CNC-Bearbeitung von Stahl: 3 wesentliche Vor- und Nachbehandlungstechniken

Um die Eigenschaften des Stahls zu verändern und ihn leichter zerspanbar zu machen, werden vor Abschluss der Bearbeitung üblicherweise zusätzliche Behandlungen und Prozesse durchgeführt. Die Härtung des Materials vor der Bearbeitung erhöht die Bearbeitungszeit und den Werkzeugverschleiß, aber Stahl kann nach der Bearbeitung behandelt werden, um die Festigkeit oder Härte des Fertigteils zu erhöhen. Im Folgenden werden 3 gängige Bearbeitungstechniken für Stahl vorgestellt.

1. Wärmebehandlung

Unter Wärmebehandlung versteht man verschiedene Prozesse, bei denen die Temperatur des Stahls manipuliert wird, um seine Werkstoffeigenschaften zu ändern.

• Weichglühen dient zur Reduzierung der Härte und Erhöhung der Duktilität, wodurch der Stahl leichter bearbeitbar wird. Der Stahl wird langsam auf die gewünschte Temperatur erhitzt und dort für eine bestimmte 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 in isolierendem Material abgekühlt.
• Normalisieren baut innere Spannungen im Stahl ab, während höhere Festigkeit und Härte als bei geglühtem Stahl erhalten bleiben. Beim Normalisieren wird der Stahl auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann bei geeigneter Temperatur abgekühlt, um die Härte zu verbessern.
• Härten erhöht nicht nur die Härte und Festigkeit des Stahls, sondern macht ihn auch spröder. Der Härteprozess umfasst langsames Erhitzen, Ausscheiden bei hohen Temperaturen und anschließendes schnelles Abkühlen durch Eintauchen in ein Medium wie Wasser, Öl oder Salzlösung.
• Anlassen kann einen Teil der durch das Härten entstehenden Sprödigkeit abbauen. Das Anlassen von Stahl verläuft fast identisch zum Normalisieren: Der Stahl wird langsam auf eine gewählte Temperatur erhitzt und dann an der Luft abgekühlt. Der Unterschied liegt in der niedrigeren Temperatur als bei anderen Prozessen, wodurch Sprödigkeit und Härte des angelassenen Stahls reduziert werden.

2. Ausscheidungshärtung

Die Ausscheidungshärtung erhöht die Streckgrenze von Stahl. Der Hauptunterschied bei ausscheidungshärtbaren Stählen besteht darin, dass sie Elemente wie Kupfer, Aluminium, Phosphor oder Titan enthalten, die nicht nur die Festigkeit erhöhen, sondern auch ausreichende Zähigkeit bewahren – eine Klasse hochfester rostfreier Stähle, als PH-Stähle bezeichnet. Zur Aktivierung der Ausscheidungshärtungseigenschaften wird der Stahl zuerst lösungsgeglüht und dann altershärtet. Der Altershärteprozess erhitzt das Material über einen längeren Zeitraum, wodurch die zugesetzten Elemente ausfällen – es bilden sich feste Partikel unterschiedlicher Größe –, die die Festigkeit des Materials erhöhen.

17-4PH (auch bekannt als 630er Stahl) ist ein gängiges Beispiel für einen ausscheidungshärtbaren rostfreien Stahl. 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 Hubschrauberlandeplattformen, Turbinenschaufeln und Atommüllfässern eingesetzt.

3. Kaltverformung

Eigenschaften von Stahl können auch ohne große Wärmezufuhr verändert werden. Beispielsweise wird kaltverformter Stahl durch den Prozess der Kaltverfestigung 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. Kaltverformung verbessert auch die Zerspanbarkeit des Stahls. Baustahl eignet sich sehr gut für Kaltverformung.

Konstruktionsüberlegungen für Stahlbauteile

Beim Design von Stahlteilen ist es wichtig, die einzigartigen Materialeigenschaften im Blick zu behalten. Merkmale, die das Material für Ihre Anwendung geeignet machen, können zusätzliche Design-for-Manufacturing (DFM)-Überlegungen erfordern.

Die Bearbeitung von Stahl dauert aufgrund der Materialhärte länger als bei weicheren Werkstoffen wie Aluminium oder Messing. Sie können Ihre Teile und Werkzeuge schützen, indem Sie Drehzahlen 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 rostfreiem Stahl etwa doppelt so lange wie die von Kohlenstoffstahl. Bei der Auswahl verschiedener Güten muss auch bedacht werden, welche Eigenschaften am wichtigsten sind und welche Stahllegierungen leicht verfügbar sind. Gängige Güten wie 1.4301 oder 1.4404 sind in einer breiteren Palette von Lagergrößen erhältlich und erfordern weniger Zeit für Beschaffung und Lieferung.