Werkstoffe für Schneidwerkzeuge 101: Arten, Eigenschaften und Beschichtungen

Unter Werkzeugwerkstoffen versteht man hauptsächlich die Werkstoffe des schneidenden Teils des Werkzeugs. Ihre Leistungsfähigkeit ist ein entscheidender Faktor für die Bearbeitungsqualität, die Schnittleistung und die Werkzeugstandzeit. Der sinnvolle Einsatz neuer Werkzeugwerkstoffe kann nicht nur die Produktivität, die Bearbeitungsqualität und die wirtschaftlichen Vorteile effektiv verbessern, sondern ist oft der Schlüsselprozess für die Bearbeitung einiger schwer zu bearbeitender Werkstoffe.

I. Leistungsanforderungen für Werkzeugmaterialien

1. Hohe Härte

Werkzeuge müssen die Metallschicht vom Werkstück entfernen, daher muss die Härte des Werkzeugmaterials größer sein als die des Werkstückmaterials. Im Allgemeinen sollte die Raumtemperaturhärte von Werkzeugmaterialien höher als 60HRC sein.

2. Hoher Verschleißwiderstand

Werkzeugwerkstoffe sollten eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, um dem Verschleiß durch das Werkstück und die Späne zu widerstehen. Diese Leistung hängt von der Härte des Werkzeugmaterials, seiner chemischen Zusammensetzung und seinem Gefüge ab.

Je höher die Härte des Werkzeugmaterials ist, desto besser ist die Verschleißfestigkeit; je mehr verschleißfeste Legierungskarbide im Werkzeugmaterial enthalten sind und je feiner und gleichmäßiger die Körner verteilt sind, desto besser ist die Verschleißfestigkeit.

3. Ausreichende Stärke und Zähigkeit

Während der Zerspanung ist das Werkzeug verschiedenen Beanspruchungen, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Um Absplitterungen und Brüche zu vermeiden, muss das Werkzeugmaterial eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit aufweisen.

4. Hohe Hitzebeständigkeit

Die Hitzebeständigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Werkzeugmaterials, seine Härte, Festigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur unter Hochtemperaturbedingungen beizubehalten. Sie kann auch als Warmhärte oder Hochtemperaturhärte bezeichnet werden. Je besser die Hitzebeständigkeit ist, desto höher ist die zulässige Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung. Sie ist ein Schlüsselindikator für die Leistung des Werkzeugmaterials.

5. Gute Verarbeitbarkeit

Zur Erleichterung der Herstellung sollten Werkzeugmaterialien eine gute Verarbeitbarkeit aufweisen, wie z. B. Bearbeitbarkeit, Schleifbarkeit, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und Wärmebehandlungseigenschaften. Außerdem sollten möglichst ressourcenreiche und kostengünstige Werkzeugmaterialien verwendet werden.

II. Arten von Werkzeugmaterialien

Zu den Werkzeugwerkstoffen gehören hauptsächlich Werkzeugstahl (unlegierter und legierter Werkzeugstahl), Schnellarbeitsstahl, Hartmetall, keramische Werkstoffe und superharte Werkzeugwerkstoffe. Ihre wichtigsten physikalischen und mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Physikalische und mechanische Eigenschaften der verschiedenen Werkzeugmaterialien

1. Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl

Die vollständige Bezeichnung für Schnellarbeitsstahl ist hochlegierter Werkzeugstahl, auch bekannt als Weißstahl oder Scharfstahl.

Schnellarbeitsstahl ist ein hochlegierter Werkzeugstahl mit einer großen Menge an Legierungselementen wie W, Mo, Cr und V, die dem legierten Werkzeugstahl hinzugefügt wurden. Diese Legierungselemente bilden mit Kohlenstoff hochharte Karbide, die dem Schnellarbeitsstahl eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verleihen.

Wolframatome und Kohlenstoffatome haben eine starke Bindungskraft und erhöhen die Hochtemperaturhärte des Stahls. Die Rolle von Molybdän ist im Grunde die gleiche wie die von Wolfram, und es kann die Körner von Karbiden verfeinern, die Ungleichmäßigkeit von Karbiden im Stahl reduzieren und die Zähigkeit des Stahls verbessern.

Schnellarbeitsstahl ist ein Werkzeugmaterial mit einer guten Gesamtleistung und dem breitesten Anwendungsbereich. Er hat eine hohe Biegefestigkeit, gute Zähigkeit und eine Härte von 63~66HRC nach der Wärmebehandlung. Er lässt sich leicht zu einer scharfen Schneide schleifen, weshalb er in der Produktion oft als "scharfer Stahl" bezeichnet wird.

Seine Hitzebeständigkeit beträgt 600~660℃, und die Schnittgeschwindigkeit kann beim Schneiden von Kohlenstoffstahl etwa 30m/min erreichen. Es hat eine gute Verarbeitbarkeit und kann zur Herstellung von Werkzeugen mit komplexen Formen, wie Bohrer, Gewindebohrer, Formwerkzeuge, Räumnadeln und Zahnradwerkzeuge verwendet werden. Sie eignet sich auch für die Bearbeitung verschiedener Materialien wie Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Nichteisenmetalle und Gusseisen.

Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl lässt sich anhand der Zerspanungsleistung in gewöhnlichen Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und Hochleistungs-Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl unterteilen.

(1) Gewöhnlicher Schnellarbeitsstahl

Gewöhnlicher Schnellarbeitsstahl kann in Wolfram-Schnellarbeitsstahl und Wolfram-Molybdän-Schnellarbeitsstahl unterteilt werden.

Die erste gängige Sorte des Wolfram-Schnellarbeitsstahls ist W18Cr4V, der eine gute Gesamtleistung und Schleifbarkeit aufweist. Sie kann für die Herstellung verschiedener komplexer Werkzeuge und Endbearbeitungswerkzeuge verwendet werden. Da Wolfram jedoch eine wichtige strategische Ressource ist und diese Sorte einen hohen Anteil an Wolfram enthält, wird sie heute seltener verwendet und in einigen Industrieländern schrittweise aus dem Verkehr gezogen.

Die gängige Sorte des Wolfram-Molybdän-Schnellarbeitsstahls ist W6Mo5Cr4V2, der eine gute Gesamtleistung aufweist. Aufgrund der Rolle des Molybdäns sind seine Karbide feine Partikel und gleichmäßig verteilt, so dass seine Biegefestigkeit und Kerbschlagzähigkeit höher sind als die der Wolfram-Serie High-Speed-Werkzeugstahl. Außerdem verfügt er über eine gute Thermoplastizität, wodurch er sich für die Herstellung warmgewalzter Werkzeuge eignet. Allerdings ist dieser Werkstoff sehr entkohlungsempfindlich, hat einen engen Abschrecktemperaturbereich und ist schwer zu beherrschen.

W9Mo3Cr4V ist ein von China unabhängig entwickelter Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl. Seine Härte, Festigkeit und Thermoplastizität sind etwas höher als die von W6Mo5Cr4V2. Er hat eine gute Härte und Zähigkeit, ist leicht zu walzen und zu schmieden, hat einen breiten Wärmebehandlungs-Temperaturbereich, eine geringe Entkohlungsempfindlichkeit und geringere Kosten.

(2) Hochleistungs-Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl

Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl ist eine neue Art von Schnellarbeitsstahl, der durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung und Hinzufügung anderer Legierungselemente eine Verbesserung gegenüber gewöhnlichem Schnellarbeitsstahl darstellt. Diese Art von Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl wird hauptsächlich für die Zerspanung von schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wie hochwarmfesten Legierungen, Titanlegierungen, hochfestem Stahl und rostfreiem Stahl verwendet.

Es gibt verschiedene Arten von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl:

1) Hochkohlenstoffhaltiger Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl

Der Massenanteil des Kohlenstoffs wird auf 0,9% bis 1,05% erhöht, was dazu führt, dass alle Legierungselemente im Stahl Karbide bilden, wodurch sich die Härte, die Verschleißfestigkeit und die Wärmebeständigkeit des Stahls verbessern, seine Festigkeit und Zähigkeit jedoch leicht abnehmen. Die typische Sorte ist 95W18Cr4V.

2) Hochvanadium-Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl

Der Massenanteil von Vanadium wird auf 3% bis 5% erhöht, wobei die typische Sorte W6Mo5Cr4V3 ist. Durch den erhöhten Vanadiumkarbidgehalt wird die Verschleißfestigkeit des Schnellarbeitsstahls verbessert und er wird im Allgemeinen für die Zerspanung von hochfestem Stahl verwendet. Diese Art von Schnellarbeitsstahl ist jedoch schwieriger zu schleifen als gewöhnlicher Schnellarbeitsstahl.

3) Kobalt-Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl

Die Zugabe von Kobalt zu Schnellarbeitsstahl verbessert seine Hochtemperaturhärte und Oxidationsbeständigkeit. Die typische Sorte ist W2Mo9Cr4VCo8, die eine gute Gesamtleistung aufweist und sich sehr gut für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe wie Hochtemperaturlegierungen und Edelstahl eignet.

4) Aluminium-Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl

Aluminium-Schnellarbeitsstahl ist ein neuartiger Schnellarbeitsstahl, der speziell in China entwickelt wurde. Durch die Zugabe einer kleinen Menge Aluminium zu gewöhnlichem Schnellarbeitsstahl werden die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Schnellarbeitsstahls verbessert, und er hat eine gute umfassende Leistung.

Die typische Sorte ist W6Mo5Cr4V2Al, die die Zerspanungsleistung von Kobalt-Schnellarbeitsstahl erreicht, sich gut bearbeiten lässt, kostengünstig ist und preislich nahe an gewöhnlichem Schnellarbeitsstahl liegt. Allerdings ist er schlecht schleifbar und erfordert eine strenge Wärmebehandlung.

Mit dem zunehmenden Einsatz von komplexen Hochpräzisionswerkzeugen machen die Bearbeitungskosten einen großen Teil der Werkzeugkosten aus, während die Materialkosten einen kleineren Teil ausmachen (15% bis 30%). Daher ist es wirtschaftlich sinnvoll, Hochleistungswerkstoffe zu verwenden. Bei Werkzeugmaschinen wie Bearbeitungszentren, bei denen die Werkzeugwechselkosten hoch sind, sollten noch mehr Hochleistungswerkstoffe eingesetzt werden.

Die Güten und wichtigsten mechanischen Eigenschaften der oben genannten Schnellarbeitsstähle sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 Güten und wichtigste mechanische Eigenschaften von Schnellarbeitsstahl

2. Harte Legierung

Hartlegierung ist ein pulvermetallurgisches Produkt, das durch Sintern von Wolframkarbid- (WC) und Titankarbid- (TiC) Pulvern als Hauptbestandteile und Kobalt (Co), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni) als Bindemittel in einem Vakuum- oder Wasserstoffreduktionsofen hergestellt wird.

Die Härte der harten Legierung erreicht 89~94HRA, entspricht 71~76HRC, mit sehr guter Verschleißfestigkeit. Die Hitzebeständigkeit kann 800~1000℃ erreichen, und die Schnittgeschwindigkeit kann mehr als 100m/min beim Schneiden von mittlerem Kohlenstoffstahl erreichen. Allerdings sind seine Biegefestigkeit und Zähigkeit niedriger als Schnellarbeitsstahl, und seine Verarbeitbarkeit ist etwas schlechter als Schnellarbeitsstahl.

Gegenwärtig ist die Hartlegierung das wichtigste Werkzeugmaterial in der spanabhebenden Bearbeitung geworden, das in verschiedenen Werkzeugen mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und sogar in komplexen Werkzeugen wie Hartlegierungs-Planfräsern, Schaftfräsern, Bohrern, Reibahlen usw. weit verbreitet ist.

Die Leistung einer Hartlegierung hängt hauptsächlich von der Art, dem Gehalt und der Teilchengröße der Metallkarbide sowie von der Art und dem Gehalt des Bindemittels ab. Bei Hartlegierungen führt ein höherer Anteil an Karbiden zu höherer Härte und besserer Verschleißfestigkeit; mehr Bindemittel führt zu höherer Biegefestigkeit. Im Allgemeinen ist die Festigkeit von feinkörnigen Hartlegierungen niedriger als die von grobkörnigen Hartlegierungen mit der gleichen Zusammensetzung, während die Härte höher ist als die von grobkörnigen Hartlegierungen.

GB/T 18376.1-2008 klassifiziert Hartlegierungen für Schneidwerkzeuge in sechs Kategorien: K, P, M, H, S und N, basierend auf dem zu bearbeitenden Material. Um unterschiedlichen Einsatzanforderungen gerecht zu werden, werden sie entsprechend ihrer Verschleißfestigkeit und Zähigkeit in mehrere Gruppen unterteilt, die durch zweistellige Zahlen wie 01, 10, 20, 30, 40 usw. dargestellt werden.

Tabelle 3 enthält die Klassifizierung, Gruppierung und empfohlenen Arbeitsbedingungen für die ersten drei Kategorien. Die H-Kategorie (H01~H30) wird hauptsächlich für die Bearbeitung von harten Schneidstoffen verwendet; die S-Kategorie (S01~S30) wird hauptsächlich für die Bearbeitung von hitzebeständigen und hochwertigen Legierungen verwendet; die N-Kategorie (N01~N30) wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien verwendet.

Tabelle 3 Klassifizierung, Gruppierung und empfohlene Arbeitsbedingungen für Hartlegierungen für die spanende Bearbeitung

Im Folgenden werden einige häufig verwendete Hartlegierungen für das Schneiden vorgestellt:

(1) Hartlegierung vom Typ K

Es handelt sich um eine Legierung auf der Basis von WC mit Co als Bindemittel oder mit einem geringen Zusatz von TaC und NbC. Sie wird hauptsächlich für die Bearbeitung von kurzspanigen Materialien wie Gusseisen, Hartguss, kurzspanigem Temperguss, Grauguss usw. verwendet. Gängige Sorten sind K01, K10, K20, K30, K40, usw.

Mit zunehmender Anzahl der Sorten von 10, 20, 30 bis 40 steigt der Kobaltgehalt, was zu höherer Festigkeit, aber geringerer Härte, Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit führt, so dass es sich für die Grobbearbeitung eignet. Umgekehrt gilt: Je höher der Wolframkarbidgehalt, desto höher die Härte, die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit, aber desto geringer die Festigkeit, wodurch es sich für die Feinbearbeitung eignet.

(2) P-Typ-Hartlegierung

Es handelt sich um eine Legierung auf der Basis von TiC und WC mit Co (Ni+Mo, Ni+Co) als Bindemittel. Durch das Vorhandensein von TiC wird die Bindungstemperatur mit Stahl verbessert und die Fähigkeit, Diffusion zu verhindern. Es wird hauptsächlich für die Bearbeitung von langspanigen Werkstoffen wie Stahl, Stahlguss, langspaniges Tempergussmaterial usw. verwendet.

Zu den gängigen Sorten gehören P01, P10, P20, P30, P40 usw. Der Kobaltgehalt steigt nach und nach an, was zu einer höheren Festigkeit, aber zu einer geringeren Härte, Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit führt, so dass es sich für die Grobbearbeitung eignet. Umgekehrt gilt: Je höher der TiC-Gehalt, desto höher die Härte, die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit, aber desto geringer die Festigkeit, so dass es sich für die Feinbearbeitung eignet.

(3) Harte Legierung vom Typ M

Es handelt sich um eine Legierung auf der Basis von WC mit Co als Bindemittel, der eine kleine Menge TiC (TaC, NbC) zugesetzt ist. Durch die Zugabe einer bestimmten Menge an seltenen Metallen TaC (NbC) werden die Biegefestigkeit, die Dauerfestigkeit und die Schlagzähigkeit sowie die Hochtemperaturhärte, die Festigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit verbessert.

Zu den gängigen Sorten gehören M01, M10, M20, M30, M40 usw. Hartlegierungen vom Typ M sind Allzwecklegierungen und können für die Bearbeitung von Edelstahl, Stahlguss, Manganstahl, Temperguss, legiertem Stahl, legiertem Gusseisen usw. verwendet werden.

3. Andere Werkzeugmaterialien

(1) Keramische Erzeugnisse

Keramische Werkzeugmaterialien werden aus künstlichen Verbindungen hergestellt, unter hohem Druck geformt und bei hohen Temperaturen gesintert. Sie haben eine Härte von 91~95HRA, eine Hitzebeständigkeit von bis zu 1200℃, eine gute chemische Stabilität und eine geringe Affinität zu Metallen. Im Vergleich zu harten Legierungen können sie die Schnittgeschwindigkeit um das 3 bis 5fache erhöhen.

Ihr größter Nachteil ist jedoch die geringe Biegefestigkeit und die geringe Schlagzähigkeit. Sie werden hauptsächlich für das Vorschlichten und Schlichten von Stahl, Gusseisen und hochharten Werkstoffen (wie abgeschrecktem Stahl) während des kontinuierlichen Schneidens verwendet.

(2) Diamant

Diamant wird in natürliche und synthetische Diamanten unterteilt, die beide Allotrope des Kohlenstoffs sind. Natürlicher Diamant wird aufgrund seiner hohen Kosten nur selten verwendet. Synthetischer Diamant wird unter hohen Temperaturen und hohem Druck aus Graphit hergestellt und hat eine Härte von 10000 HV.

Diamantwerkzeuge können Nichteisenmetalle und -legierungen, Keramik und andere hochharte und verschleißfeste Materialien präzise schneiden. Allerdings haben sie eine schlechte chemische Stabilität mit Eisen und sind nicht für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen geeignet. Ihre thermische Stabilität ist ebenfalls schlecht, und wenn die Temperatur 800℃ erreicht, werden Diamantwerkzeuge an der Luft verkohlen, was zu schnellem Verschleiß führt.

(3) Kubisches Bornitrid

Kubisches Bornitrid wird mit künstlichen Methoden unter hoher Temperatur und hohem Druck unter Zugabe eines Katalysators synthetisiert. Es hat eine Härte von 8000~9000HV und eine Hitzebeständigkeit von 1400℃. Es wird hauptsächlich für die Halbfertigstellung und Fertigstellung von Hochtemperaturlegierungen, gehärtetem Stahl und Hartgussmaterialien verwendet.

III. Oberflächenbeschichtung von Werkzeugwerkstoffen

Die Zähigkeit und die Härte von Werkzeugwerkstoffen können im Allgemeinen nicht ausgeglichen werden, so dass die Lebensdauer der meisten Werkzeugwerkstoffe hauptsächlich durch Verschleiß beeinflusst wird. In den letzten Jahren wurden Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eingeführt, um dieses Problem zu lösen.

Die Oberflächenbeschichtung von Werkzeugen wird bei Werkzeugen aus Hochgeschwindigkeitsstahl und zähem Hartmetall angewendet. Durch Verfahren wie chemische Gasphasenabscheidung und Vakuumsputtern wird eine sehr dünne (5~12μm) Schicht aus der hochharten, hochverschleißfesten und hochschmelzenden Metallverbindung Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden und bildet eine goldgelbe Oberflächenbeschichtung.

Aufgrund der hohen Härte und des niedrigen Reibungskoeffizienten der Beschichtung wird die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs verbessert. Die Beschichtung hat auch Anti-Oxidations- und Anti-Haft-Eigenschaften, die den Werkzeugverschleiß verzögern. Daher kann die Schnittgeschwindigkeit von 30% auf 50% erhöht und die Lebensdauer des Werkzeugs um ein Vielfaches verlängert werden.