Werkzeugstähle sind eine Gruppe von legierten Stählen, die sich besonders für Anwendungen eignen, bei denen hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Formstabilität bei erhöhten Temperaturen gefordert sind. Diese Eigenschaften machen sie ideal für die Herstellung von Werkzeugen, Matrizen, Formen und anderen Bauteilen, die mechanischer Beanspruchung oder thermischen Zyklen ausgesetzt sind. Ihr Einsatz beschränkt sich jedoch nicht nur auf Werkzeuge – Werkzeugstähle sind heute die am häufigsten verwendete Werkstoffgruppe im Ingenieurwesen.
In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick darauf, was Werkzeugstahl ausmacht, beleuchten die wichtigsten Untergruppen und erläutern, wie verschiedene Sorten für spezifische industrielle Anwendungen ausgewählt werden.
Schon der Name gibt einen Hinweis auf den Hauptverwendungszweck von Werkzeugstahl. Ob bei der Fertigung von Handwerkzeugen oder Maschinenteilen wie Matrizen oder Bohrern – Werkzeugstahl ist die optimale Wahl. Zu den Haupteigenschaften, die diesen legierten Stahl zur bevorzugten Option für die Werkzeugherstellung machen, zählen:
Diese Eigenschaften machen Werkzeugstähle besonders geeignet für Anwendungen wie Schneiden, Umformen, Stanzen und Formenbau. Im Gegensatz zu Standard-Kohlenstoffstählen sind Werkzeugstähle darauf ausgelegt, ihre Form und Festigkeit auch bei wiederholter mechanischer und thermischer Belastung zu bewahren.
Ein wesentliches Merkmal von Werkzeugstahl ist der Kohlenstoffgehalt, typischerweise zwischen 0,5 % und 1,5 % (Gewichtsprozent), wobei einige Sorten geringfügig abweichen können. Ein höherer Kohlenstoffanteil erhöht Härte und Festigkeit, senkt jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit.
Neben Kohlenstoff enthalten Werkzeugstähle Legierungselemente wie Chrom, Vanadium, Molybdän, Wolfram, Kobalt, Mangan und Nickel. Diese Elemente erfüllen unterschiedliche Zwecke – etwa verbessern Vanadium und Wolfram als Karbidbildner die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Kobalt und Nickel erhöhen die Warmfestigkeit, und geringe Mengen Mangan verringern das Risiko von Rissbildung beim Abschrecken. Die spezifische Legierungszusammensetzung und die anschließende Wärmebehandlung bestimmen das Einsatzverhalten eines Werkzeugstahls, egal ob er eine Umformmatrize vor Verformung schützt oder einer Bohrerschneide Standfestigkeit verleiht.
Für die Produktion von Werkzeugstählen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die jedoch eines gemeinsam haben: Die Herstellung muss unter kontrollierten Bedingungen erfolgen, um höchste Qualität zu gewährleisten.
Die am häufigsten eingesetzten Verfahren bei der Werkzeugstahlproduktion sind:
Dieses Verfahren, auch als Primärschmelzen bezeichnet, basiert auf dem Schmelzen von Metallspänen, die bei Zerspanungsprozessen oder von Lieferanten anfallen. Das EAF-Verfahren nutzt also Reststoffe verschiedener Metallverarbeitungsmethoden.
Die Herstellung im Elektrolichtbogenofen ist weit verbreitet, da sie relativ kostengünstig ist. Allerdings sind oft zusätzliche Nachbehandlungen nötig, um die höchstmögliche Qualität zu erreichen, wie etwa das Weichglühen zur Rissvermeidung.
Das Verfahren besteht aus zwei Schritten:
Es ist entscheidend, eine Verunreinigung der Schmelze zu vermeiden, weshalb kontrollierte Bedingungen unerlässlich sind.
Die Elektroschlacke-Umwandlung, auch Elektroschlacke-Umschmelzen genannt, schmilzt das Metall schrittweise. Die so entstehenden Blöcke weisen eine sehr gute Oberflächenqualität ohne wesentliche Fehler auf.
Zudem bietet Werkzeugstahl aus diesem Verfahren weitere Vorteile, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind:
Obwohl dieses Verfahren kostenintensiver ist, eignet es sich hervorragend für die anspruchsvollsten Spezialanwendungen.
Dieses Herstellungsverfahren erfordert spezielle Maschinen, wie offene Hydraulikpressen oder Rotationsschmiedemaschinen.
Die Vielzahl an möglichen Querschnitten bei der Vorformgebung rechtfertigt die höheren Maschinenkosten. Es lassen sich quadratische, rechteckige, hohle und abgestufte Profile herstellen. Die maximalen Längen liegen meist zwischen 6 und 12 Metern.
Vor allem bietet Werkzeugstahl, der durch Vorformgebung hergestellt wird, eine höhere Qualität, kaum Fehler und sehr gute Geradheit.
Die moderne Werkzeugstahlproduktion setzt häufig auf kontinuierliche Walzstraßen, oft mit mehr als 20 aufeinanderfolgenden Walzgerüsten. Der Prozess beginnt mit dem Erwärmen des Stahls im Induktionsofen, wobei auch Hubherdöfen verwendet werden. Eine schnelle und kontrollierte Erwärmung ist entscheidend, um die Entkohlung der Oberfläche zu minimieren, da der Kohlenstoffverlust die Stahlqualität beeinträchtigen kann.
Warmwalzen formt den Stahl zunächst in die Grundform. Jeder Durchgang durch die Walzen reduziert die Dicke schrittweise bis zu den gewünschten Abmessungen. Für Anwendungen mit engen Toleranzen und hoher Oberflächengüte kann anschließend ein Kaltwalzen erfolgen.
Dank Automatisierung und moderner Steuerungstechnik sind heutige Walzstraßen äußerst effizient. Sie ermöglichen die Produktion von Stahlcoils in nur 12 Minuten pro Einheit – bei hoher Präzision und Ausbringung.
Das Ziehen wird eingesetzt, um Werkzeugstähle mit engen Toleranzen, kleineren Querschnitten und spezifischen Profilen herzustellen. Aufgrund der hohen Festigkeit und der relativ geringen Duktilität von Werkzeugstählen ist das Kaltziehen in der Regel auf einen leichten Durchgang beschränkt, um Rissbildung zu verhindern.
Warmziehen, das bei Temperaturen bis etwa 540°C durchgeführt wird, ermöglicht mehrere Durchgänge. Dies erhöht nicht nur die Festigkeit durch Kaltverfestigung, sondern erlaubt auch komplexere Formen, ohne die Materialintegrität zu beeinträchtigen.
Das Stranggießen ist ein besonders kosteneffizientes Verfahren, um Werkzeugstähle in großen Mengen zu produzieren. Dabei wird flüssiger Stahl zu einem halbzeugartigen Knüppel, Block oder Bramme erstarrt und anschließend weiterverarbeitet. Um die Endprodukteigenschaften zu verbessern, werden die gegossenen Rohlinge meist nachbehandelt, beispielsweise durch Glühen, Freiformschmieden oder Walzen.
Traditionelle Methoden zur Herstellung von Werkzeugstählen beinhalten oft lange Abkühlzeiten, wodurch grobkörnige Gefüge entstehen. Diese beeinträchtigen die Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit des Materials.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurden fortschrittlichere Fertigungstechniken entwickelt. Besonders hervorzuheben sind die Pulvermetallurgie und das Osprey-Verfahren. Sie ermöglichen die Herstellung von Werkzeugstählen mit höherem Kohlenstoff- und Chromgehalt sowie deutlich verbesserten Materialeigenschaften, darunter:
Der Hauptnachteil dieser modernen Methoden liegt in den höheren Herstellungskosten, bedingt durch den Einsatz spezieller Ausrüstungen und Fachwissen. Mit zunehmender Verbreitung und technologischem Fortschritt dürften diese Kosten jedoch sinken und die Vorteile der Verfahren für ein breiteres Anwendungsspektrum erschließen.
Werkzeugstähle werden in fünf Gruppen unterteilt, die sich hinsichtlich Oberflächenhärte, Festigkeit, Zähigkeit, Arbeitstemperatur, Schlagfestigkeit und Kosten unterscheiden.
Diese fünf Gruppen sind:
Die Kaltarbeitsstähle untergliedern sich in Ölhärtende, Lufthärtende und D-Sorten.
Diese Gruppe umfasst günstige, kohlenstoffreiche Stähle mit hoher Härte. Der Preisvorteil macht sie zur meistverwendeten Werkzeugstahlgruppe im Stahlbau.
Allerdings ist die hohe Härte der W-Gruppe auch mit einer gewissen Sprödigkeit verbunden. Zudem eignen sie sich nicht für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen.
Die Bezeichnung rührt daher, dass alle Stähle dieser Gruppe wassergehärtet werden. Das Abschrecken in Wasser führt häufiger zu Rissen und Verzug als das Härten in Öl oder das Lufthärten. Deshalb sind die Verkaufszahlen zwar weiterhin führend, aber im Vergleich zu anderen Sorten rückläufig.
Typische Anwendungen von W-Sorten Werkzeugstählen sind:
A-Sorten verfügen über einen höheren Chromgehalt, was eine bessere Wärmebehandlungsfähigkeit bietet. Die Bearbeitbarkeit ist gut, zudem zeichnen sie sich durch hohe Verschleißfestigkeit und Zähigkeit aus.
Typische Anwendungen für A-Sorten Werkzeugstähle sind unter anderem:
In dieser Gruppe finden sich Werkzeugstähle, die Eigenschaften der W- und A-Gruppen kombinieren. Einerseits enthalten sie mehr Kohlenstoff als die wasserhärtenden Typen, andererseits weisen sie die typischen Eigenschaften der lufthärtenden Sorten auf.
Aufgrund ihres hohen Chromgehalts werden D-Stähle teils auch als rostfrei kategorisiert, wobei der Korrosionsschutz in der Praxis begrenzt ist.
Typische Anwendungen sind:
Diese Werkzeugstahlgruppe bietet hohe Abriebfestigkeit und Zähigkeit und gilt als vielseitig einsetzbarer Allzweckstahl.
Die Anwendungen ähneln denen von A- und D-Sorten, umfassen aber auch:
Diese Gruppe umfasst niedrig legierte Werkzeugstähle mit sehr hoher Zähigkeit. Dadurch sind sie sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen besonders schlagfest.
Allerdings ist ihre Abriebfestigkeit aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts begrenzt.
Typische Anwendungen für S-Sorten Werkzeugstähle:
Schnellarbeitsstahl ist besonders häufig im Bereich von Zerspanungswerkzeugen im Einsatz.
Mechanische Bearbeitungsverfahren erzeugen viel Wärme – Schnellarbeitsstähle verlieren auch bei hohen Temperaturen nicht ihre Härte und sind daher prädestiniert für diese Anwendungen.
Typische Anwendungen für Schnellarbeitsstähle:
Beim Bearbeiten von Materialien bei sehr hohen Temperaturen empfiehlt sich ein Werkzeugstahl dieser Gruppe. Die hohe Zähigkeit und Härte bleiben auch bei langanhaltendem Arbeiten unter Hitzeeinfluss erhalten.
Dies wird durch einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, aber einen hohen Anteil anderer Legierungselemente erreicht.
Häufige Anwendungen für H-Gruppen Werkzeugstähle:
Die endgültige Auswahl des passenden Werkzeugstahls hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften sind Oberflächenhärte, Zähigkeit, Arbeitstemperatur und Schlagfestigkeit.
Gleichzeitig sollte der Materialpreis in die Bewertung mit einfließen.
Hilfreich ist es zudem, folgende Fragen zu beantworten: Sind scharfe Kanten oder Schneiden erforderlich? Wie wichtig ist Abriebfestigkeit? Welche Wärmebehandlungsmethode wird benötigt?
Mit diesen Informationen sind Sie bestens gerüstet, um die richtige Wahl zu treffen!
