Ratgeber Werkzeugmaterialien – aus welchem Material sind Werkzeuge?

Ratgeber Werkzeugmaterialien
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Das Werkzeug muss härter sein als der Werkstoff! Diese alte Mechaniker-Weisheit dürfte jeder im Kopf haben. Doch immer wieder haben wir es mit Werkzeugen zu tun, die schon bei seltenem oder sogar einmaligem Gebrauch den Geist aufgeben und die ihnen zugedachten Funktionen somit kaum erfüllen können. Woran liegt das?

Natürlich an den Werkzeugwerkstoffen bzw. Werkzeugmaterialien!

Damit wollen wir uns in diesem Ratgeber beschäftigen. Es geht vor allem um Werkzeuge, mit denen wir die üblichen Werkstoffe wie Metall oder Holz bearbeiten können. Was ist hier bezüglich der Werkzeugmaterialien zu beachten? Wir klären auf.

Grundsätzliche Materialanforderungen für Bearbeitungswerkzeuge

Um Späne von einem Werkstück abzutragen, muss ein Schneidwerkzeug härter sein als das Werkstück und eine Schneide bei der durch die Reibung beim Schneiden entstehenden Temperatur halten.

Kohlenstoffstahl

Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 1,2 Prozent war der erste Werkstoff, der für Werkzeugmaschinen verwendet wurde. Werkzeuge aus diesem Kohlenstoffstahl sind vergleichsweise preiswert, neigen aber dazu, bei Temperaturen von etwa 205° C ihre Schneidfähigkeit zu verlieren.

Schnellarbeitsstahl

Im Jahr 1900 ermöglichte die Einführung von Schnellarbeitsstahl den Betrieb von Werkzeugen mit der doppelten oder dreifachen Geschwindigkeit im Vergleich zu Kohlenstoffstahl und verdoppelte oder verdreifachte damit die Kapazitäten der weltweiten Werkzeugmaschinen. Eine der gängigsten Arten von Schnellarbeitsstahl enthält 18 Prozent Wolfram, 4 Prozent Chrom, 1 Prozent Vanadium und nur 0,5 bis 0,8 Prozent Kohlenstoff.

Gusslegierungen

Diese Nichteisenlegierungen enthalten Kobalt, Chrom und Wolfram und sind besonders gut in der Lage, die harte Haut von Gusseisen zu durchdringen und ihre Schneidfähigkeit auch im glühenden Zustand beizubehalten.

Gesintertes Wolframkarbid

Dieser Werkstoff wurde erstmals 1926 in Deutschland für die Metallzerspanung eingesetzt. Sein Hauptbestandteil ist fein verteiltes Wolframkarbid in einem Kobaltbindemittel; seine Härte kommt der eines Diamanten nahe. Werkzeuge aus Wolframkarbid können mit Schnittgeschwindigkeiten betrieben werden, die um ein Vielfaches höher sind als die von Schnellarbeitsstahl.

Oxide

Keramische oder oxidische Werkzeugspitzen sind eine der neuesten Entwicklungen bei den Schneidwerkstoffen. Sie bestehen hauptsächlich aus feinen Aluminiumoxidkörnern, die miteinander verbunden sind.

Diamanten

Diamanten werden seit vielen Jahren zum Abrichten von Schleifscheiben, in Drahtziehwerkzeugen und als Schneidwerkzeuge verwendet. In der Zerspanung werden sie vor allem für leichte Schlichtschnitte bei hohen Geschwindigkeiten in harten oder abrasiven Werkstoffen und zum Fertigbohren von Lagern aus Bronze und Babbitt-Metall eingesetzt.

Kühlschmierstoffe

Bei vielen Bearbeitungsvorgängen an Werkzeugmaschinen werden Kühlschmierstoffe verwendet, um die schädlichen Auswirkungen von Reibung und hohen Temperaturen zu verringern. Im Allgemeinen bestehen die Hauptfunktionen eines Kühlmittels darin, zu schmieren und zu kühlen. Beim Schneiden eines Gewindes auf einer Drehbank oder mit einem Gewindebohrer ist die Schmierfunktion am wichtigsten; beim Produktionsschleifen überwiegt die Kühlfunktion. Wasser ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, greift aber Eisenwerkstoffe an. Schmalzöl hat ausgezeichnete Schmiereigenschaften, neigt aber dazu, ranzig zu werden. Geschwefeltes Mineralöl ist eines der beliebtesten Kühlmittel. Der Schwefel verhindert, dass Späne vom Werkstück an der Werkzeugspitze verschweißen. Für Säge– und Schleifarbeiten wird in der Regel lösliches Öl verwendet, das eine mit Wasser mischbare ölige Emulsion ist.

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Geeignete Materialien für Handwerkzeuge

Das Material, das bei der Herstellung eines bestimmten Werkzeugs ausgewählt wird, wird normalerweise durch die mechanischen Eigenschaften bestimmt, die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Werkzeugs erforderlich sind. Diese Werkstoffe sollten erst nach einer sorgfältigen Untersuchung und Bewertung der Funktion und der Anforderungen des geplanten Werkzeugs ausgewählt werden.

Für die meisten Anwendungen ist mehr als ein Werkstoff geeignet, und die endgültige Wahl hängt in der Regel von der Verfügbarkeit des Werkstoffs und wirtschaftlichen Erwägungen ab.

Die wichtigsten Werkstoffe, die für Werkzeuge verwendet werden, lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: Eisenmetalle, Nichteisenmetalle und nichtmetallische Werkstoffe. Eisenhaltige Werkstoffe haben Eisen als Grundmetall und umfassen Werkzeugstahl, legierten Stahl, Kohlenstoffstahl und Gusseisen. Nichteisenmetalle haben ein anderes Grundmetall als Eisen und umfassen Aluminium, Magnesium, Zink, Blei, Wismut, Kupfer und eine Vielzahl anderer Metalle und deren Legierungen. Zu den nichtmetallischen Werkstoffen gehören Hölzer, Kunststoffe, Gummi, Epoxidharze, Keramik und Diamanten, die keine metallische Basis haben.

Um ein Material richtig auszuwählen, sollte man einige physikalische und mechanische Eigenschaften kennen, um festzustellen, wie sie die Funktion und den Betrieb eines Werkzeugs beeinflussen.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie es unter bestimmten Bedingungen reagiert. Physikalische Eigenschaften sind von Natur aus im Material vorhanden und können nicht dauerhaft verändert werden, ohne dass das Material selbst verändert wird. Zu diesen Eigenschaften gehören: Dichte, Farbe, thermische und elektrische Leitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und Schmelzpunkt.

Dichte

Die Dichte eines Materials ist ein Maß für die Masse pro Volumeneinheit und wird in der Regel in der Einheit lb/in gemessen. 3 (g/mm^3 ). Die Dichte ist wichtig, wenn das Gewicht eines Werkzeugs möglichst gering gehalten werden soll.

Farbe

Die Farbe ist der natürliche Farbton, den das Material aufweist. So haben Stähle in der Regel eine silbergraue Farbe, während Kupfer in der Regel rötlich-braun ist.

Thermische und elektrische Leitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit messen, wie schnell oder langsam ein bestimmtes Material Wärme oder Elektrizität leitet. Aluminium und Kupfer haben zum Beispiel eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, während Nickel und Chrom eine vergleichsweise niedrige Leitfähigkeit aufweisen.

Koeffizient der thermischen Ausdehnung

Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Maß dafür, wie sich ein Material bei Wärmeeinwirkung ausdehnt. Materialien wie Aluminium, Zink und Blei haben einen hohen Ausdehnungskoeffizienten, während sich Kohlenstoff und Silizium bei Erwärmung nur wenig ausdehnen. Die Verwendung von Materialien mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist wichtig, wenn die Maßgenauigkeit entscheidend ist. Die Angabe von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann zu Problemen bei der Konstruktion und Verwendung von Werkzeugen führen.

Schmelzpunkt

Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Material von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht. Materialien wie Tantal und Wolfram haben einen hohen Schmelzpunkt, während Blei und Wismut einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt haben. Der Schmelzpunkt ist ein wichtiger Faktor, wenn bei der Verwendung eines Werkzeugs hohe Temperaturen auftreten.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs können durch thermische oder mechanische Behandlung dauerhaft verändert werden. Zu diesen Eigenschaften gehören Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Plastizität, Dehnbarkeit, Verformbarkeit und Elastizitätsmodul.

Festigkeit

Die Festigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Verformungen zu widerstehen. Die gebräuchlichsten Einheiten zur Angabe der Festigkeit sind Pfund pro Quadratzoll (psi) und KiloPascal (kPa). Bei der Konstruktion von Werkzeugen sind die wichtigsten Kategorien die Zugfestigkeit, die Druckfestigkeit, die Scherfestigkeit und die Streckgrenze eines Materials.

Endgültige Zugfestigkeit

Die endgültige Zugfestigkeit ist der Wert, der sich ergibt, wenn man die bei der Zugprüfung beobachtete Höchstlast durch die Querschnittsfläche der Probe vor der Prüfung teilt. Die Zugfestigkeit eines Werkstoffs ist eine wichtige Eigenschaft, die bei der Konstruktion großer Vorrichtungen oder anderer Werkzeuge berücksichtigt werden muss. Bei Werkzeugen und Gesenken ist sie von geringerer Bedeutung, es sei denn, es werden weiche oder mittelharte Eisen- oder Nichteisenwerkstoffe verwendet.

Bei den Zugversuchen, die an Werkzeugstahl erfolgreich durchgeführt werden, sind die Anlasstemperaturen viel höher als bei den üblichen Werkzeugen. Werkzeugstähle für Warmarbeit, Ermüdung oder Schlagbeanspruchung werden normalerweise mit niedrigeren Härtegraden spezifiziert. Die Zugfestigkeitseigenschaften von Werkzeugstählen können aus Datenbüchern oder Herstellerliteratur entnommen werden.

Druckfestigkeit

Die Druckfestigkeit spielt bei der Konstruktion von Werkzeugen eine wichtige Rolle. Sie ist die maximale Spannung, die ein Metall unter Druck aushalten kann, ohne zu brechen, sich zu verbiegen oder auszuwölben. Die Druckfestigkeitsprüfung wird bei gehärteten Werkzeugstählen durchgeführt, insbesondere bei hohen Härtegraden. Bei allen duktilen Werkstoffen glätten sich die Proben unter der Belastung, und es entsteht kein deutlich erkennbarer Bruch. Bei diesen Werkstoffen ist die Druckfestigkeit in der Regel gleich der Zugfestigkeit.

Scherfestigkeit

Die Scherfestigkeit eines Werkstoffs ist bei der Konstruktion von Werkzeugen, die Scher- oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind, zu berücksichtigen. Die Scherfestigkeit ist definiert als die Spannung, die erforderlich ist, um bei Scherbelastung (oder Torsionsbelastung) zu versagen. Bei den meisten Stählen liegt die Scherfestigkeit bei ca. 50-60 % der Zugstreckgrenze der Legierung. Die Scherfestigkeit wird in Einheiten von lb/in. 2 (psi) oder kN/m^2 (kPa) gemessen.

Streckgrenze

Die Streckgrenze eines Materials ist oft die wichtigste Eigenschaft, die bei der Auswahl einer Legierung für eine bestimmte Anwendung zu berücksichtigen ist. Gemessen in Einheiten von lb/in. 2 (psi) oder kN/m^2 (kPa) gemessen, ist die Streckgrenze das Spannungsniveau, bei dem eine Legierung eine dauerhafte Dehnung aufweist, nachdem die Spannung abgebaut wurde. Als typische Streckgrenze werden 0,2 % angegeben, was bedeutet, dass die Spannung in einer 50,8-mm-Probe eine Dehnung von 0,2 % bewirkt. Wenn also eine dauerhafte Verformung für eine bestimmte Anwendung nicht akzeptabel ist, müssen die Spannungen, denen ein Bauteil ausgesetzt ist, unterhalb der Streckgrenze der Legierung liegen. Durch Wärmebehandlungen kann die Streckgrenze von Legierungen erhöht oder verringert werden.

Härte

Die Härte ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, einem Eindringen in das Material zu widerstehen oder einem Abrieb standzuhalten. Sie ist eine wichtige Eigenschaft bei der Auswahl von Werkzeugwerkstoffen. Die Härte allein sagt jedoch nichts über die Verschleiß- oder Abriebfestigkeit eines Werkstoffs aus. Bei legierten Stählen, insbesondere bei Werkzeugstählen, variiert die Verschleiß- oder Abriebfestigkeit mit dem Legierungsgehalt. Es wurden Härteskalen entwickelt, die jeweils einen eigenen Härtebereich für verschiedene Werkstoffe abdecken.

Wodurch zeichnet sich Werkzeugstahl aus?

Unter Werkzeugstahl versteht man eine Reihe von Kohlenstoffstählen und legierten Stählen, die sich besonders gut für die Herstellung von Werkzeugen eignen. Ihre Eignung ergibt sich aus ihrer ausgeprägten Härte, ihrer Abrieb- und Verformungsfestigkeit und ihrer Fähigkeit, eine Schneide bei hohen Temperaturen zu halten. Daher eignen sich Werkzeugstähle auch für die Umformung anderer Werkstoffe.

Mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,5 % und 1,5 % werden Werkzeugstähle unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen hergestellt, um die erforderliche Qualität zu erreichen. Das Vorhandensein von Karbiden in ihrer Matrix spielt die Hauptrolle bei den Eigenschaften von Werkzeugstahl. Die vier wichtigsten Legierungselemente, die in Werkzeugstahl Karbide bilden, sind: Wolfram, Chrom, Vanadium und Molybdän. Die Geschwindigkeit, mit der sich die verschiedenen Karbide in die Austenitform des Eisens auflösen, bestimmt die Hochtemperatureigenschaften des Stahls (langsamer ist besser, was zu einem hitzebeständigen Stahl führt). Die richtige Wärmebehandlung dieser Stähle ist wichtig für eine angemessene Leistung. Der Mangangehalt wird oft niedrig gehalten, um die Möglichkeit der Rissbildung beim Wasserabschrecken zu minimieren.

Es gibt sechs Gruppen von Werkzeugstählen: wasserhärtende, kaltverformbare, stoßfeste, schnellverformbare, warmverformbare und Sonderstähle. Die Wahl der Gruppe hängt von den Kosten, der Arbeitstemperatur, der erforderlichen Oberflächenhärte, der Festigkeit, der Stoßfestigkeit und den Anforderungen an die Zähigkeit ab. Je härter die Einsatzbedingungen (höhere Temperatur, Abrasivität, Korrosivität, Belastung), desto höher ist der Legierungsgehalt und damit die Menge der für den Werkzeugstahl erforderlichen Karbide.

Werkzeugstähle werden zum Schneiden, Pressen, Strangpressen und Prägen von Metallen und anderen Werkstoffen verwendet. Ihr Einsatz in Werkzeugen ist unerlässlich; Spritzgussformen beispielsweise erfordern Werkzeugstähle wegen ihrer Abriebfestigkeit – ein wichtiges Kriterium für die Haltbarkeit von Formen, die während ihrer Lebensdauer Hunderttausende von Gussvorgängen ermöglichen.

Die AISI-SAE-Güteklassen für Werkzeugstahl sind die gebräuchlichste Skala, um die verschiedenen Werkzeugstahlsorten zu identifizieren. Einzelne Legierungen innerhalb einer Sorte werden mit einer Nummer versehen, z. B.: A2, O1, usw.

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