Top 10! Die gängigsten Zerspanungsstähle: Zerspanung & alternative Lösungen

Die Welt der Fertigung ist stark auf die präzise Formgebung von Materialien angewiesen, und Stahl, in seinen unzähligen Formen, bleibt der unangefochtene König der zerspanbaren Metalle. Von filigranen Komponenten in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu robusten Teilen in schweren Maschinen ist die Fähigkeit, Stahl effizient zu schneiden, zu bohren und zu fräsen, von grundlegender Bedeutung. Aber was macht einen Stahl in der Zerspanung so hervorragend, während ein anderer sich als hartnäckig schwierig erweist? Das Verständnis der Eigenschaften, die die Zerspanbarkeit bestimmen, und die Identifizierung der gängigsten Zerspanungsstähle sind für jeden Ingenieur oder Hersteller, der eine optimale Produktion anstrebt, von entscheidender Bedeutung.

Zerspanbarkeit in Stahl ist nicht nur eine Frage der Weichheit; es ist ein komplexes Zusammenspiel von Faktoren, darunter Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Abriebfestigkeit und Mikrostruktur. Stähle mit kontrollierten Zusammensetzungen, oft mit Zusätzen wie Blei, Schwefel oder Wismut, werden so konstruiert, dass sie Späne sauber brechen, den Werkzeugverschleiß reduzieren und höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen. Ein hoher Kohlenstoffgehalt erhöht im Allgemeinen die Härte und Festigkeit, kann aber die Zerspanbarkeit verringern, indem er abrasive Carbide erzeugt. Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän verbessern bestimmte Eigenschaften, können aber auch die Zerspanung erschweren.

Hier sind die Top 10 der gängigsten Zerspanungsstähle, die aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften und Zerspanbarkeit in verschiedenen Branchen weit verbreitet sind:

1. 12L14 Automatenstahl

Oft als Goldstandard für Automatenstähle angesehen, ist 12L14 ein kohlenstoffarmer Stahl, der mit Blei und Schwefel angereichert ist. Das Blei wirkt als Festschmierstoff und reduziert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, während Schwefel Mangansulfide bildet, die eine spröde Spanbildung fördern. Diese Kombination führt zu einer ausgezeichneten Spanabfuhr, einer hervorragenden Oberflächengüte und einer deutlich verlängerten Werkzeugstandzeit, was sehr hohe Zerspanungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Er ist ideal für Teile, die eine umfangreiche Zerspanung erfordern und bei denen hohe Festigkeit nicht im Vordergrund steht, wie z. B. Fittings, Verbinder und allgemeine Drehteile.

2. 1215 Automatenstahl

Ähnlich wie 12L14, aber ohne das zugesetzte Blei, ist 1215 ein sehr beliebter bleifreier Automatenstahl. Sein hoher Schwefelgehalt sorgt weiterhin für eine ausgezeichnete Zerspanbarkeit, was ihn zu einer bevorzugten Wahl in Anwendungen macht, in denen Blei eingeschränkt oder unerwünscht ist. Er bietet eine vergleichbare Spanabfuhr und Oberflächengüte wie 12L14, wenn auch manchmal bei etwas reduzierten Schnittgeschwindigkeiten. Dieser Stahl ist ein starker Anwärter für verschiedene Drehteile, Wellen und kleine Komponenten.

3. 1018 Kohlenstoffstahl

1018 ist einer der am weitesten verbreiteten und vielseitigsten kohlenstoffarmen Stähle. Obwohl er kein Automatenstahl ist, macht ihn sein relativ geringer Kohlenstoffgehalt (ca. 0,15-0,20 %) recht duktil und gut formbar, was eine gute Zerspanbarkeit mit guter Oberflächengüte ermöglicht. Er wird oft für allgemeine Anwendungen eingesetzt, die ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit erfordern, wie z. B. Wellen, Stifte, Strukturbauteile und unkritische Maschinenteile. Seine allgemeine Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit machen ihn zu einer gängigen Wahl.

4. 1045 Kohlenstoffstahl

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt ist 1045 ist ein mittelkohlenstoffhaltiger Stahl (ca. 0,43-0,50 % Kohlenstoff), der für seine höhere Festigkeit und Härte im Vergleich zu 1018 bekannt ist. Er kann wärmebehandelt werden, um diese Eigenschaften weiter zu verbessern. Obwohl sein höherer Kohlenstoffgehalt die Zerspanung erschwert als bei den kohlenstoffärmeren Stählen, bietet er für seine Festigkeitsklasse immer noch eine angemessene Zerspanbarkeit. Er wird häufig für Achsen, Zahnräder, Bolzen und Komponenten verwendet, die eine höhere Verschleißfestigkeit und moderate Festigkeit erfordern.

5. 4140 legierter Stahl

4140 ist ein Chrom-Molybdän-legierter Stahl, der für seine ausgezeichnete Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, insbesondere nach der Wärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen), bekannt ist. Seine ausgewogenen Legierungselemente bieten einen guten Kompromiss zwischen Festigkeit und Zerspanbarkeit. Obwohl er robustere Werkzeuge und niedrigere Schnittparameter als unlegierte Kohlenstoffstähle erfordert, ist er ein Arbeitstier für anspruchsvolle Anwendungen wie Zahnräder, Wellen, Pleuelstangen und hochfeste Befestigungselemente. Seine Vielseitigkeit in der Wärmebehandlung macht ihn sehr anpassungsfähig.

6. 303 Edelstahl

Wenn Korrosionsbeständigkeit von größter Bedeutung ist, tritt 303 Edelstahl als der am besten zerspanbare der gängigen austenitischen Edelstähle auf. Er ist eine Automatenvariante von 304, die durch Zugabe von Schwefel erreicht wird, was die Spanabfuhr erheblich verbessert und die Reibung reduziert. Dies macht ihn ideal für Teile, die eine umfangreiche Zerspanung in korrosiven Umgebungen erfordern, wie z. B. Muttern, Bolzen, Fittings und medizinische Gerätekomponenten, bei denen seine einfache Zerspanbarkeit die geringfügige Verringerung der Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu 304 oder 316 überwiegt.

7. 304 Edelstahl

304 Edelstahl ist der am weitesten verbreitete austenitische Edelstahl, der für seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit geschätzt wird. Obwohl er kein Automatenstahl wie 303 ist, wird seine Zerspanbarkeit mit geeigneten Werkzeugen und Techniken immer noch als akzeptabel angesehen. Er neigt dazu, sich schnell zu verfestigen, was niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und schärfere Werkzeuge erfordert, um ein Anhaften der Späne zu verhindern. 304 ist allgegenwärtig in der Lebensmittelverarbeitung, der chemischen Verarbeitung, der Architektur und allgemeinen industriellen Anwendungen, bei denen eine gute Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

8. 316/316L Edelstahl

Für noch höhere Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Chloride und starke Säuren, sind 316 und seine kohlenstoffarme Variante 316L die erste Wahl. Die Zugabe von Molybdän sorgt für diese erhöhte Beständigkeit. Ähnlich wie 304 neigen diese Sorten auch dazu, sich zu verfestigen und sind im Allgemeinen schwieriger zu zerspanen als Kohlenstoffstähle, was robuste Einrichtungen und geeignete Kühlschmierstoffe erfordert. Sie sind in Meeresumgebungen, chemischen Verarbeitungsanlagen und medizinischen Implantaten unerlässlich, wo eine überlegene Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

9. A2 Werkzeugstahl

Im Bereich der Werkzeugstähle ist A2 ein lufthärtender Kaltarbeitswerkzeugstahl, der für seine gute Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Formbeständigkeit während der Wärmebehandlung bekannt ist. Sein höherer Legierungsgehalt macht die Zerspanung schwieriger als bei gängigen Kohlenstoff- oder legierten Stählen, was spezielle Werkzeuge und langsamere Geschwindigkeiten erfordert. A2 wird hauptsächlich für Gesenke, Stanzwerkzeuge, Formen und andere Werkzeugkomponenten verwendet, bei denen ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit erforderlich ist.

10. D2 Werkzeugstahl

D2 Werkzeugstahl ist ein hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger Kaltarbeitswerkzeugstahl, der für seine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit und Härte bekannt ist. Sein sehr hoher Legierungsgehalt bedeutet, dass er notorisch schwer zu zerspanen ist, oft Hartmetallwerkzeuge und sehr langsame Schnittparameter oder sogar alternative Bearbeitungsmethoden erfordert. D2 wird in Anwendungen eingesetzt, die eine extreme Verschleißfestigkeit erfordern, wie z. B. Stanzwerkzeuge, Umformwerkzeuge und Schneidwerkzeuge, bei denen seine überlegene Leistung die Zerspanungsprobleme rechtfertigt.

Zerspanungsüberlegungen & alternative Lösungen

Die Wahl des Stahls hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Zerspanungsstrategie. Für Automatenstähle sind im Allgemeinen hohe Geschwindigkeiten und Vorschübe möglich. Kohlenstoffstähle erfordern ein Gleichgewicht, wobei Varianten mit höherem Kohlenstoffgehalt robustere Werkzeuge benötigen. Legierte Stähle erfordern eine gute Wärmeableitung und stabile Einrichtungen aufgrund ihrer erhöhten Festigkeit. Edelstähle neigen zur Kaltverfestigung und erfordern oft positive Spanwinkel, scharfe Werkzeuge und eine effektive Spanabfuhr. Werkzeugstähle stoßen an die Grenzen der konventionellen Zerspanung und erfordern oft Hochleistungs-Hartmetalleinsätze, Keramikwerkzeuge oder Spezialbeschichtungen.

Über die Optimierung der traditionellen Zerspanung hinaus wenden sich die Hersteller zunehmend alternativen Lösungen zu:

Fortschrittliche Zerspanungstechniken: Für extrem harte oder komplexe Geometrien bieten Verfahren wie Funkenerosion (EDM), Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden Lösungen, bei denen das konventionelle Schneiden unpraktisch oder unmöglich ist. EDM zeichnet sich durch komplizierte Formen und harte Metalle aus, während Laser und Wasserstrahl hohe Präzision und minimale Materialverformung bieten.

Werkzeuginnovationen: Die kontinuierliche Entwicklung von Schneidwerkzeugmaterialien (z. B. fortschrittliche Hartmetalle, Keramiken, CBN, PKD) und Beschichtungen (z. B. TiN, TiAlN, AlCrN) verlängert die Werkzeugstandzeit erheblich und ermöglicht höhere Schnittparameter, selbst bei anspruchsvollen Materialien.

Hochleistungs-Kühlschmierstoffe: Optimierte Kühlschmierstoffe spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Reibung, der Wärmeableitung und der Spülung von Spänen, was die Zerspanbarkeit und die Oberflächengüte verbessert, insbesondere bei schwer zu zerspanenden Legierungen.

Additive Fertigung (3D-Druck): Obwohl kein direkter Zerspanungsprozess, bietet der 3D-Druck eine Alternative zur Herstellung komplexer Teile, insbesondere aus Speziallegierungen. Für bestimmte Komponenten kann er die Notwendigkeit der traditionellen Zerspanung ganz eliminieren oder die Nachbearbeitung erheblich reduzieren, wodurch Materialabfall und Vorlaufzeiten minimiert werden.

Endkonturnahe Fertigung: Verfahren wie Schmieden, Gießen und Pulvermetallurgie können Teile herstellen, die ihren endgültigen Abmessungen sehr nahe kommen, wodurch die Materialmenge, die durch Zerspanung entfernt werden muss, erheblich reduziert wird, insbesondere bei teuren oder schwer zu zerspanenden Legierungen.

Werkstoffwissenschaftliche Fortschritte: Laufende Forschung in der Metallurgie führt zur Entwicklung neuer Legierungen mit verbesserter inhärenter Zerspanbarkeit oder Eigenschaften, die eine effizientere Verarbeitung ermöglichen, manchmal durch neuartige Mikrostrukturen oder additive Elemente.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl des richtigen Stahls für die Zerspanung eine kritische Entscheidung ist, die von Leistungsanforderungen, Kosten und Fertigungsmöglichkeiten getrieben wird. Während die hier aufgeführten Top 10 Stähle die Arbeitspferde der Branche darstellen, sind das Verständnis ihrer Nuancen und die Nutzung moderner Zerspanungsstrategien und alternativer Lösungen der Schlüssel zur Erschließung von Effizienz und Präzision in der heutigen anspruchsvollen Fertigungslandschaft.