mini|Wälzfräser aus Schnellarbeitsstahl Als Schneidstoffe werden diejenigen Werkstoffe bezeichnet, aus denen der Schneidteil eines Zerspanungswerkzeugs mit geometrisch bestimmter Schneide besteht. Dazu zählen insbesondere Drehmeißel, Bohrer, Fräswerkzeuge, Sägen und Räumwerkzeuge. Schneidstoffe beeinflussen die Wirtschaftlichkeit spanender Prozesse wesentlich. Die heute noch anhaltende Entwicklung der Schneidstoffe geht auf die Mitte des 19. Jahrhunderts zurück und brachte eine Fülle verschiedener Materialien hervor. So gibt es fast für jeden Bearbeitungsfall einen besonders geeigneten Schneidstoff.
Der für den Spanabtrag verantwortliche Werkstoff an Zerspanwerkzeugen mit geometrisch unbestimmter Schneide (bspw. Schleifscheiben) wird Schleifmittel genannt.
Schneidstoffe werden zu Gruppen zusammengefasst. Sortiert nach aufsteigender Härte, Verschleißfestigkeit, Preis und erreichbarer Schnittgeschwindigkeit sowie abnehmender Bruchfestigkeit, handelt es sich um: Werkzeugstahl (insbesondere Schnellarbeitsstahl (HSS)) Hartmetalle Schneidkeramiken Bornitrid Diamant
Geschichte Seit den ersten Kohlenstoffstählen haben die Schneidstoffe eine rasante Entwicklung hinter sich, die vor allem seit 1970 mit der Einführung beschichteter Hartmetalle zu einem sprunghaften Anstieg der Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe geführt hat. Die hier aufgeführten Werte beziehen sich immer auf die Bearbeitung von Stahl unter günstigen Bedingungen.
Bereits 1850 entwickelte der Engländer Robert Mushet einen mit Wolfram, Mangan, Silizium und Chrom niedriglegierten Stahl speziell als Schneidstoff und hatte damit eine Alternative zu den bis dahin verwendeten Kohlenstoffstählen gefunden.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen, eine kulturgeschichtliche Betrachtung der Fertigungstechnik, Carl Hanser Verlag, München Wien 1991, ISBN 3-446-16242-9, S. 347. Während die Schnittgeschwindigkeit mit Kohlenstoffstahl 1894 noch bei etwa 5 m/min lag, konnte sie mit dem von Taylor und Maunsel White entwickelten und von der Bethlehem Steel Corporation auf der Weltausstellung in Paris 1900 vorgestellten Schnellarbeitsstahl, abgekürzt HSS, mehr als verdoppelt werden. HSS verbreitete sich sehr rasch und schon 1901 fand in Deutschland ein Wettdrehen zur Ermittlung des besten deutschen Schneidstahls statt. Eine weitere deutliche Anhebung geschah 1913 durch verbesserte Schnellarbeitsstähle auf 30 m/min und 1914 mit gegossenen Hartlegierungen auf 40 m/min. Die neuen Schneidstoffe reizten sehr schnell die Grenzen der verfügbaren Werkzeugmaschinen aus. So zeigten Versuche der Firma Ludwig Loewe, dass ihre stabilsten Werkzeugmaschinen, die mit der für HSS maximalen Schnittgeschwindigkeit betrieben wurden, nach bereits vier Wochen mit erheblichen Schäden ausfielen. Eine weitere Revolution waren die 1926 eingeführten und 1931 mit Wolframcarbid gesinterten Hartmetalle, die Geschwindigkeiten von etwa 200 m/min zuließen. Eine weitere Verdopplung erfolgte schließlich 1955 mit hochtitancarbidhaltigen Hartmetallen. 1958 schließlich tauchten die ersten Keramiken als Schneidstoff auf dem breiten Markt auf und ermöglichten ein Anheben der Geschwindigkeit auf 500 m/min. Auch synthetischer Diamant wurde zu dieser Zeit erstmals industriell als Schneidstoff eingesetzt. Mit superharten Schneidstoffen auf Bornitridbasis konnte 1965 nun auch gehärteter Stahl wirtschaftlich bearbeitet werden. Beschichtete Hartmetalle auf Titancarbidbasis erhöhten 1970 die Standzeit der Werkzeuge beträchtlich, doch kurz darauf, 1975, kamen schon mehrfach beschichtete Hartmetalle auf den Markt. Dem großen Nachteil der Schneidkeramik, der Sprödheit, konnte 1978 mit verbesserten Schneidkeramiken beziehungsweise Siliciumnitrid entgegengewirkt werden. Ebenfalls für gehärtete Stähle und schwerste Zerspanarbeit wurden 1979 superharte Verbund- und Mischschneidstoffe entwickelt. Der letzte große Meilenstein war die Entwicklung von sogenannten Feinstkornhartmetallen, die einige Vorteile gegenüber gewöhnlichen Hartmetallen besitzen, wie hohe Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Härte.Werner Degner, Hans Lutze und Erhard Smejkal: Spanende Formung, Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-22138-7, S. 60–79.
Anforderungen und Eigenschaften mini|Temperaturverteilung an einer Hartmetalldrehmeißelschneide bei der Zerspanung von Stahl Schneidstoffe sind Belastungen wie schlagartigen Schnittkräften, hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie Reibung und Verschleiß ausgesetzt. An den Werkzeugschneiden von Werkzeugmaschinen wird fast die gesamte eingebrachte Antriebsleistung in Reibungswärme umgesetzt, nur ein vernachlässigbar kleiner Teil wird in die Verfestigung der Werkstückoberfläche umgesetzt. Deshalb muss für eine gute Abfuhr dieser Wärme gesorgt werden. Der Großteil von ihr wird mit dem Span abgeführt, ein kleiner Teil verbleibt im Werkstück oder gelangt in das Werkzeug und muss durch Kühlung mit einem Kühlschmiermittel oder durch Ableiten der Energie durch das Werkzeug selbst auf einem zulässigen Temperaturniveau gehalten werden. Da die Schnittgeschwindigkeit für die Wärmeentwicklung den entscheidenden Faktor darstellt, hat der Wunsch der Industrie nach immer weiterer Steigerung derselben die bisher bekannten Schneidstoffe an ihre Leistungsgrenzen gebracht. Eine Möglichkeit, das Zeitspanvolumen und auch die Oberflächengüte zu erhöhen, wird mit Werkstückwerkstoffen umgesetzt, die auf Zerspanbarkeit optimiert wurden, wie Automatenstahl oder bleihaltige Aluminiumlegierungen.
Damit die Schneidstoffe den Belastungen standhalten können, müssen sie folgende Eigenschaften besitzen:
Härte/Schneidfähigkeit: Um gut schneidfähig zu sein und zu bleiben (Schneidhaltigkeit), muss ein Schneidstoff wesentlich härter als der zu trennende Werkstoff sein. Verschleißfestigkeit: Um verschleißfest zu sein, muss der Schneidstoff ausreichend Widerstand gegen das Abtragen von Schneidstoffteilchen beim Werkstoffkontakt haben. Maßgeblicher Einflussfaktor ist neben der Härte die Temperatur an der Schneide. Warmhärte: Auch unter den hohen Temperaturen, die beim Spanen entstehen, muss der Schneidstoff seine Härte behalten. Hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit: Schneidkantenbrüche und Rissausbreitungen unter Biegebeanspruchung sollen möglichst vermieden werden. Warmfestigkeit: Sie ist ein Maß dafür, wie gut ein Schneidstoff bei hohen Temperaturen seine Festigkeit behält und damit mechanischen Beanspruchungen widersteht. Temperaturwechselbeständigkeit: Dient der Vermeidung von Rissbildungen durch Materialermüdung infolge starker Temperaturschwankungen. Diese treten zwangsläufig auf, wenn die Schneiden wie etwa beim Fräsen immer nur kurz und wechselnd im Einsatz sind. Thermoschockbeständigkeit: Darunter versteht man die Eigenschaft, schlagartige Temperaturwechsel ohne Kantenausbrüche zu überstehen. Ein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit erhöhen die Beständigkeit. Beim Fräsen oder bei mangelnder Kühlschmierstoffversorgung ist dies wichtig. Chemische Stabilität: Der Schneidstoff sollte keine Verbindung mit den ihn umgebenden Stoffen eingehen. Vor allem gegenüber dem Span, wo chemisch gesehen durch den Kontakt einerseits Diffusion bzw. andererseits elektrochemischer Verschleiß auftreten kann, aber auch dem Kühlschmierstoff und der Luft, die Oxidation und aufgrund der hohen Temperaturen auch Verzunderung bewirken kann. Wärmeleitfähigkeit: Die entstehende Wärme kann abgeleitet werden. Dies verhindert hohe mechanische Spannungen im Werkzeug bedingt durch die Wärmeausdehnung und damit einhergehende Risse im Schneidstoff.
Die Anforderungen an Eigenschaften der Schneidstoffe sind dabei teilweise gegensätzlich. Beispielsweise besitzt ein Schneidstoff mit hoher Zähigkeit keine hohe Härte. Auch ist ein Schneidstoff mit zunehmender Verschleißfestigkeit mehr und mehr empfindlich auf Schlagbelastung. Deshalb bleibt die Auswahl des richtigen Schneidstoffes immer ein Kompromiss, bei dem einzelne Eigenschaften von Materialien den konkreten Zerspanbedingungen folgend gegeneinander abgewogen werden müssen. Dies setzt genaue Kenntnisse der Wirkungsweise einer jeweiligen Zerspanungsart voraus.
Einteilung mini|Eigenschaften der verschiedenen Schneidstoffe Schneidstoffe werden in die drei Hauptgruppen metallische Schneidstoffe, Verbundschneidstoffe und keramische Schneidstoffe mit jeweils mehreren Untergruppen eingeteilt. Die hier verwendeten Abkürzungen haben mit Ausnahme der Werkzeugstähle die ISO 513 als Grundlage.
Unlegierte und niedrig legierte Werkzeugstähle Unlegierte Werkzeugstähle (Kaltarbeitsstahl) sind Kohlenstoffstähle mit einem C-Anteil zwischen 0,45 % und 1,5 %. Der C-Anteil beeinflusst die Härtbarkeit des Stahls und orientiert sich an den verschiedenen an das Werkzeug gestellten Anforderungen wie Härte oder Zähigkeit. Die Arbeitstemperatur liegt bei unlegierten Werkzeugstählen bei maximal 200 °C. Sie finden deshalb nur noch bei Handarbeitsgeräten und Holzsägeblättern Verwendung.
Legierte Werkzeugstähle (Warmarbeitsstahl) weisen je nach Gehalt an Legierungsbestandteilen bei einem C-Gehalt zwischen 0,2 % und 1,5 % eine maximale Arbeitstemperatur von 400 °C auf. Ihre Eigenschaften werden ebenfalls vornehmlich über den C-Anteil eingestellt, doch haben hier die metallischen Zusätze ebenfalls einen starken Einfluss. Aufgrund ihrer guten Schneidhaltigkeit und des günstigen Preises werden aus ihnen verschiedenste meist handgeführte Schneidwerkzeuge gefertigt. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt bei Stahl ungefähr 15 m/min, daher spielen sie, wie die unlegierten Stähle auch, in der industriellen Zerspanung keine Rolle mehr.
Schnellarbeitsstahl mini|Verschiedene Fräser aus Schnellarbeitsstahl Ein Schnellarbeitsstahl (HS nach EN ISO 4957, Werkstattbezeichnung HSS) ist ein hochlegierter Werkzeugstahl, der sehr zäh und unempfindlich gegen schwankende Kräfte ist. Die Arbeitstemperatur kann bis zu 600 °C betragen. Er wird hauptsächlich bei Werkzeugen verwendet, die hohe Zähigkeit, große Spanwinkel, kleine Keilwinkel, hohe Schneidkantenfestigkeit und eine scharfe Schneide aufweisen müssen, wobei die geringe mögliche Schnittgeschwindigkeit aber unwesentlich ist. Des Weiteren eignen sie sich für individuell angepasste Schneidengeometrien. Typische Werkzeuge sind Bohrer, Senker, Räumwerkzeuge, Reibahlen, Profil- und Verzahnungswerkzeuge oder spezielle Fräser. In der industriellen Fertigung spielen sie inzwischen eine untergeordnete Rolle, jedoch werden sie in absehbarer Zeit in einigen Bearbeitungsfällen nicht durch andere Schneidstoffe zu ersetzen sein.
In den 1980ern und 1990ern hat sich wegen der Prozesssicherheit und des geringen Preises das Beschichten im PVD-Verfahren mit einer Hartstoffschicht von 2 µm bis 4 µm DickeUlrich Fischer (Hrsg.): Fachkunde Metall, Verlag Europa-Lehrmittel, 53. Auflage 1999, ISBN 3-8085-1153-2, S. 97–99. aus Titannitrid oder Titancarbid durchgesetzt, wobei die Prozesstemperatur zwischen 450 °C und 500 °C liegt und somit eine Gefügeänderung gering bleibt. Die gesteigerte Oberflächenhärte sowie die geringere Oberflächenrauheit verhindern eine Aufbauschneidenbildung, also ein Anhaften des Spanes und trägt so zur Maßhaltigkeit der Werkstücke sowie der Standzeiterhöhung des Werkzeugs bei.A. Herbert Fritz, Günter Schulze: (Hrsg.): Fertigungstechnik, VDI-Verlag, 3. Auflage, Düsseldorf 1995, ISBN 3-18-401394-4, S. 242–249.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Eigenschaft der Stähle durch das pulvermetallurgische Herstellverfahren, das Sintern, zu verbessern. Erzielbare Korngrößen von weniger als 1 µm und ein gleichmäßigeres Gefüge erhöhen die Kantenfestigkeit und Schneidhaltigkeit.
Gegossene Hartlegierungen