CNC-Materialien meistern: Umfassender Leitfaden zur Stahl- und Aluminiumauswahl

In Sektoren, die hochleistungsfähige, langlebige Bauteile erfordern – Automobil, Luftfahrt, Robotik –, sind Stahl und Aluminium oft die Materialien der Wahl. Doch sie haben sehr unterschiedliche physikalische Charakteristiken und Preispunkte – entscheidend ist, welches für ein gegebenes Bauteil besser geeignet ist.

Ein entscheidender Faktor ist oft das Fertigungsverfahren – in diesen Branchen häufig CNC-Bearbeitung. Beim Zerspanen von Metallteilen gibt es mehrere Gründe, warum Stahl gegenüber Aluminium die bessere Wahl sein kann. Zwar ist Aluminium extrem leicht, doch Stahl ist deutlich fester. Zudem ist Aluminium tendenziell teurer.

Die Wahl reduziert sich aber nicht nur auf Aluminium vs. Stahl. Stahl ist eine Materialfamilie – verschiedene Stähle und ihre jeweiligen Vor- und Limitationen müssen bei der Materialauswahl sorgfältig evaluiert werden. Hier sind vier der am häufigsten zerspanten Stahlsorten und was Produktteams darüber wissen sollten.

1. 4140 Stahl

4140 Stahl findet branchenübergreifend Einsatz wegen hoher Ermüdungsfestigkeit, overall Zähigkeit und Beständigkeit gegen Abrieb und Impact. Die chemische Zusammensetzung macht ihn besonders stark, zäh, duktil und härtbar. Chrom und Molybdän tragen zur Korrosionsbeständigkeit bei, Mangan und Kohlenstoff erhöhen die Härtbarkeit und fördern Entoxidation. Er gilt als hochgradig vielseitig und gut zerspanbar – für viele universelle Stahlteile einsetzbar.

4140 ist zäher als unlegierte Kohlenstoffstähle – erfordert mehr Kraft für effektives Umformen. Beim Zerspanen ist Glühen wichtiger als bei einfachen, kohlenstoffarmen Stählen. Zwar oft vergüht, aber 4140 ist nicht leicht schweißbar – erfordert Vor- und Nachwärmebehandlung gegen Rissbildung sowie kompatibles Füllmaterial.

4140 verlangt etwas höheren Materialpreis als unlegierten Reinkohlenstoffstahl und deutlich höhere Zerspankosten. Aufgrund hoher Festigkeit und Haltbarkeit gilt er als hoch kosteneffektiv.

Mechanische Kenndaten:

• Wärmebehandlung: Ölvergütet, 540 °C Anlass, 25 mm rund
• Zugfestigkeit: 1140 MPa
• Bruchdehnung: 18 %
• Elastizitätsmodul: 205 GPa
• Härte: 35 HRC

2. 1018 Stahl

1018 Stahl ist ein universeller Kohlenstoffstahl aus Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Phosphor, Schwefel. Exzellente Schweißbarkeit, aber nicht so hart wie andere Stähle.

Primärer Vorteil: Bearbeitbarkeit. Sehr gut umformbar, schmiedbar, schweißbar, warmumformbar – günstig für Teile mit starken Biegungen oder feinen Features. Anwendungen: Wellen, Spindeln, Bolzen, Stifte. Auch gute Wahl für cementierte Teile.

Zwar schweißbar, aber nicht empfohlen bei carbonitriertem und cementiertem Stahl – Limitation für Fertigungsteams. Wegen relativ weicher Textur kann Oberflächenfinish schwierig sein.

Zerspanbarkeit, Festigkeit, Präzision von 1018 kommen mit hohem Preisschild – teurer als vergleichbare Stähle, aber weit besser für CNC-Bearbeitung geeignet.

Mechanische Kenndaten:

• Kaltgezogen
• Zugfestigkeit: 440 MPa
• Bruchdehnung: 15 %
• Elastizitätsmodul: 200 GPa
• Härte: 71 HRB

3. 1045 Stahl

1045 Stahl besteht aus Eisen, Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Schwefel oder Phosphor. Ein mittelkohlenstoffhaltiger Stahl für Festigkeit und Härte. Maßgenauigkeit, Geradheit, Konzentrizität machen ihn besonders geeignet für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Häufig für Bolzen, Stiftschrauben, Zahnräder, Achsen, Wellen.

1045 wird oft für relative Festigkeit und Schlagzähigkeit gewählt. Izod-Schlagversuch: 54. Hoch zerspanbar, leichter schweißbar als hochkohlenstoff- oder hochlegierte Stähle – sowohl kaltgezogen als auch normalisiert.

Da 1045 ein Stahl mittlerer Zugfestigkeit und mittlerer Härtbarkeit ist, eignet er sich nicht für Anwendungen, die sehr hochfeste Materialien erfordern. Für Anwendungen, die mehr Festigkeit und Verschleißfestigkeit als Baustähle, aber weniger als härteste Stähle brauchen, kann 1045 eine gute Option sein.

1045 kann im gewalzten und normalisierten Zustand flamm- oder induktionsgehärtet werden. Auf Nitrieren reagiert er ungünstig – fehlen die nötigen Legierungselemente.

1045 ist teurer und bietet größere Festigkeit als 1018, aber ähnliche Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit – was den höheren Preis erklärt.

Mechanische Kenndaten:

• Kaltgezogen
• Zugfestigkeit: 625 MPa
• Bruchdehnung: 12 %
• Elastizitätsmodul: 206 GPa
• Härte: 88 HRB

4. 4130 Stahl

Als niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl betrachtet, besteht 4130 aus Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Mangan, Molybdän, Phosphor, Silizium, Schwefel. Ein außergewöhnlich zäher Stahl, relativ leicht wärmebehandelbar und hoch bearbeitbar.

4130 bietet einen Elastizitätsmodul höher als die meisten Stähle ähnlicher Zugfestigkeit – ermöglicht hohe Spannungsbelastung. Diese Qualität macht 4130 besonders günstig als Baustahl für diverse Bauanwendungen. Häufig in Fertigungsanlagen, Gesteinsbrechern, Widerstandsschweißprodukten. Gut geeignet für diverse Wärmebehandlungsprozesse.

Zwar hoch wärmebehandelbar, aber schweißtechnisch anspruchsvoll. Hohe Härtbarkeit erschwert Auswahl kompatiblen Füllmaterials mit vergleichbarer Festigkeit. Verständnis der 4130-Eigenschaften und Füllmaterialeigenschaften ist für erfolgreiches Schweißen nötig.

4130 ist relativ kostengünstig – sowohl Rohmaterial als auch Schneidkosten. In vielerlei Hinsicht vergleichbar mit flugzeugtauglichem Edelstahl in physikalischen Eigenschaften, aber zu weit niedrigerem Preis – attraktiv für viele Produktteams.

Mechanische Kenndaten:

• Wasservergütet 855 °C, 450 °C Anlass, 25 mm rund
• Zugfestigkeit: 993 MPa
• Bruchdehnung: 18,5 %
• Elastizitätsmodul: 205 GPa
• Härte: 31 HRC

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