Die Zerspanbarkeit von Stahl ist eine wichtige fertigungstechnische Eigenschaft der verschiedenen Stahl­werkstoffe. Zerspanbarkeit ist dabei allgemein die Eignung eines Werkstoffes, sich durch Zerspanen (Bohren, Fräsen, Drehen, …) bearbeiten zu lassen.

Stahl ist der am häufigsten zerspante Werkstoff.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, München/Wien 2002, ISBN 3-486-25045-0, S. 60. Er gehört zusammen mit Gusseisen (siehe Zerspanbarkeit von Gusseisen) zu den Eisenwerkstoffen und zeichnet sich durch einen Kohlenstoffgehalt bis zu 2,06 % aus, während Gusseisen über 2,06 % enthält. Stähle sind sehr vielfältige Werkstoffe. Ihre Zerspanbarkeit hängt vor allem vom Gefüge ab, das seinerseits vom genauen Kohlenstoffgehalt und vom Wärmebehandlungszustand abhängt. Außerdem spielen zahlreiche Legierungselemente eine Rolle. Manche werden bewusst zulegiert, um die Zerspanbarkeit zu verbessern, andere, um Eigenschaften wie die Festigkeit zu erhöhen, wobei für bessere Gebrauchseigenschaften eine Verschlechterung der Zerspanbarkeit in Kauf genommen wird. Andere Elemente wie Phosphor sind eigentlich unerwünscht, verbessern aber die Zerspanbarkeit.

Gefüge mini|Ferritisch-perlitisches Gefüge eines unlegierten Stahls mit 0,35 % Kohlenstoff (C35) mit hellen Ferritkörnern und dunklem lamellarem Perlit Die im Stahl auftretenden Gefügebestandteile sind Ferrit, Zementit, Perlit, Austenit, Bainit und Martensit. Sie unterscheiden sich stark bezüglich ihrer Festigkeit, Härte, Bruchdehnung und ihrer Neigung zum Verkleben mit der Schneide.

Ferrit Ferrit ist eine kubisch-raumzentrierte Phase, deren maximale Löslichkeit von Kohlenstoff bei 0,02 % liegt. Ferrit hat die geringste Härte (80–90 HV) und Zugfestigkeit (200–300 N/mm²) aller Gefügebestandteile und die höchste Bruchdehnung von 70–80 %. Die auftretenden Zerspankräfte und der Verschleiß sind somit gering. Problematisch ist die hohe Verformungsfähigkeit. Diese führt zu langen Band- und Wirrspänen, die sich in der Maschine verfangen können und zur Bildung von Graten und somit zu schlechten Oberflächenqualitäten. Außerdem neigt es bei geringen Schnittgeschwindigkeiten zum Verkleben mit der Schneide, was zum unerwünschten Effekt der Aufbauschneide führt.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 60.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 274.

Zementit Zementit ist eine intermetallische Phase, die mit über 1100 HV extrem hart ist und ebenfalls sehr spröde ist. Praktisch lässt es sich nicht zerspanen. Zementit kann in freier Form auftreten oder als Bestandteil von Perlit oder Bainit vorkommen. Wegen der großen Härte verursacht Zementit einen hohen abrasiven Werkzeugverschleiß.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 60.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 274.

Perlit Perlit ist ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % besteht das gesamte Gefüge aus Perlit, darunter aus Perlit und Ferrit, darüber aus Perlit und Zementit, wobei der Perlitanteil umso größer ist, je näher sich der Kohlenstoffgehalt beim sogenannten eutektoiden Punkt von 0,83 % befindet. Die Härte liegt bei etwa 210 HV, die Zugfestigkeit bei 700 N/mm² und die Bruchdehnung bei 48 %. Die Werte liegen somit im mittleren Bereich. Der Zementit liegt meist in Form von fein verteilten Zeilen vor, durch eine Wärmebehandlung kann er jedoch auch in globularer (kugeliger) Form vorliegen. Wegen der großen Härte gegenüber Ferrit verursacht Perlit einen höheren abrasiven Verschleiß und größere Zerspankräfte. Er neigt jedoch weniger zum Verkleben und zur Aufbauschneidenbildung. Die Spanformen sind günstiger und die erreichbaren Oberflächenqualitäten sind besser, weil er nicht zum Bilden von Graten neigt.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 60.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 274 f.

Austenit Austenit ist eine Phase mit kubisch-flächenzentrierter Struktur. Er kommt bei unlegiertem Stahl nur oberhalb von 723 °C vor, bei legierten Stählen kann er jedoch auch bei Raumtemperatur vorliegen. Dies ist bei vielen nichtrostenden Stählen der Fall. Austenit zeichnet sich auch durch eine hohe Verformbarkeit (Bruchdehnung 50 %) und mittlere Zugfestigkeit und Härte (180 HV, 530–750 N/mm²) aus.

Austenit neigt zur Bildung von Aufbauschneiden und zum Verkleben mit der Schneide. Die Adhäsionsneigung ist bei Austenit besonders stark ausgeprägt. Außerdem werden lange Band- oder Wirrspäne gebildet. Wegen der hohen plastischen Verformung während der Bearbeitung tritt eine Kaltverfestigung der neu erzeugten Oberfläche bei der Bearbeitung auf. Dies führt zu erhöhten Schnittkräften bei der Weiterbearbeitung. Des Weiteren ist die Wärmeleitfähigkeit von Austenit um ein Drittel geringer, was die Abfuhr der entstehenden Wärme in den Span behindert. Die Schneide unterliegt somit einer höheren thermischen Belastung.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 274 f.

Martensit Martensit entsteht, wenn Austenit sehr schnell abgekühlt wird. Dann sind im kubisch-raumzentrierten Martensitgitter überzählige Kohlenstoffatome gelöst, die nicht herausdiffundieren konnten. Martensit weist eine sehr hohe Härte von 900 HV und eine Zugfestigkeit von 1380 bis 3000 N/mm² auf. Dies führt zu sehr hohen Zerspankräften und einem hohen Werkzeugverschleiß, der durch die Abrasion und die thermische Belastung hervorgerufen wird.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 274, 276.

Kohlenstoffgehalt mini|Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst in hohem Maße, welches Gefüge vorliegt. Einen Zusammenhang bietet das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.

Kohlenstoffgehalte unter 0,25 %: Bei sehr geringem Kohlenstoffgehalt liegt hauptsächlich Ferrit vor, der die Zerspanbarkeit bestimmt, sowie etwas Perlit. Wegen der hohen Adhäsionsneigung bilden sich bei geringen Schnittgeschwindigkeiten Aufbauschneiden. Außerdem ist die Oberflächenqualität gering wegen der hohen Verformbarkeit des Werkstoffs. Der Werkzeugverschleiß und die Temperatur nehmen bei steigender Schnittgeschwindigkeit nur langsam zu. Die Werkzeugschneiden sollten einen möglichst großen positiven Spanwinkel aufweisen (z. B. über 6° beim Drehen). Als Kühlschmiermittel werden vor allem Öle eingesetzt, da die Schmierwirkung wichtiger ist als die Kühlwirkung. Probleme bereiten Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt vor allem bei Verfahren mit notwendig geringer Schnittgeschwindigkeit wie beim Bohren, Gewindedrehen, Abstechen und Reiben. Die erreichbaren Oberflächenqualitäten sind dann besonders schlecht.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 277. Kohlenstoffgehalte zwischen 0,25 % und 0,4 %: Bei diesen Stählen nimmt der Einfluss des Perlits zu. Sie sind härter und fester, die Zerspankräfte, Temperaturen und der abrasive Werkzeugverschleiß nehmen daher zu. Dafür werden jedoch günstigere Spanformen und Oberflächenqualitäten erreicht. Die Adhäsionsneigung nimmt ab und die Bildung der Aufbauschneiden verschiebt sich zu geringeren Schnittgeschwindigkeiten. Eine Verbesserung der Zerspanbarkeit kann durch eine Wärmebehandlung erreicht werden. Bei Kohlenstoffgehalten bis 0,35 % ist ein Grobkornglühen vorteilhaft, darüber das Normalglühen. Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25 und 0,4 % werden oft durch Kaltfließpressen bearbeitet und danach durch Spanen fertigbearbeitet. Die beim Fließpressen auftretende Kaltverfestigung wirkt sich günstig auf die Zerspanbarkeit aus, insbesondere bezüglich der Spanformen.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 277. Kohlenstoffgehalte zwischen 0,4 % und 0,8 %: In diesem Bereich liegt hauptsächlich Perlit vor und nur noch wenig Ferrit. Bei einem Gehalt von 0,83 % C liegt ausschließlich Perlit vor. Die Festigkeit der Stähle im Bereich zwischen 0,4 und 0,8 % C steigen somit an, was auch zu höheren Zerspankräften, Temperaturen und abrasivem Werkzeugverschleiß führt. Die Temperaturen sind schon bei geringen Schnittgeschwindigkeiten hoch, der Verschleiß liegt auch als Kolkverschleiß auf der Spanfläche vor. Die erreichbaren Oberflächenqualitäten und Spanformen sind jedoch gut.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 277 f. Kohlenstoffgehalte über 0,8 %: Wenn diese Stähle langsam an Luft abkühlen, liegt ein Gefüge vor, das aus Perlitkörnern besteht, die in einer Matrix aus Zementit eingebettet sind. Diese Stähle sind daher schwer zu zerspanen. Die auftretenden Kräfte sind sehr hoch, ebenfalls ist der Verschleiß und die Temperatur bereits bei geringen Schnittgeschwindigkeiten hoch. Die Werkzeuge sollten möglichst stabil ausgeführt sein mit einem positiven Spanwinkel und einem leicht negativen Neigungswinkel von etwa −4°.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 278.

Begleit- und Legierungselemente Begleitelemente sind im Stahl meist unerwünscht, lassen sich jedoch nicht vollständig entfernen. Legierungselemente werden dagegen bewusst hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften zu verändern. Die Zerspanbarkeit können Begleit- und Legierungselemente sowohl positiv als auch negativ beeinflussen. Dies geschieht über drei verschiedene Mechanismen: Veränderung des Gefüges. Hohe Nickelanteile begünstigen beispielsweise die Ausbildung von Austenit. Bildung von Verbindungen, die eine schmierende Wirkung erzielen wie Mangansulfid. Bildung von harten Verbindungen, die einen hohen abrasiven Werkzeugverschleiß nach sich ziehen wie die meisten Verbindungen von Kohlenstoff und Metallen (Karbide).

Mangan erhöht die Festigkeit von Stahl und verbessert seine Härtbarkeit. Er bildet zusammen mit Schwefel Mangansulfid, das eine günstige Auswirkung auf die Zerspanbarkeit hat. Bei geringen Kohlenstoffgehalten und Mangananteilen bis 1,5 % verbessert sich die Form der Späne. Bei hohem Kohlenstoffgehalt erhöht sich jedoch der Werkzeugverschleiß.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 278.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 61.

Chrom, Molybdän, Wolfram: Chrom und Molybdän werden Einsatz- und Vergütungsstählen zulegiert, da sie die Härtbarkeit verbessern. Chrom, Molybdän und Wolfram bilden bei höheren Kohlenstoffgehalten harte Karbide, die den Werkzeugverschleiß erhöhen.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 278.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 61.

Nickel wird genutzt, um die Festigkeit des Stahls zu erhöhen. Außerdem begünstigt er die Bildung von Austenit, der bei höheren Nickelgehalten auch bei Raumtemperatur vorliegen kann. Nickel bewirkt ebenfalls eine erhöhte Zähigkeit, besonders bei geringen Temperaturen, sodass die Zerspanbarkeit durch Nickel generell negativ beeinflusst wird.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 61.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 279.

Silizium erhöht die Festigkeit von Ferrit, auch den Ferrit, der im Perlit enthalten ist. Mit Sauerstoff bildet es harte Silikate, die den Werkzeugverschleiß erhöhen.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 279.