Werkzeugstahl (WS) ist Stahl, der zur Fertigung von Werkzeugen und Formen sowie von Normteilen verwendet wird. Der Verbrauch an Werkzeugstählen liegt weltweit bei ca. 1 Million Tonnen pro Jahr.

Begriffsdefinition Bei Werkzeugstählen handelt es sich nach DIN EN ISO 4957 (2018-11) ausschließlich um (nicht notwendigerweise nichtrostende) Edelstähle, welche vorwiegend für das Bearbeiten bzw. Verarbeiten von Werkstücken eingesetzt werden. Weiterhin können Werkzeugstähle auch für die Herstellung von Handhabungseinrichtungen und Messgeräten genutzt werden.

Internationale Normung (aktuell)

+ISO 4957 Anhang C - Bezeichnung vergleichbarer Stähle - Tabelle C.1Stahlbezeichnung nachISO 4957EN 10027-2JISUnlegierte KaltarbeitsstähleC45U1.1730 -C70U1.1520SK65C80U1.1525SK75C90U1.1535SK85, SK95C105U1.1545SK105C120U1.1555SK120Legierte Kaltarbeitsstähle105V1.2834SKS435WCrV81.2549 -6oWCrV81.2550 -102Cr61.2067 -21MnCr51.2162 -70MnMoCr81.2824 -90MnCrV81.2842 -95MnWCr51.2825 -X100CrMoV51.2363SKD12X153CrMoV121.2379 -X210Cr121.2080 -X210CrW121.2436 -35CrMo71.2302 -40CrMnNiMo8-6-41.2738 -45NiCrMo161.2767 -X40Cr141.2083 -X38CrMo161.2316 -Warmarbeitsstähle55NiCrMoV71.2714SKT432CrMoV1212-281.2365SKD7X37CrMoV5-11.2343SKD6X38CrMoV5-31.2367 -X40CrMoV5-11.2344SKD6150CrMoV13-151.2355 -X30WCrV9-31.2581SKD5X35CrWMoV51.2605SKD6238CrCoWV18-17-171.2661SKD8SchnellarbeitsstähleHSO-4-11.3325 -HS1-4-21.3326 -HS18-0-11.3355SKH2HS2-9-21.3348SKH58HS1-8-11.3327 -HS3-3-21.3333 -HS6-5-21.3339SKH51HS6-5-2C1.3343 -HS6-5-31.3344SKH53HS6-5-3C1.3345 -HS6-6-21.3350SKH52HS6-5-41.3351SKH54HS6-5-2-51.3243SKH55HS6-5-3-81.3244 -HS10-4-3-101.3207SKH57HS2-9-1-81.3247SKH59

Wärmebehandlungszustände nach Tabelle 1: unbehandelt "+U"; geglüht (weichgeglüht) "+A"; geglüht und kaltgezogen "+A+C"; geglüht und kaltgewalzt "+A+CR"; vergütet "+QT"; normalgeglüht und angelassen "+NT"

Änderungen gegenüber ISO 4957:1999: Lieferzustand normalgeglüht / normalisierend gewalzt eingeführt

Nationale Normung (zurückgezogen)

Eine Übersicht ist in DIN 17350 Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen (1980-10) wiedergegeben. +DIN 17350 Tabelle 9 - Gegenüberstellung vergleichbarer Stähle nach deutschen sowie nach internationalen Unterlagen für WerkzeugstähleDeutsche UnterlagenISO/DIS 4957EURONORM 96-79Quelle1)KurznameWerkstoffnummerKurznameGrad der Übereinstimmung2)KurznameGrad der Übereinstimmung2)Unlegierte Kaltarbeitsstähle (Tabelle 2)DIN 17350C 45 W1.1730DIN 17350C 60 W1.1740DIN 17350C 70 W 21.1620TC 70●CT 70●DIN 17350C 80 W 11.1525TC 80○CT 80●DIN 17350C 85 W1.1830TC 90CT 90DIN 17350C 105 W 11.1545TC 105○CT105●SELC 125 W1.1663TC 120○CT 120○SELC 135 W1.1673TC 140●Legierte Kaltarbeitsstähle (Tabelle 3)DIN 17350X 210 CrW 121.2436210 CrW 12○X 210 CrW 12 1○DIN 17350X 210 Cr 121.2080210 Cr 12●X 210 Cr 12●DIN 17350X 165 CrMoV 121.2601160 CrMoV 12○X 160 CrMoV 12 1○DIN 17350X 155 CrVMo12 11.2379160 CrMoV 12○X 160 CrMoV12○SELX 100 CrMoV 5 11.2363100 CrMoV 5○X 100 CrMoV 5 1○SEL100 V 11.2833TCV 105○100 V 2○SEL70 Si 71.282360 SiMn 2○60 SiMn 7○DIN 17350115 CrV 31.2210107 CrV 3○DIN 17350100 Cr 61.2067100 Cr 2●102 Cr 6●DIN 17350145 V 331.2838DIN 1735021 MnCr 51.2162DIN 1735090 MnCrV 81.284290 MnV 2○90 MnV8●DIN 1735051 CrV 43)1.22413)51 CrMnV 1●51 CrMnV 4●DIN 17350105 WCr 61.2419105 WCr 1○107 WCr 5○W 200145 WCrV 71.254245 WCrV 2●45 WCrV 8●50 WCrV 2DIN 1735060 WCrV 71.255060 WCrV 2○55 WCrV 8○SEL100 MnCrW 41.251095 MnWCr 1○95 MnWCr 5○SELX 6 CrMo 41.23415 CrMo 4○5 CrMo 16○X 5 CrMo 5 17 CrMoNi 27 CrNiMo 835 CrMo 235 CrMo 8SELX 20 Cr 131.208220 Cr 13○X 21 Cr 13○30 Cr 13X 31 Cr 13SELX 42 Cr 131.208340 Cr 13○X 41 Cr 13○DIN 17350X 45 NiCrMo 41.276740 NiCrMoV 44)○40 NiCrMoV164)○DIN 17350X 19 NiCrMo 41.2764DIN 17350X 36 CrMo 171.231638 CrMo 15●X 38 CrMo 16 1●DIN 1735040 CrMnMoS 8 61.2312110 CrMo 17X 102 CrMo 17Warmarbeitsstähle (Tabelle 4)SEL35 NiCrMo 161.276640 NiCrMoV 4○40 NiCrMoV 16○DIN 17350X 45 NiCrMo 45)1.27675)40 NiCrMoV 4○40 NiCrMoV 16○DIN 1735055 NiCrMoV 61.271355 NiCrMoV 2○55 NiCrMoV 7○DIN 1735056 NiCrMoV 71.271455NiCrMoV 2●55 NiCrMoV 7●35 CrMo 235 CrMo 8DIN 17350X 38 CrMoV 5 11.234335 CrMoV 5○X 37 CrMoV 5 1○DIN 17350X 40 CrMoV 5 11.234440 CrMoV 5●X 40 CrMoV 5 1 1●DIN 17350X 32 CrMoV 3 31.236530 CrMoV 3●30 CrMoV 12 11●W 250X 30 WCrV 5 31.256730 WCrV 5○X 30 WCrV 5 3○SELX 30 WCrV 9 31.258130 WCrV 9○X 30 WCrV 9 3○SELX 20 Cr 131.2082X 21 Cr 13○SELX 22 CrNi 171.2787X 22 CrNi 17○SELX 15 CrNiSi 25 201.2782X 16 CrNiSi 25 20●SELX12 NiCrSi 36 161.2786X 13 NiCrSi 35 16●Schnellarbeitsstähle (Tabelle 5)DIN 17350S 6-5-21.3343HS 6-5-2○HS 6-5-2○DIN 17350SC 6-5-21.3342DIN 17350S 6-5-31.3344HS 6-5-3●HS 6-5-3●DIN 17350S 6-5-2-51.3243HS 6-5-2-5○HS 6-5-2-5○DIN 17350S 7-4-2-51.3246HS 7-4-2-5○HS 7-4-2-5○DIN 17350S 10-4-3-101.3207HS 10-4-3-10●HS 10-4-3-10●DIN 17350S 12-1-4-51.3202DIN 17350S 18-1-2-51.3255HS 18-1-1-5○HS 18-1-1-5○DIN 17350S 2-10-1-81.3247HS 2-9-1-8●HS 2-9-1-8●SELS 18-0-11.3355HS 18-0-1●HS 18-0-1●DIN 17350S 2-9-23)1.33483)HS 2-9-2●HS 2-9-2●SELS 2-9-11.3346HS 1-8-1●HS 1-8-1●HS 6-5-4SELS 18-1-2-101.3265HS 18-0-1-10○HS 18-0-1-10○W 320S 12-1-4-51.3202HS 12-1-5-5○HS 12-1-5-5○Werkzeugstähle für besondere Verwendungszwecke (Tabelle 7)DIN 1735075 Cr 11.2003DIN 1735062 SiMnCr 41.2101DIN 1735031 CrV31.2208DIN 1735080 CrV 21.2235DIN 1735051 CrV 41.224151 CrMnV 16)●51 CrMnV 46)●DIN 1735048 CrMoV 6 71.2323DIN 1735045 CrMoV 71.2328DIN 17350X 96 CrMoV 121.2376DIN 17350110 WCrV 51.2519DIN 1735060 MnSiCr 41.2826DIN 17350S 3-3-21.3333DIN 17350S 2-9-21.3348HS 2-9-2●HS 2-9-2● 1) DIN 17350 = enthalten in DIN 17350 - Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen -; W 200 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 200 -69 - Legierte Kaltarbeitsstähle -; W 250 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 250 - 70 - Warmarbeitsstähle -; W 320 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 320 - 69 - Schnellarbeitsstähle -; SEL = enthalten in Stahl-Eisen-Liste, 6. Auflage 1977. 2) In dieser Spalte ist der Grad der Übereinstimmung in der chemischen Zusammensetzung der deutschen Werkzeugstähle einerseits und der Stähle nach ISO/DIS 4957 - Werkzeugstähle - bzw. nach EURONORM 96 - Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen - andererseits gekennzeichnet. Es bedeuten: ● = geringfügige Abweichungen, ○ = nicht unwesentliche Abweichungen. 3) Dieser Stahl ist in Tabelle 7 - Werkzeugstähle für besondere Verwendungszwecke - aufgeführt. 4) Dieser Stahl wird in ISO/DIS 4957 bzw. in EURONORM 96 unter den Warmarbeitsstählen aufgeführt. 5) Dieser Stahl wird in DIN 17350 unter den legierten Kaltarbeitsstählen aufgeführt. 6) Dieser Stahl wird in ISO/DIS 4957 bzw. in EURONORM 96 unter den legierten Kaltarbeitsstählen aufgeführt. Zu der Norm existierte DIN 17350 Beiblatt 1 (1980-10) mit ergänzenden Angaben zur Wärmebehandlung.

Eigenschaften Werkzeugstähle weisen eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften auf. Abhängig vom Einsatzfall muss ein Werkzeugstahl gewählt werden, dessen Eigenschaften allen gegebenen Randbedingungen genügt. Dieser Auswahlprozess kann sehr zeitaufwendig sein, wenn beispielsweise diametral verlaufende Eigenschaften, unter anderem hohe Härte bei gleichzeitig hoher Zähigkeit, benötigt werden. In diesem Fall muss abgewägt werden, welche Eigenschaft die Werkzeuglebensdauer wesentlicher beeinflusst.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige der wichtigsten Eigenschaften von Werkzeugstählen aufgeführt. Insbesondere die Zugfestigkeit bezieht sich auf Werte im vergüteten Zustand von Werkzeugstählen. Eigenschaft Einheit Wertebereich (ca.) Zugfestigkeit Megapascal (MPa) 800 – 1500 E-Modul MPa 210.000 – 246.000Johannes Noneder: Beanspruchungserfassung für die Validierung von FE-Modellen zur Auslegung von Massivumformwerkzeugen. In: Fertigungstechnik Erlangen. Nr. 255, Meisenbach, Bamberg, 2014, ISBN 978-3-87525-371-9 Maximale Arbeitshärte Härte Rockwell Skala C (HRC) 40 – 72Crucible Industries: CPM® REX® 121(HS)* High hardness high vanadium cobalt high speed steel, abgerufen am 7. Januar 2017 Kerbschlagzähigkeit Joule (J) Maximale Oberflächentemperatur Grad Celsius (°C) bis zu 615Böhler-Uddeholm: , abgerufen am 7. Januar 2017 Korrosionsbeständigkeit mm/Jahr 0,001 – über 1 Verschleißfestigkeit --- --- Neben diesen Kriterien existieren noch weitere. So ist beispielsweise die Zerspanbarkeit im Lieferzustand (Siehe Zerspanbarkeit von Stahl) bei manchen Anwendungsfällen ein wesentlicher Aspekt der Stahlauswahl. Um einen möglichst geeigneten Werkzeugstahl für ein Werkzeug auf Basis mehrerer Kriterien zu finden, werden Computerprogramme eingesetzt.

Einstellung der Eigenschaften Bei vielen Werkzeugstählen können die Eigenschaften durch eine geeignete Wärmebehandlung den Erfordernissen des Einsatzes angepasst werden. Die am häufigsten eingesetzte Wärmebehandlung stellt das Vergüten dar. Abhängig vom Anwendungsfall kann beispielsweise eine hohe Härte notwendig und gleichzeitig die Zähigkeit nur zu einem sehr geringen Teil relevant sein. Somit kann der Werkstoff nahe bzw. bei maximaler Einsatzhärte betrieben werden. Die maximal sinnvolle Härte ist in der Regel in den Datenblättern zu den einzelnen Werkstoffen angegeben. Ein Beispiel hierfür ist ein Datenblatt von erasteel.com. Es ist deutlich zu erkennen, wie mit steigender Härte die Zähigkeit abnimmt.

Reicht die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffs nicht aus, so kann diese durch weitere Maßnahmen erhöht werden. Dies sind unter anderem: das Aufbringen einer verschleißmindernden Schicht, unter anderem CVD-Schicht, PVD-Schicht, DLC-Schicht etc. und das Ändern der Stoffeigenschaften, beispielsweise durch Nitrieren. Bei allen Verfahren ist unbedingt darauf zu achten, dass die Verfahrentemperatur nicht oberhalb der zuvor gewählten Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs, in diesem Fall Werkzeugstahl, liegt, da es ansonsten zu einem Härte- bzw. Festigkeitsverlust kommt und so das hergestellte Bauteil unter Umständen den im Einsatz auftretenden Beanspruchungen nicht oder nicht ausreichend lange widerstehen kann.

Unterscheidungsmöglichkeiten Werkzeugstähle lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten charakterisieren. Zum einen kann nach der Zusammensetzung unterschieden werden und zum anderen nach dem Temperaturbereich, welcher im Einsatz eingehalten werden sollte. In Bezug auf die Zusammensetzung werden die Werkzeugstähle in unlegierte und legierte Stähle eingeteilt. Hinsichtlich des Temperaturbereichs wird zwischen Kalt- und Warmarbeitsstählen differenziert. Eine Sonderklasse der Warmarbeitsstähle sind die sogenannten Schnellarbeitsstähle. Weiterhin kann eine Einteilung hinsichtlich des Einsatzbereiches erfolgen.

Einsatzgebiete Werkzeugstähle werden für eine Vielzahl an Anwendungen eingesetzt. Abhängig von den Eigenschaften des Werkstoffs kommen die nachfolgend aufgeführte Einsatzgebiete in Betracht. Werkzeugstähle werden vorwiegend zur Herstellung von Aktivelementen von Werkzeugen, beispielsweise Stempel und Matrize, verwendet. Die Aufteilung in der folgenden Tabelle orientiert sich an der DIN 8580 (Fertigungsverfahren). Umformverfahren Beispielhaftes Verfahren Aktivelemente Druckumformen Walzen, Fließpressen, Strangpressen Walzen, Stempel, Matrize, Armierungsring Zugdruckumformen Durchziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen Ziehstein, Stempel, Matrize, Niederhalter Zugumformen Tiefen, Längen, Weiten Stempel, Matrize Biegeumformen Freies Biegen, Gesenkbiegen, Walzprofilieren Gesenk, Walzen, Biegeschwert Schubumformen Verdrehen, Verschieben Matrize

Legierte Werkzeugstähle Legierungselemente Die Hauptlegierungselemente von Werkzeugstählen neben Kohlenstoff können der folgenden Tabelle entnommen werden. Je nach Anforderungsprofil an den Stahl werden verschiedene Legierungselemente der Stahlzusammensetzung hinzugefügt.