mini|hochkant=0.6|HSS-Bohrer mit einer goldfarbenen Beschichtung aus Titannitrid Schnellarbeitsstahl ist ein hochlegierter Werkzeugstahl, der hauptsächlich als Schneidstoff genutzt wird, also für Fräswerkzeuge, Bohrer, Drehmeißel und Räumwerkzeuge. Die Bezeichnung bezieht sich auf die gegenüber gewöhnlichem Werkzeugstahl drei- bis viermal höheren Schnittgeschwindigkeiten. Während gewöhnlicher Werkzeugstahl bereits ab etwa 200 °C seine Härte verliert, behält Schnellarbeitsstahl bis etwa 600 °C seine Härte. Die gebräuchlichen Kurzbezeichnungen beginnen mit HSS oder HS, abgeleitet vom englischen High Speed Steel. Deutsche Bezeichnungen sind Hochgeschwindigkeitsstahl, (Hochleistungs-)Schnellschnittstahl, Hochleistungsschnellarbeitsstahl und Hochleistungsschnittstahl.
Die Bezeichnungen AHSS und HSS sind nicht unmittelbar verwandt, obwohl es sich in beiden Fällen um Werkzeugstähle handelt. AHSS steht für Advanced High Strength Steel (Deutsch etwa: Weiterentwickelter hochfester Stahl) und bezeichnet moderne hochfeste unlegierte Kaltarbeitsstähle., In: Kontur-Werkzeugstahl.de
Schnellarbeitsstahl verdrängte bei Zerspanungswerkzeugen nach seiner Entwicklung 1906 sehr rasch den gewöhnlichen Werkzeugstahl (Kaltarbeitsstahl) und hat diesen dort inzwischen fast vollständig ersetzt.
Von allen in der modernen, industriellen Zerspantechnik genutzten Schneidstoffen wie u. a. Hartmetall, Cermets oder Bornitrid, verfügt Schnellarbeitsstahl zwar über die höchste Bruchfestigkeit und beste Schleifbarkeit, aber die geringste Warmhärte und Verschleißfestigkeit, sodass mit anderen Schneidstoffen noch höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich sind.
Die wichtigsten Legierungselemente sind Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Chrom und Cobalt, deren Anteil bis über 30 % ausmachen kann. Seine Härte erhält Schnellarbeitsstahl, wie alle anderen Werkzeugstähle auch, durch sein martensitisches Grundgefüge, das aus Eisen und Kohlenstoff besteht. Die übrigen Legierungselemente sorgen für eine bessere Verschleißbeständigkeit und für die Beständigkeit des Martensits bis zu Temperaturen von 600 °C. Die hohe Warmhärte und hohe Wärmefestigkeit gegenüber gewöhnlichem Werkzeugstahl beruht auf der Wärmebehandlung: Zunächst wird der Schnellarbeitsstahl bei über 1200 °C geglüht und danach abgeschreckt, um das martensitische Grundgefüge zu erzeugen. Anschließend folgt mehrmaliges Anlassen bei etwa 550 °C, bei dem die Sprödigkeit zurückgeht und aus dem Martensit winzige Carbide (Wolfram-/Molybdän-/Vanadium-Kohlenstoff-Verbindungen) ausscheiden, die für die Warmhärte und Wärmefestigkeit verantwortlich sind.
Anwendungen, Vergleich mit gewöhnlichem Werkzeugstahl und anderen Schneidstoffen mini|Eigenschaften der verschiedenen Schneidstoffe, mit HSS unten rechts Aus Schnellarbeitsstahl werden verschiedene Zerspanungswerkzeuge hergestellt. Darunter sind Drehmeißel, Fräswerkzeuge, Bohrer und Räumwerkzeuge. Die letzten beiden bestehen besonders häufig aus Schnellarbeitsstahl; für Drehmeißel und Fräswerkzeuge sind andere Schneidstoffe weiter verbreitet, vor allem das Hartmetall, das von allen Schneidstoffen dem Schnellarbeitsstahl am ähnlichsten ist. HSS-Werkzeuge werden bei komplizierteren Werkzeugformen wie bei Profilwerkzeugen bevorzugt, da sie sich sehr gut schleifen lassen. Gewöhnlicher Werkzeugstahl (Kaltarbeitsstahl) wird nur noch bei Werkzeugen angewandt, die keine hohen Schnittgeschwindigkeiten erreichen können wie Feilen und Raspeln, sowie bei Werkzeugen für die Holzbearbeitung. Ansonsten wurde Kaltarbeitsstahl in der Zerspantechnik vollständig von Schnellarbeitsstahl verdrängt. Vorteile der HSS-Werkzeuge gegenüber Hartmetall-Werkzeugen liegen im niedrigeren Preis, der guten Schleifbarkeit, die komplizierte Werkzeugformen ermöglicht und auch das Nachschleifen stumpfer Werkzeuge erlaubt, sowie in der höheren Festigkeit: HSS-Werkzeuge sind weniger bruchempfindlich bei stoßartiger Belastung.
Kaltarbeitsstahl verliert bereits bei Temperaturen ab 200 °C seine Härte und wird somit als Schneidstoff unbrauchbar. Der Effekt begrenzt die Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung von Stahl auf etwa 5 m/min. Schnellarbeitsstahl behält seine Härte bis etwa 600 °C, was Schnittgeschwindigkeiten bis etwa 80 m/min erlaubt. Werkzeuge aus Hartmetall, Schneidkeramiken und Bornitrid eignen sich für Temperaturen von über 1000 °C. In der industriellen Praxis wird die Schnittgeschwindigkeit nicht mehr durch die Temperatur begrenzt, sondern durch den Verschleiß. HSS-Werkzeuge können beschichtet werden mit Titannitrid und anderen Stoffen, die die Verschleißfestigkeit erhöhen, was vor allem die Standzeit der Werkzeuge erhöht und etwas höhere Schnittgeschwindigkeiten erlaubt.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze:: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 296 f.Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage, Springer 2008, S. 110–113.
Geschichte
Nachdem Ende des 19. Jahrhunderts der Bedarf nach einem Schneidstoff, der höhere Schnittgeschwindigkeiten als Werkzeugstahl ermöglicht, immer größer wurde, entwickelten Taylor und White bis 1906 den Schnellarbeitsstahl, der sich rasch durchsetzte. Ab den 1930ern und verstärkt seit den 1960er Jahren wurde der seinerseits durch das Hartmetall und andere Schneidstoffe verdrängt, aber nie vollständig ersetzt. Die genauen metallurgischen Zusammenhänge zur Erklärung der hohen Warmhärte von Schnellarbeitsstahl konnten erst Mitte des 20. Jahrhunderts geklärt werden.
Ausgangssituation
Im Laufe der industriellen Revolution wurden immer häufiger Werkstücke aus Stahl zerspant, während zuvor vorwiegend Holz und weichere Metalle wie Kupfer und Zinn bearbeitet wurden. Stahl ist wesentlich fester als diese Werkstoffe und führte zu viel höherem Verschleiß der Werkzeuge, die aus gewöhnlichem Werkzeugstahl bestanden, sodass die wirtschaftlich sinnvollen Schnittgeschwindigkeiten bei nur 5 m/min lagen. Werkzeugstahl war seit langem bekannt, bestand nur aus Eisen und Kohlenstoff und konnte bereits bei 750 °C bis 835 °C gehärtet werden, verlor aber seine Härte bereits ab etwa 200 °C. Die erste Verbesserung gelang 1868 Robert Mushet mit einem Werkzeugstahl, der mit 6 bis 10 % Wolfram, 1,2 bis 2 % Mangan und 0,5 % Chrom legiert war. Zum Härten konnte er an Luft gekühlt werden statt im Wasserbad, was als Selbsthärtung bezeichnet wurde. Bei der Härtung im Wasser kam es immer wieder zu Brüchen der Werkstücke. Mit Mushets Werkzeugstahl konnten Schnittgeschwindigkeiten bis 7 m/min erreicht werden.
In den 1860ern wurde es mit Entwicklung des Siemens-Martin-Verfahrens und des Bessemer-Verfahrens möglich, Temperaturen von über 1800 °C zu erzeugen. Damit wurde es zum ersten Mal in der Geschichte möglich, Stahl zu schmelzen, was seinen Reinheitsgrad verbesserte. Bei noch höheren Temperaturen schmelzende Metalle wie Wolfram (über 3300 °C) konnten mit der damals neuen Elektrochemie erzeugt werden, sodass sie als Legierungselemente zur Verfügung standen. Zu wirtschaftlichen Kosten waren sie erst zur Jahrhundertwende verfügbar nach dem Ausbau der elektrischen Energieversorgung.
Entwicklung durch Taylor und White Um die Jahrhundertwende begann der amerikanische Ingenieur Frederick Winslow Taylor nach Möglichkeiten zu suchen, die Produktion wirtschaftlicher zu gestalten. Er entwickelte daraus unter anderem Organisationsprinzipien, die als Taylorismus oder Scientific Management bekannt sind. Er erforschte auch etwa 10 Jahre lang die Zerspantechnik und schrieb 1906 sein Buch On the Art of Cutting Metals (wörtlich: Über die Kunst/Technik Metall zu schneiden), in dem er erstmals allgemeine Zusammenhänge der Zerspantechnik erläuterte, darunter auch die nach ihm benannte Taylor-Gerade, die einen Zusammenhang angibt zwischen Standzeit der Werkzeuge und der Schnittgeschwindigkeit sowie Zusammenhänge zwischen der Werkzeuggeometrie, dem Vorschub, der Schnitttiefe und Kühlschmierstoffen. Gemeinsam mit dem Metallurgen Maunsel White ermittelte er in standardisierten Versuchen für verschiedene Werkzeug-Werkstoffe diejenigen Schnittgeschwindigkeiten, die zu einer Standzeit von 20 Minuten führten. Danach wandten sie sich der Wärmebehandlung und Zusammensetzung der Werkzeuge zu. Sie variierten für verschiedene chemische Zusammensetzungen jeweils die Höhe der Glühtemperatur, die bis zur Schmelztemperatur reichen konnte, sowie die Höhe der Temperaturen, bei der sie anschließend durch Anlassen weiterbehandelt wurden und bestimmten danach die Schnittgeschwindigkeiten für die 20-Minuten-Standzeit. 1906 lag die beste bekannte Zusammensetzung bei 0,67 % C, 18,91 % W, 5,47 % Cr, 0,11 % Mn, 0,29 % V und Eisen als Rest. Die günstigste Wärmebehandlung lag bei Glühen bei 1250–1290 °C, also knapp unter der Solidustemperatur, bei der das Material zu schmelzen beginnt, anschließendem Abschrecken in flüssigem Blei (620 °C) und dann weiteres Abkühlen auf Raumtemperatur. Danach wurden sie bei knapp unter 600 °C angelassen. Die Werkzeuge behielten bis etwa 600 °C ihre Härte und ermöglichten bei der Zerspanung von Stahl Schnittgeschwindigkeiten bis 30 m/min. Diesen Schnellarbeitsstahl stellte Taylor auf der Weltausstellung von 1906 der Öffentlichkeit vor.
Erforschung Taylor und White war klar, dass sie einen vollkommen neuen Mechanismus zur Härtung von Stahl entdeckt hatten, die genaue Funktion konnte jedoch erst in den 1950ern geklärt werden durch den Einsatz von Elektronenmikroskopen. Beim Anlassen scheiden zwischen 400 °C und 600 °C winzige Partikel aus dem Grundgefüge aus, die Durchmesser von nur 0,05 µm haben und somit unter gewöhnlichen, optischen Mikroskopen nicht sichtbar sind. Schnellarbeitsstähle waren somit die ersten Werkstoffe, die durch Ausscheidungshärtung behandelt wurden, und waren damit den Aluminiumlegierungen, die heute für diesen Härtemechanismus bekannt sind, um etwa 10 Jahre voraus.Trent, Wright: Metal Cutting. Butterworth Heinemann, 2000, 4. Auflage, S. 142 f.
Verbreitung Nach der Weltausstellung von 1906 war Taylor ein weltberühmter Mann. Er demonstrierte dort das Drehen von Stahl bei Schnittgeschwindigkeiten, die so hoch waren, dass die Schneiden seiner Werkzeuge rot zu glühen begannen und dennoch nicht versagten. Schätzungen zufolge wurden allein in den USA in den nächsten Jahren HSS-Werkzeuge im Wert von insgesamt 20 Millionen Dollar verkauft, was dank der höheren Schnittgeschwindigkeiten zu Produktionssteigerungen im Wert von 8 Milliarden Dollar führte. Die damaligen Werkzeugmaschinen waren jedoch nicht auf die hohen Belastungen ausgelegt. In Versuchen der damals berühmten, deutschen Firma Ludwig Loewe waren die Maschinen nach wenigen Wochen vollkommen unbrauchbar. In Europa wurde der Schnellarbeitsstahl zunächst bei gewöhnlichen Schnittgeschwindigkeiten genutzt, wo er zu deutlich höheren Standzeiten führte als bei Nutzung von Werkzeugstahl. Die Maschinenhersteller boten zwar bald Maschinen an, die auf die höheren Schnittgeschwindigkeiten ausgelegt waren; da die alten jedoch bei sachgemäßem Umgang sehr langlebig waren, verlief die Umstellung zunächst schleppend. Erst als in den 1920ern eine neue Generation angeboten wurde, die auch über elektrische Antriebe und Steuerungen verfügte statt der bislang gebräuchlichen mechanischen Steuerungen und Antriebe mit Dampfmaschinen, wurden die hohen möglichen Schnittgeschwindigkeiten ausgeschöpft.