruchung ist Hauptversagensform von Warmarbeitswerkzeugen; diese benötigen hohe Wechselwarmebeständigkeit.

(6) Korrosionsbeständigkeit. Bei Kunststoffformen können Chlor, Fluor etc. im Kunststoff beim Erhitzen korrosive Gase bilden, die die Kavitätsoberfläche angrauen, Rauheit erhöhen und Verschleiß verschärfen.

Strukturelle Faktoren des Werkzeugs

Unterschiedliche Werkzeugstrukturen stellen unterschiedliche Anforderungen an den Werkstoff. Je nach strukturellen Unterschieden können Materialien nach folgenden Methoden ausgewählt werden:

(1) Je höher die Präzisionsanforderungen, desto geringer die zulässige Verformung bei der Bearbeitung. Auswahl nach spezifischer Bearbeitungsgenauigkeit.

(2) Beim Wärmebehandlungsprozess wird die Gleichmäßigkeit von Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit vom Querschnittsbereich beeinflusst. Größerer Querschnitt → schlechtere Gleichmäßigkeit. Erfordert Werkstoffe mit besserer Wärmeleitfähigkeit und Durchhärtbarkeit für gleichmäßige Querschnittseigenschaften.

(3) Einfache, gut bearbeitbare Werkzeugformen → kostengünstiger C-Stahl (Kohlenstoffwerkzeugstahl). Komplexe Formen mit Spannungskonzentration → hochleistungsfähige Legierungswerkstoffe mit geeignetem Härteverfahren.

Technologische Eigenschaften des Werkzeugwerkstoffs

Die Bearbeitbarkeit des Werkzeugwerkstoffs beeinflusst direkt Herstellungskosten, Performance und Standzeit.

(1) Schmiedeeigenschaften. Die meisten Warmarbeitswerkzeuge werden geschmiedet. Gewünscht: geringer Verformungswiderstand, gute Umformbarkeit im Schmiedetemperaturbereich.

(2) Wärmebehandlungsverträglichkeit. Gewünscht: gute Wärmebehandlungseigenschaften, hohe Durchhärtbarkeit. Bei großen Schmiedewerkzeugen bewirkt hohe Durchhärtbarkeit im gesamten Querschnitt einheitliche mechanische Eigenschaften. Ermöglicht moderates Abschreckmedium, vermindert Riss- und Verzugstendenz. Geringe Neigung zu Oxidation, Entkohlung und Kornwachstum; geringer Wärmebehandlungsverzug.

(3) Gute Zerspanbarkeit. Die meisten Kavitäten oder Zubehörteile werden durch Zerspanen oder EDM gefertigt. Erfordert gute Dreh-, Fräs-, Schleif- und EDM-Eigenschaften. Großer Zerspanvolumen, geringer Werkzeugverschleiß. Auch gewisse Schweißbarkeit für Reparaturen erwünscht.

(4) Nach dem Härten gleichmäßige, aber relativ hohe Oberflächenhärte.

(5) Empfindlichkeit gegenüber Oxidation und Entkohlung. Hochtemperaturerwärmung erfordert gute Oxidationsbeständigkeit, langsame Entkohlung, Unempfindlichkeit gegenüber Heizmedium, keine Grübchenbildung.

(6) Schleifbarkeit. Schleifrisse und -verletzungen treten nicht leicht auf.

(7) Härteverzugs- und Rissneigung. Unempfindlich gegenüber Härtetemperatur und Werkstückgeometrie, geringe Neigung zu konventionellen Härterissen.

(8) Wirtschaftliche Anforderungen an die Werkstoffwahl.

Die Werkzeugwerkstoffwahl erfordert Berücksichtigung vieler Faktoren. JTR kann anhand spezifischer Kundenanforderungen umfassend beraten und professionelle Vorschläge unterbreiten. JTR bietet professionelle, kosteneffiziente Dienstleistungen vom Werkzeugdesign bis zur Werkzeugfertigung. Kunden weltweit sind willkommen, uns zu kontaktieren.