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KALTARBEITSSTAHL

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Kaltarbeitsstahl

Der Begriff Kaltarbeitsstahl beschreibt eine Warengruppe aus der Kategorie Werkzeugstahl. Unterschieden wird zwischen unlegiertem und legiertem Kaltarbeitsstahl. Sowohl unlegierte als auch legierte Kaltarbeitsstähle werden in erster Linie für Werkzeuge verwendet, bei deren Einsatz eine Temperatur von ca. 200 °C nicht überschritten wird.

Unlegierter Kaltarbeitsstahl

Unlegierter Kaltarbeitsstahl besitzt einen Kohlenstoffgehalt von 0,45 % bis 1,5 %. Vorteil unlegierter Kaltarbeitsstähle ist, dass sie trotz der zum Härten erforderlichen schroffen Abkühlung in Wasser schon bei verhältnismäßig dünnen Abmessungen – respektive Wandstärken – nicht mehr über den ganzen Querschnitt durchhärten sondern einen weichen Kern behalten. Sie werden aufgrund dieser Eigenart auch „Schalenhärter“ genannt. Durch den verbleibenden weichen, zähen Kern eignen sich die aus unlegierten Werkzeugstählen hergestellten Werkzeuge besonders gut zum Einsatz mit Schlagbeanspruchung. Die gehärtete Randschicht dieser Werkzeuge bewirkt eine gute Schnitthaltigkeit und großen Verschleißwiderstand, solange sie sich bei der Verwendung nicht über etwa 200° C erwärmt. Im Werkzeugbau wird unlegierter Kaltarbeitsstahl z. B. für Zangen und Handwerkzeuge eingesetzt.

Legierter Kaltarbeitsstahl

Bei legiertem Kaltarbeitsstahl ist hingegen eine hohe Gesamtfestigkeit erforderlich. Legierter Kaltarbeitsstahl entsteht durch eine bedarfsgerechte Abstimmung des Kohlenstoffgehaltes mit Silizium, Mangan, Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium und Wolfram. Häufig wird legierter Kaltarbeitsstahl im Formenbau und in der Lebensmittelindustrie verwendet. Auch für Werkzeuge im Bereich Schneiden bzw. Scheren sowie für Kaltumformung wird legierter Kaltarbeitsstahl eingesetzt.

Legierten Kaltarbeitsstahl findet man beim Prägen, Pressen, Biegen, Walzen, Zerkleinern sowie beim Schneiden, Stanzen und Scheren. Hierbei muss der legierte Kaltarbeitsstahl besondere Anforderungen – insbesondere im Hinblick auf Eigenschaften wie: Härte, Zähigkeit sowie Verschleißwiderstand erfüllen. Beachtet werden sollte hierbei, dass die Härte und die Zähigkeit einander gegenläufig sind. So verfügt ein hochlegierter Kaltarbeitsstahl beispielsweise über eine recht hohe Verschleißfestigkeit und eine gute Druckfestigkeit. Bei einem entsprechenden Anteil an Kohlenstoff können mithilfe der richtigen Wärmebehandlung die Härte sowie die Schneidfestigkeit verbessert werden. Eine stärkere Zähigkeit besitzt ein niedriglegierter Kaltarbeitsstahl bzw. ein Kaltarbeitsstahl mit einem niedrigem Anteil an Kohlenstoff. Auch ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckbeanspruchung und Schlagbeanspruchung bei einem mittellegierten bis niedriglegierten Kaltarbeitsstahl eher gegeben.

Das Produktionsverfahren, das höchsten Ansprüchen an Homogenität, Zähigkeit und Reinheitsgrad genügt, ist das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren, auch unter der Bezeichnung ESU-Verfahren bekannt. Gegenüber nicht umgeschmolzenen Werkzeugstahl wird ein deutlich besserer Reinheitsgrad und eine bessere Homogenität erzielt. Ausschlaggebender Faktor für die Auswahl des richtigen Kaltarbeitsstahls ist somit die gewünschte bzw. zielsetzende Beanspruchung des zu produzierenden Werkzeuges, die Beschaffenheit des zu schneidenden Materials, das Volumen der Produktionsserie und die erforderliche Genauigkeit.

Allgemeine Regeln zur Wärmebehandlung von Kaltarbeitsstahl

Für eine lange Werkzeugstandzeit und die Erfüllung weiterer Leistungsanforderungen ist die Wärmebehandlung, die auf den jeweiligen Kaltarbeitsstahl angewendet wird, von ebenso großer Bedeutung wie die Auswahl des Werkstoffes an sich.

Im Regelfall ist der vom Werk gelieferte Zustand von Kaltarbeitsstahl weichgeglüht, da dieser das beste Gefüge für eine anschließende Härtung darstellt. Dazu wird der Stahl im Werk langsam auf die jeweils vom Werkstoff abhängige Temperatur für das Weichglühen erwärmt. Um Spannungen, welche im Zuge der Bearbeitung des Werkstücks sowohl im Bereich der spanlosen als auch im Bereich der spanenden Formgebung entstehen können, entgegenzuwirken, wird ein Spannungsarmglühen empfohlen. Dies gilt vor allem für Bauteile, bei denen ein hoher Anspruch an die Maßhaltigkeit des zu fertigenden Werkstücks besteht. Behandelt man diese Spannungen nicht, kann es im Zuge eines späteren Erwärmens auf Härtetemperatur zu Formänderungen kommen. Besonders anfällig für diese Veränderung sind aufwendig und unregelmäßig geformte Teile. Das Spannungsarmglühen erfolgt zumeist vor der letzten mechanischen Bearbeitung. Hierbei wird das vorbearbeitete Werkzeug aus Kaltarbeitsstahl für ein bis zwei Stunden bei einer Temperatur zwischen 600 °C und 650 °C zum Glühen gebracht. Anschließend sollte das Werkzeug einem möglichst ruhigen und langsamen Abkühlen im Ofen unterzogen werden.

Vorwärmen und Austenitisieren als Vorgänge der Wärmebehandlung

Für die Wärmebehandlung sollte der Kaltarbeitsstahl nach dem Spannungsarmglühen vorgewärmt werden. Das Vorwärmen richtet sich nach der Legierungszusammensetzung, der Aufheizgeschwindigkeit sowie der Größe des Werkstücks. Diese unterschiedlichen Faktoren bewirken, dass die verschiedenen Materialschichten die Temperatur, welche für die weitere Wärmebehandlung erforderlich ist, nicht gleichmäßig annehmen. Folglich können Zugspannungen und eine verminderte Zugfestigkeit auftreten, welche zu Rissen im Werkzeug führen können. Davon betroffen vor allen Dingen höher legierte Werkstücke in großen aufwendigen Formaten. Um Komplikationen vorzubeugen, hat das Vorwärmen kontinuierlich und über mehrere Temperaturstufen zu erfolgen, auf denen das Werkzeug jeweils vorübergehend zu verweilen hat. Beispielsweise sollte 1.2379 im ersten Schritt auf ca. 400 °C und im zweiten Schritt auf ca. 650 °C erwärmt werden. Wichtig hierbei ist, dass je 50 mm Materialdicke die Temperatur eine halbe Minute gehalten werden muss. Im dritten Behandlungsschritt kommt es zu einem Temperaturanstieg auf ca. 850°C bis 900 °C und einer Verdopplung der Haltedauer.

Beim darauffolgenden Austenitisieren sind die Temperaturen und Verweildauern ebenfalls genauestens auf die spezielle Legierung und Beschaffenheit des Werkzeugs abzustimmen und zu befolgen. Sorgfalt ist geboten, da insbesondere zu niedrige bzw. zu hohe Temperaturen wie auch zu kurze bzw. zu lange Verweildauern das Erzielen der gewünschten Eigenschaften beeinträchtigen. Konsequenzen sind beispielsweise ein unvollständiges Austenitisieren, eine verringerte Zähigkeit, eine abweichende Härte oder Spannungen.

Bedeutung von Abkühlung und Anlassen

Nach dem Austenitisieren sollte Kaltarbeitsstahl in einem angemessenen Abschreckmedium abgekühlt werden. Die Abkühlgeschwindigkeit, die Größe des Werkstücks und das Abkühlmedium nehmen erheblichen Einfluss auf die Härte. Die Abkühlgeschwindigkeit gilt es nur so hoch einzustellen, wie es zur Erzielung der beabsichtigten Härte bei der Stahlgüte unbedingt nötig ist. Die Abkühlgeschwindigkeit muss so gering wie möglich sein, damit die Wahrscheinlichkeit, dass Spannungen und Risse beim Abkühlen entstehen oder sich das Material während des Abkühlens verzieht eingedämmt wird.

Wenn die Möglichkeit besteht, sollte zudem bei ungefähr 550 °C während des Abkühlens eine Temperaturausgleichsstufe erfolgen. Erreicht das Werkstück eine Temperatur von 80 °C, sollte es umgehend in einen Ofen transferiert werden, in dem eine Temperatur zwischen 100°C und 150 °C herrscht. Bei einer Abkühlung auf Raumtemperatur könnten ansonsten Härtespannungsrisse entstehen. Besonders bei großen Werkstücken wird dieser Temperaturausgleich benötigt, damit der Kern im Kaltarbeitsstahl vor dem Anlassen umgewandelt wird.

Das Anlassen führt zu Spannungsabbau und einer Steigerung der Zähigkeit. Außerdem lässt sich die gewünschte Härte für den Kaltarbeitsstahl einstellen. Dafür wird das Werkstück langsam auf die Anlasstemperatur erwärmt. Je 20 mm Dicke sollte das Material 1 Stunde im Anlassofen verbringen – wobei das Minimum zwei Stunden sein sollte. Die Abkühlung hat an der Luft zu erfolgen. Zweimaliges Anlassen ist vorteilhaft. Dies bewirkt nach der ersten Abkühlung, dass der aus Restaustenit gebildete Martensit gleichermaßen angelassen wird.

Auswahl von Kaltarbeitsstahl nach Vorgabe der jeweiligen Einsatzzwecke wie Kaltwalzen und Zerkleinern

Aufgrund der breiten Spanne an Werkstoffen, die unter den Begriff Kaltarbeitsstahl fallen, werden viele Anwendungsbereiche von dieser Werkstoffgruppe abgedeckt, deren Einsatztemperatur unter einer Temperatur von 200 °C liegt. Je nach Zusammensetzung der einzelnen Legierungselemente können die mechanischen Werte ebenfalls variieren. So können je nach Legierung eine hohe Verschleißfestigkeit, Durchhärtbarkeit, Polierbarkeit, Randschichthärtbarkeit wie auch Zähigkeit gegeben sein. Einsatzzwecke für Kaltarbeitsstahl sind: Kaltwalzen, Zerkleinern, Schreddern, Abkanten und Führen sowie Zerspanen.

Das Kaltwalzen geschieht bei Temperaturen, die unter der Rekristallisationstemperatur liegen. Dabei wird warmgewalztes Stahlband in der Stärke verringert und seine Beschaffenheit in mechanischer und technologischer Hinsicht angepasst. Diese Stähle finden sich bei Hilfsrollen, Richtwalzen und Profilbiegewalzen. ESU-erschmolzene Stähle gewährleisten die Einhaltung höchster Ansprüche in Bezug auf Reinheitsgrad, Oberflächengüte und hohe Verdichtung des Kerns. Beispiele dafür sind 1.2363, 1.2364, 1.2379 und 1.3343. Hier stehen aber teils die Eigenschaften Verschleißwiderstand, Druckfestigkeit, Zähigkeit und Polierbarkeit bei den verschiedenen Güten nur in abgestufter Form zur Verfügung.

Zerkleinern, Schreddern und Abkanten von Kaltarbeitsstahl

Das Zerkleinern von Materialien wie Kunststoff, Holz, Metall und Mineralien stellt hinsichtlich Härte, Schlagzähigkeit und Verschleiß außergewöhnliche Ansprüche an das Werkzeug und die gewählte Stahlgüte. Zum Zerkleinern von Kunststoff werden hochverschleißfeste Chromstähle verwendet während zum Häckseln von Holz Stähle mit höherer Härte und Zähigkeit bei höherem Verschleißwiderstand dienen. Beispiele sind 1.2379, 1.2550, 1.2842 und 1.3343.

Das Schreddern stellt komplexe Ansprüche an Zähigkeit und mechanische Eigenschaften, was einen Kaltarbeitsstahl mit Nickelgehalt voraussetzt. Nickellegierter Kaltarbeitsstahl erreicht eine ausgezeichnete Bruchsicherheit und Härte. Eine Arbeitshärte von ca. 390-560 HB gewährleistet gute Werte bezüglich Zähigkeit und Reibverschleiß. Einsatzzwecke sind Hämmer und Schlägel für Hammermühlen beim Recycling von Metall, Kohle, Kunststoff, Asphalt, Ziegel und Holz.

An das Abkanten und Führen stellt der Maschinenbau steigende Ansprüche. Dies führt zu diversen mechanischen Eigenschaften, die der Kaltarbeitsstahl aufweisen soll: hohe abrasive Verschleißfestigkeit, geringe Spannungen, höchste Maßhaltigkeit im Dauerbetrieb und gute Risszähigkeit und Biegewechselfestigkeit. Moderne Stähle ermöglichen komplikationsloses Härten ohne Verzug sowie die leichte Bearbeitung und Veredlung der Oberfläche. Beispiele sind 1.2067, 1.2312 und 1.2842.

Kaltarbeitsstahl für Zerspanung und Werkzeughalter

Zerspanen umfasst zahlreiche Fertigungsschritte wie Bohren, Drehen, Fräsen und Schleifen. Die Verhältnisse bei der Zerspanung und die Beschaffenheit des zu bearbeitenden Materials beeinflussen die Entscheidung für einen Kaltarbeitsstahl. Erfordernisse wie eine lange Haltbarkeit, Gewichtseinsparungen, Ressourceneffizienz, Sicherheit und Bequemlichkeit bedingen Kaltarbeitsstahl von hoher Festigkeit und Verbundwerkstoffe mit Anteilen von Kunststoff oder Metall. Neben den üblichen Kaltarbeitsstählen kommt hier der Schnellarbeitsstahl bei Temperaturen bis 600 °C zum Zuge. Beispiele sind 1.2210 für Holzbohrer und Auswerferstifte und 1.3343 für höhere Ansprüche, wie sie z. B. Spiralbohrer, Fräswerkzeuge, Reibahle, Sägen und Räumwerkzeuge erfordern.

Für Werkzeughalter gibt es keinen multifunktionalen Stahl, der alle Ansprüche erfüllt, genauso wenig wie es den Kaltarbeitsstahl gibt, der allen Erfordernissen genügt. Hohe Verschleißfestigkeit, Maßhaltigkeit und Beständigkeit bei Temperaturänderungen zeichnen sich z. B. bei 1.2343 und 1.2344 ab. Neben ihrer Polierbarkeit und Nitrierbarkeit beweisen sie eine hohe Beständigkeit beim Anlassen wie auch gegen Warmrisse. Enorm zäher und druckfester Hochleistungsgesenkstahl wie 1.2714 wird für Werkzeug aus Hartmetall eingesetzt. Spannzangen und Spannpatronen werden mit dem Kaltarbeitsstahl 1.2826 bedient, der sehr zäh ist und federt.