Auswahl von Werkzeugmaterialien: Ein umfassender Leitfaden

In der Welt der Fertigung und des Ingenieurwesens ist die Auswahl geeigneter Werkzeugmaterialien eine kritische Entscheidung, die sich direkt auf Effizienz, Kosteneffektivität und die Qualität des Endprodukts auswirkt. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über die Auswahl von Werkzeugmaterialien und richtet sich an ein globales Publikum von Ingenieuren, Herstellern und allen, die an der Materialverarbeitung beteiligt sind. Wir werden wichtige Materialeigenschaften, gängige Werkzeugmaterialien, Auswahlkriterien und aufkommende Trends untersuchen und handlungsorientierte Einblicke für fundierte Entscheidungen liefern.

Die Bedeutung der Auswahl von Werkzeugmaterialien verstehen

Die Leistung eines Werkzeugs hängt stark vom Material ab, aus dem es gefertigt ist. Ein falsch ausgewähltes Werkzeugmaterial kann zu vorzeitigem Werkzeugversagen, erhöhten Ausfallzeiten, schlechter Oberflächengüte und Maßungenauigkeiten am Werkstück führen. Die Wahl des richtigen Materials optimiert Schnittgeschwindigkeiten, Vorschübe und Schnitttiefen, maximiert die Produktivität und minimiert den Ausschuss. Dies gilt unabhängig vom geografischen Standort oder der Branche, sei es die Luft- und Raumfahrtfertigung in Europa, die Automobilproduktion in Asien oder die Öl- und Gasexploration in Nordamerika.

Wichtige Materialeigenschaften für die Werkzeugauswahl

Mehrere wesentliche Materialeigenschaften bestimmen die Eignung eines Materials für Werkzeuganwendungen. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist für fundierte Entscheidungen unerlässlich:

• Härte: Widerstand gegen Eindrücken und Kratzen. Hohe Härte ist entscheidend für das Schneiden harter Materialien und die Beibehaltung scharfer Schneidkanten. Gemessen mit Skalen wie Rockwell (HRC) oder Vickers (HV).
• Zähigkeit: Fähigkeit, Energie zu absorbieren und Bruch zu widerstehen. Wichtig zur Vermeidung von Sprödbruch, insbesondere unter Stoßbelastungen. Gemessen mit Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy oder Izod.
• Verschleißfestigkeit: Fähigkeit, abrasivem, adhäsivem und korrosivem Verschleiß zu widerstehen. Entscheidend für die Verlängerung der Werkzeugstandzeit und die Einhaltung der Maßgenauigkeit.
• Warmhärte (Rotglutbeständigkeit): Fähigkeit, die Härte bei erhöhten Temperaturen beizubehalten. Unverzichtbar für Hochgeschwindigkeitszerspanungen, bei denen erhebliche Wärme entsteht.
• Druckfestigkeit: Fähigkeit, Druckkräften ohne Verformung zu widerstehen. Wichtig für Umformwerkzeuge und Anwendungen mit hohen Spannkräften.
• Zugfestigkeit: Fähigkeit, Zugkräften ohne Bruch zu widerstehen. Wichtig für Werkzeuge, die Zieh- oder Streckkräften ausgesetzt sind.
• Elastizität (Elastizitätsmodul): Ein Maß für die Steifigkeit eines Materials. Eine höhere Elastizität ist oft für Präzisionsanwendungen erwünscht.
• Wärmeleitfähigkeit: Fähigkeit, Wärme von der Schneidzone wegzuleiten. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit hilft, die Werkzeugtemperatur zu senken und thermische Schäden zu vermeiden.
• Reibungskoeffizient: Ein niedriger Reibungskoeffizient zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert die Schnittkräfte und die Wärmeentwicklung.

Gängige Werkzeugmaterialien: Eigenschaften, Anwendungen und Überlegungen

Eine breite Palette von Materialien wird für die Werkzeugherstellung verwendet, wobei jedes eine einzigartige Kombination von Eigenschaften bietet. Hier ist ein Überblick über einige der gängigsten Optionen:

Schnellarbeitsstahl (HSS)

Beschreibung: Legierte Stähle, die erhebliche Mengen an Wolfram, Molybdän, Chrom, Vanadium und Kobalt enthalten. HSS bietet eine gute Balance aus Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Es gibt zwei Hauptgruppen: wolframbasierter HSS (T-Reihe) und molybdänbasierter HSS (M-Reihe). Eigenschaften:

• Gute Härte und Zähigkeit
• Relativ kostengünstig
• Kann wärmebehandelt werden, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen
• Gute Verschleißfestigkeit, besonders mit Beschichtung

Anwendungen:

• Bohrer, Fräser, Gewindebohrer und Reibahlen
• Geeignet für die allgemeine Zerspanung von Stählen, Gusseisen und Nichteisenmetallen

Überlegungen:

• Geringere Warmhärte im Vergleich zu Hartmetall
• Begrenzte Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zu Hartmetall
• Anfällig für Verschleiß bei hohen Temperaturen

Beispiel: M2 HSS wird weltweit in verschiedenen Branchen für die allgemeine Zerspanung eingesetzt. In einigen Ländern, wie Deutschland, sind standardisierte HSS-Sorten durch DIN-Normen definiert.

Hartmetalle (Sinterhartmetalle)

Beschreibung: Verbundwerkstoffe, die aus harten Karbidpartikeln (z.B. Wolframkarbid, Titankarbid) bestehen, die durch ein metallisches Bindemittel (typischerweise Kobalt) zusammengehalten werden. Hartmetalle bieten außergewöhnliche Härte, Verschleißfestigkeit und Warmhärte. Eigenschaften:

• Extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit
• Ausgezeichnete Warmhärte
• Hohe Druckfestigkeit
• Relativ spröde im Vergleich zu HSS

Anwendungen:

• Schneidwerkzeuge für die Zerspanung einer breiten Palette von Materialien, einschließlich Stahl, Gusseisen, Aluminium und Titan
• Verschleißteile, Matrizen und Stempel

Überlegungen:

• Höhere Kosten im Vergleich zu HSS
• Spröder und anfälliger für Absplitterungen
• Erfordert spezielle Schleifausrüstung

Beispiel: Wolframkarbid (WC-Co) ist eine gängige Hartmetallsorte für die Zerspanung von Stählen. Die Sorten werden oft nach dem Kobaltgehalt ausgewählt; ein höherer Kobaltgehalt verbessert im Allgemeinen die Zähigkeit auf Kosten der Härte. Verschiedene Regionen könnten je nach Kosten und Verfügbarkeit bestimmte Sorten bevorzugen.

Keramiken

Beschreibung: Anorganische, nichtmetallische Werkstoffe mit hoher Härte, Verschleißfestigkeit und chemischer Trägheit. Gängige keramische Werkzeugmaterialien sind Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4) und kubisches Bornitrid (CBN). Eigenschaften:

• Sehr hohe Härte und Verschleißfestigkeit
• Ausgezeichnete Warmhärte
• Hohe chemische Trägheit
• Extrem spröde

Anwendungen:

• Schneidwerkzeuge für die Zerspanung von gehärteten Stählen, Gusseisen und Superlegierungen
• Verschleißteile und Isolatoren

Überlegungen:

• Sehr hohe Kosten
• Extrem spröde und bruchanfällig
• Erfordert spezielle Bearbeitungs- und Handhabungstechniken

Beispiel: Kubisches Bornitrid (CBN) wird für die Zerspanung von gehärteten Stählen und Superlegierungen in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Präzision und Oberflächengüte erforderlich sind. Während teuer, kann die verbesserte Werkzeugstandzeit die Kosten in Hochvolumen-Produktionsumgebungen global rechtfertigen.

Diamant

Beschreibung: Ein Allotrop des Kohlenstoffs mit außergewöhnlicher Härte und Wärmeleitfähigkeit. Diamantwerkzeuge können natürlich oder synthetisch (polykristalliner Diamant – PKD) sein. Eigenschaften:

• Höchste Härte aller bekannten Materialien
• Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
• Hohe Verschleißfestigkeit
• Chemisch inert

Anwendungen:

• Schneidwerkzeuge für die Zerspanung von Nichteisenmetallen, Verbundwerkstoffen und abrasiven Materialien
• Schleifscheiben und Abrichtwerkzeuge

Überlegungen:

• Sehr hohe Kosten
• Kann nicht zur Zerspanung von Eisenmetallen verwendet werden, aufgrund der chemischen Reaktivität mit Eisen
• Spröde und anfällig für Absplitterungen

Beispiel: PKD-Werkzeuge werden in der Automobilindustrie ausgiebig für die Zerspanung von Aluminiumlegierungskomponenten, wie Motorblöcken und Zylinderköpfen, eingesetzt. Seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit tragen zu langer Werkzeugstandzeit und exzellenter Oberflächengüte bei, was die Notwendigkeit häufiger Werkzeugwechsel reduziert.

Keramiken (Fortgeschritten)

Beschreibung: Repräsentieren die Spitze der Werkzeugmaterialtechnologie. Diese fortschrittlichen Keramiken können für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden und bieten überlegene Leistung in anspruchsvollen Umgebungen. Eigenschaften:

• Außergewöhnliche Härte
• Hohe Warmhärte
• Überlegene Verschleißfestigkeit
• Gute chemische Trägheit

Anwendungen:

• Zerspanung von extrem harten oder abrasiven Materialien
• Hochgeschwindigkeits-Schneidoperationen
• Fertigung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie die Medizintechnik

Überlegungen:

• Sehr hohe Kosten
• Spezielle Handhabung erforderlich
• Anwendungsspezifische Sorten

Beispiel: Siliziumnitrid wird in der Hochgeschwindigkeitszerspanung von Gusseisen für Automobilteile in Orten wie Japan verwendet und bietet eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und ermöglicht schnellere Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zu traditionellen Hartmetallwerkzeugen. Dies verbessert die Produktivität und reduziert die Herstellungskosten. Seine Sprödigkeit erfordert jedoch eine sorgfältige Prozessoptimierung und spezielle Werkzeugmaschinen.

Auswahlkriterien für Werkzeugmaterialien: Ein schrittweiser Ansatz

Die Auswahl des optimalen Werkzeugmaterials erfordert einen systematischen Ansatz. Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren:

1. Werkstückmaterial: Das zu zerspanende oder umzuformende Material ist der Hauptfaktor für die Auswahl des Werkzeugmaterials. Härtere und abrasivere Materialien erfordern härtere und verschleißfestere Werkzeugmaterialien.
2. Zerspanungsvorgang: Verschiedene Zerspanungsvorgänge (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen) stellen unterschiedliche Anforderungen an das Werkzeugmaterial. Berücksichtigen Sie die beteiligten Schnittkräfte, Temperaturen und Spanbildungsmechanismen.
3. Schnittparameter: Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe beeinflussen die Werkzeugleistung erheblich. Höhere Schnittgeschwindigkeiten erzeugen mehr Wärme und erfordern Werkzeugmaterialien mit guter Warmhärte.
4. Anforderungen an die Oberflächengüte: Die gewünschte Oberflächengüte des Werkstücks kann die Auswahl des Werkzeugmaterials beeinflussen. Einige Materialien sind besser geeignet, feine Oberflächengüten zu erzielen als andere.
5. Produktionsvolumen: Bei Serienfertigungen mit hohem Volumen wird die Standzeit des Werkzeugs zu einem kritischen Faktor. Die Investition in teurere, leistungsfähigere Werkzeugmaterialien kann durch die erhöhte Standzeit und reduzierte Ausfallzeiten gerechtfertigt sein.
6. Kosten: Die Kosten des Werkzeugmaterials sind eine wichtige Überlegung, sollten aber nicht der alleinige Faktor sein. Berücksichtigen Sie die Gesamtkosten des Zerspanungsvorgangs, einschließlich Werkzeugverschleiß, Ausfallzeiten und Ausschussrate.
7. Fähigkeiten der Werkzeugmaschine: Die Fähigkeiten der Werkzeugmaschine, wie Spindeldrehzahl, Leistung und Steifigkeit, können die Auswahl von Werkzeugmaterialien begrenzen.
8. Kühl-/Schmiermittel: Die Art des verwendeten Kühl- oder Schmiermittels kann die Standzeit und Leistung des Werkzeugs beeinflussen. Einige Kühlmittel können mit bestimmten Werkzeugmaterialien inkompatibel sein.
9. Umweltfaktoren: Umweltvorschriften können die Verwendung bestimmter Werkzeugmaterialien oder Kühlmittel einschränken.

Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen

Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen können die Leistung von Werkzeugmaterialien erheblich verbessern. Gängige Optionen sind:

• Titannitrid (TiN): Verbessert Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
• Titancarbonitrid (TiCN): Bietet höhere Härte und Verschleißfestigkeit als TiN.
• Aluminiumoxid (Al2O3): Bietet ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und thermische Barriereeigenschaften.
• Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC): Reduziert die Reibung und verbessert die Verschleißfestigkeit, besonders in Nichteisenanwendungen.
• Chromnitrid (CrN): Verbessert die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, besonders in Anwendungen mit Nichteisenmaterialien.

Diese Beschichtungen werden mit verschiedenen Abscheidungstechniken wie der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht. Die Auswahl der geeigneten Beschichtung hängt von der spezifischen Anwendung und den gewünschten Leistungsmerkmalen ab. Zum Beispiel werden TiAlN-Beschichtungen aufgrund ihrer ausgezeichneten Warmhärte und Verschleißfestigkeit häufig bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung von Stahl eingesetzt. In China nutzen Hersteller oft lokal entwickelte Beschichtungstechnologien, um Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistung zu erhalten.

Aufkommende Trends in der Werkzeugmaterialtechnologie

Das Feld der Werkzeugmaterialtechnologie entwickelt sich ständig weiter. Einige der aufkommenden Trends sind:

• Fortschrittliche Keramiken: Entwicklung neuer keramischer Materialien mit verbesserter Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.
• Nanomaterialien: Einbindung von Nanomaterialien in Werkzeugmaterialien zur Verbesserung ihrer Eigenschaften.
• Additive Fertigung: Nutzung der additiven Fertigung (3D-Druck) zur Erstellung komplexer Werkzeuggeometrien und maßgeschneiderter Werkzeugmaterialien.
• Intelligente Werkzeuge: Integration von Sensoren in Werkzeuge zur Überwachung von Schnittkräften, Temperaturen und Vibrationen, was eine Echtzeit-Prozessoptimierung ermöglicht.
• Nachhaltige Werkzeuge: Fokus auf die Entwicklung nachhaltigerer Werkzeugmaterialien und Herstellungsprozesse zur Reduzierung der Umweltbelastung. Dies wird immer wichtiger, da die globalen Vorschriften für Fertigungsprozesse strenger werden.

Fallstudien: Beispiele für die Auswahl von Werkzeugmaterialien in der Praxis

Fallstudie 1: Zerspanung von Luft- und Raumfahrtlegierungen (Titan): Bei der Zerspanung von Titanlegierungen, die in Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet werden, stellen die hohe Festigkeit und die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials erhebliche Herausforderungen dar. Traditionell werden Hartmetallwerkzeuge mit speziellen Beschichtungen (z.B. TiAlN) verwendet. PKD-Werkzeuge gewinnen jedoch an Popularität für Schruppoperationen aufgrund ihrer überlegenen Verschleißfestigkeit und ihrer Fähigkeit, scharfe Schneidkanten bei hohen Geschwindigkeiten beizubehalten. Die Auswahl des Kühlmittels ist ebenfalls kritisch, um Wärme zu managen und Werkzeugverschleiß zu verhindern. Diese Technik ist bei Airbus- und Boeing-Zulieferern in Europa und Nordamerika üblich. Die Schnittparameter werden sorgfältig kontrolliert, um übermäßige Wärmeentwicklung und Werkzeugversagen zu vermeiden.

Fallstudie 2: Hochgeschwindigkeitszerspanung von Aluminium in der Automobilproduktion: Die Hochgeschwindigkeitszerspanung von Aluminium-Motorblöcken erfordert Werkzeuge mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. PKD-Werkzeuge werden üblicherweise für Schlichtoperationen verwendet, während beschichtete Hartmetallwerkzeuge für das Schruppen eingesetzt werden. Die Verwendung von Hochdruck-Kühlsystemen ist unerlässlich, um Wärme und Späne aus der Schneidzone zu entfernen. In Japan und Korea spielt die Automatisierung eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Schnittparametern und Werkzeugstandzeiten. Diese optimierten Prozesse tragen zu erhöhter Produktivität und reduzierten Herstellungskosten bei.

Fallstudie 3: Herstellung von Gesenken und Formen für den Kunststoffspritzguss: Die Auswahl von Werkzeugmaterialien für Gesenke und Formen für den Kunststoffspritzguss hängt von der Art des zu formenden Kunststoffs und dem Produktionsvolumen ab. Hochfeste Werkzeugstähle (z.B. H13) werden üblicherweise für Formen verwendet, die abrasive Kunststoffe herstellen oder hohen Einspritzdrücken ausgesetzt sind. Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren oder PVD-Beschichtungen werden oft angewendet, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern und die Reibung zu reduzieren. In aufstrebenden Märkten wie Indien und Brasilien verwenden Hersteller oft lokal bezogene Werkzeugstähle und Beschichtungen, um Kosten zu senken, und erzielen dabei dennoch eine akzeptable Standzeit und Teilequalität.

Internationale Normen und Spezifikationen

Mehrere internationale Normen und Spezifikationen regeln die Auswahl, Prüfung und Klassifizierung von Werkzeugmaterialien. Einige der relevantesten Normen sind:

• ISO-Normen: Die Normen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) decken eine breite Palette von Werkzeugmaterialien ab, einschließlich HSS, Hartmetallen und Keramiken.
• ASTM-Normen: Die Normen der American Society for Testing and Materials (ASTM) bieten Prüfverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Werkzeugmaterialien.
• DIN-Normen: Die Normen des Deutschen Instituts für Normung (DIN) sind in Europa weit verbreitet und decken verschiedene Aspekte von Werkzeugmaterialien ab.
• JIS-Normen: Die Japanischen Industrienormen (JIS) enthalten Spezifikationen für in Japan verwendete Werkzeugmaterialien.

Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet Konsistenz und Zuverlässigkeit bei der Auswahl und Herstellung von Werkzeugmaterialien.

Fazit

Die Auswahl von Werkzeugmaterialien ist ein komplexer und vielschichtiger Prozess, der ein gründliches Verständnis von Materialeigenschaften, Zerspanungsvorgängen und Produktionsanforderungen erfordert. Durch die Berücksichtigung der in diesem Leitfaden dargelegten Faktoren können Ingenieure und Hersteller fundierte Entscheidungen treffen, die die Werkzeugleistung optimieren, die Produktivität verbessern und die Kosten senken. Sich über aufkommende Trends und Fortschritte in der Werkzeugmaterialtechnologie auf dem Laufenden zu halten, ist entscheidend, um in der globalen Fertigungslandschaft wettbewerbsfähig zu bleiben. Kontinuierliches Lernen und die Zusammenarbeit mit Materiallieferanten sind für eine erfolgreiche Auswahl von Werkzeugmaterialien unerlässlich.