Wie Metallwerkstoffunterschiede die Schneidleistung beeinflussen

In der Metallzerspanung gibt es diverse Werkstückmaterialien – jedes mit eigener Spanbildungs- und -abfuhrcharakteristik. Wie behält man die Materialeigenschaften im Griff? ISO-Norm teilt Metallwerkstoffe in 6 Gruppen, jede mit einzigartiger Zerspanbarkeit. Hier die Zusammenfassung.

Metallwerkstoffe in sechs Hauptgruppen:

• P – Stahl
• M – Rostfreier Stahl
• K – Gusseisen
• N – Nichteisenmetalle
• S – Hitzebeständige Legierungen
• H – Gehärteter Stahl

1 – P Stahl (Steel)

Was ist Stahl?

– Größte Materialgruppe in der Metallzerspanung.

– Unvergüteter Stahl oder Vergüteter Stahl (bis 400 HB).

– Legierung mit Eisen (Fe) als Hauptbestandteil, hergestellt durch Schmelzen.

– Unlegierter Stahl: Kohlenstoff < 0,8 %, nur Fe, keine weiteren Legierungselemente.

– Legierter Stahl: Kohlenstoff < 1,7 %, Legierungselemente Ni, Cr, Mo, V, W etc.

Anwendungsbereiche:

In der Zerspanung: P-Gruppe größte Materialgruppe – deckt diverse Industriezweige ab.

Meist Langspänematerial → kontinuierliche, gleichmäßige Späne. Spezifische Spänform hängt vom Kohlenstoffgehalt ab.

– Niedriger C-Gehalt = zäh, klebrig.

– Hoher C-Gehalt = spröde.

Zerspanungseigenschaften:

– Langspänematerial.

– Spankontrolle relativ einfach, stabil.

– Weicher Stahl klebt → scharfe Schneiden nötig.

– Spezifische Schnittkraft kc: 1500–3100 N/mm².

– Schnittkraft und -leistung für ISO-P-Materialien in begrenztem Bereich.

2 – M Rostfreier Stahl (Stainless Steel)

Was ist rostfreier Stahl?

– Legierung mit mind. 11–12 % Chrom.

– Kohlenstoffgehalt sehr niedrig (bis 0,01 % max).

– Hauptlegierungen: Ni (Nickel), Mo (Molybdän), Ti (Titan).

– Dichte Cr₂O₃-Schicht auf Stahloberfläche → Korrosionsbeständigkeit.

Anwendungsbereiche:

M-Gruppe: Öl & Gas, Rohrleitungen, Flansche, Verarbeitungsindustrie, Pharma.

Spänform: unregelmäßige Plättchenspäne, höhere Schnittkraft als normaler Stahl. Viele Rostfreistahl-Typen. Spanbruchverhalten (leicht bis fast unmöglich) variiert mit Legierung und Wärmebehandlung.

Zerspanungseigenschaften:

– Langspänematerial.

– Spankontrolle bei Ferrit gut, bei Austenit und Duplex schwierig.

– Spezifische Schnittkraft: 1800–2850 N/mm².

– Hohe Schnittkraft, Aufbauschneide, Wärme, Werkzeughärtung während Bearbeitung.

3 – K Gusseisen (Cast Iron)

Was ist Gusseisen?

– Drei Haupttypen: Grauguss (GCI), Sphäroguss (NCI), Vermicularguss (CGI).

– Hauptbestandteile: Fe-C, relativ hoher Si-Gehalt (1–3 %).

– Kohlenstoff > 2 % (max. Löslichkeit von C in Austenitphase).

– Cr, Mo, V bilden Karbide → höhere Festigkeit/Härte, aber schlechtere Zerspanbarkeit.

Anwendungsbereiche:

K-Gruppe: Autoteile, Maschinenbau, Eisenherstellung.

Spänform:

Materialspanform variabel: Pulverspäne bis Langspäne. Benötigte Leistung meist gering.

*Hinweis: Großer Unterschied Grauguss (≈ Pulverspäne) vs. Sphäroguss – dessen Spanbruch oft stahlähnlich.

Zerspanungseigenschaften:

– Kurzspänematerial.

– Gute Spankontrolle unter allen Bedingungen.

– Spezifische Schnittkraft: 790–1350 N/mm².

– Höhere Schnittgeschwindigkeiten → Schleifverschleiß.

– Mittlere Schnittkraft.

4 – N Nichteisenmetalle (Non-ferrous Metals)

Was sind Nichteisenmetalle?

– Kategorie: Nichteisenmetalle und Weichmetalle < 130 HB.

– Al-Legierungen mit ~22 % Si = größter Anteil.

– Kupfer, Bronze, Messing.

Anwendungsbereiche:

Flugzeugbau, Alu-Autorad-Hersteller dominieren N-Gruppe.

Obwohl Leistung pro Kubikzoll niedrig: für hohe Abtragsrate max. Leistung berechnen.

Zerspanungseigenschaften:

– Langspänematerial.

– Bei Legierungen: Spankontrolle relativ einfach.

– Al klebt → scharfe Schneiden nötig.

– Spezifische Schnittkraft: 350–700 N/mm².

– Schnittkraft/Leistung für ISO-N in begrenztem Bereich.

5 – S Hitzebeständige Legierungen (Heat Resistant Alloys)

Was sind hitzebeständige Legierungen?

– HRSA: viele hochlegierte Fe-, Ni-, Co-, Ti-Basis-Werkstoffe.

– Gruppen: eisenbasiert, nickelbasiert, kobaltbasiert.

– Zustände: geglüht, lösungsgeglüht, gealtert, gewalzt, geschmiedet, gegossen.

– Merkmale: Höherer Legierungsgehalt (Co > Ni) → bessere Hitzebeständigkeit, höhere Zugfestigkeit, höhere Korrosionsbeständigkeit.

Anwendungsbereiche:

S-Gruppe (schwer zerspanbar): Luftfahrt, Gasturbinen, Generatoren.

Breites Spektrum, aber meist hohe Schnittkräfte.

Zerspanungseigenschaften:

– Langspänematerial.

– Schwierige Spankontrolle (Sägespäne).

– Für Keramik: negativer Spanwinkel nötig, für Hartmetall: positiver Spanwinkel.

– Spezifische Schnittkraft:

Hitzebeständige Legierungen: 2400–3100 N/mm².

Titanlegierungen: 1300–1400 N/mm².

– Hohe Schnittkraft und -leistung erforderlich.

6 – H Gehärteter Stahl (Hardened Steel)

Was ist gehärteter Stahl?

– Aus Zerspanungssicht: kleinste Gruppe.

– Enthält vergütete Stähle > 45–65 HRC.

– Typische Härte gedrehter Hartteile: 55–68 HRC.

Anwendungsbereiche:

H-Gruppe: diverse Industrien – Automobil & Zulieferer, Maschinenbau, Formenbau.

Spänform:

Meist kontinuierlich, rotglühend. Hohe Temperatur senkt kc1-Wert, hilft Anwendungsprobleme lösen.

Zerspanungseigenschaften:

– Langspänematerial.

– Relativ gute Spankontrolle.

– Negativer Spanwinkel nötig.

– Spezifische Schnittkraft: 2550–4870 N/mm².

– Hohe Schnittkraft und -leistung erforderlich.