Teil 01 Grundlagen

G A R A N T Z e r s p a n u n g s h a n d b u c hG A R A N T Z e r s p a n u n g s h a n d b u c h

inhaltsverzeichnis.fm Seite 8 Donnerstag, 20. Juni 2002 1:10 13

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G A R A N T Z e r s p a n u n g s h a n d b u c h

Inhalt

Werkstoffe 101.1 Eisenwerkstoffe 10

1.1.1 Stahlwerkstoffe 101.1.1.1 Einteilung der Stähle 101.1.1.2 Beeinflussung der Zerspanbarkeit von Stählen 111.1.1.2.1 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes 111.1.1.2.2 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit der Legierungselemente 121.1.1.2.3 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung 141.1.1.3 Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe 151.1.2 Eisengusswerkstoffe 181.1.2.1 Einteilung der Eisengusswerkstoffe 181.1.2.2 Zerspanbarkeit der Eisengusswerkstoffe 19

1.2 Nichteisenmetalle 211.2.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 211.2.1.1 Einteilung der Aluminiumlegierungen 211.2.1.2 Zerspanbarkeit von Aluminiumlegierungen 231.2.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen 261.2.3 Titan und Titanlegierungen 281.2.4 Kupfer und Kupferlegierungen 301.2.5 Nickelbasislegierungen 311.2.6 Kobaltbasislegierungen 33

1.3 Eigenschaftsbewertung durch Härtemessung für Metalle 341.3.1 Statische Härteprüfverfahren 341.3.2 Vergleich von Härteangaben 36

1.4 GARANT-Werkstoffmaterialgruppen 371.4.1 Benennung von Werkstoffen 371.4.1.1 Bezeichnungssysteme für Stähle und Gusseisen 381.4.1.2 Bezeichnungssysteme für Nichteisenwerkstoffe 421.4.2 Einteilung in GARANT-Werkstoffmaterialgruppen 44

Zerspanbarkeit 682.1 Vorgänge bei der Spanbildung 68

2.1.1 Spanbildungsmodell 682.1.2 Spanstauchung 692.1.3 Spanarten 702.1.4 Spanformen 712.1.5 Aufbauschneidenbildung 74

2.2 Werkzeugverschleiß 752.2.1 Verschleißursachen 752.2.2 Verschleißformen 762.2.2.1 Freiflächenverschleiß 762.2.2.2 Kolkverschleiß 77

2

1


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Grundlagen

2.2.2.3 Plastische Verformung 782.2.2.4 Kerbverschleiß 782.2.2.5 Kammrissbildung 792.2.2.6 Schneidenbruch 80

2.3 Standgröße – Standzeit 812.3.1 Standzeitdiagramm und Standzeitgleichung 812.3.2 Einflussgrößen auf die Standzeit 83

2.4 Zerspankraft und Leistungskriterien 862.4.1 Zerspankraft 862.4.1.1 Zerspankraftkomponenten 862.4.1.2 Schnittkraft und spezifische Schnittkraft 882.4.1.3 Einflussgrößen auf die Schnittkraft und spezifische Schnittkraft 932.4.1.4 Vorschub- und Passivkraft 942.4.2 Leistung und Drehmoment 952.4.3 Zeitspanvolumen und spezifisches Spanvolumen 962.4.4 Ermittlung des Leistungsbedarfs 97

2.5 Oberflächenqualität 98

Moderne Fertigungstechnologien 1003.1 Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) 101

3.1.1 Begriffsbestimmung und Potentiale 1013.1.2 Prozessanforderungen 102

3.2 Hochleistungszerspanung (HPC) 1043.2.1 Zielstellung der Hochleistungszerspanung 1043.2.2 Hochleistungszerspanung am Beispiel Fräsen 105

3.3 Trockenzerspanung 1063.3.1 Notwendigkeit, Effekte und Besonderheiten 1063.3.2 Trockenbearbeitungsgerechte Werkzeuge 108

3.4 Minimalmengenschmierung 1093.5 Hartzerspanung 111

3.5.1 Besonderheiten, Anforderungen und Potentiale 1113.5.2 Hartzerspanen am Beispiel Fräsen 112

Schneidstoffe und Beschichtungen 1144.1 Einteilung der Schneidstoffe 114

4.1.1 Hochleistungsschnellarbeitsstähle (HSS) 1164.1.2 Hartmetalle (HM und VHM) 1174.1.3 Cermets 1194.1.4 Polykristallines kubisches Bornitrid (PKB oder CBN) 1204.1.5 Polykristalliner Diamant (PKD) 122

4.2 Beschichtungen 1234.2.1 Beschichtungsverfahren 1234.2.2 Schichten 124

4.3 Schneidstoffübersicht 125

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4G

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10


1 Werkstoffe

1.1 Eisenwerkstoffe

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 2% werden als Stählebezeichnet; Werkstoffe mit mehr als 2% Kohlenstoffgehalt als Gusseisen.

Gusseisen besitzt mit Ausnahme einiger Gusslegierungen und Gusseisen mit Kugelgra-phit nur eine mäßige Zugfestigkeit. Stahl dagegen ist zäh, immer warm umformbar undbei niedrigem Kohlenstoffgehalt auch kalt umformbar. Durch eine Wärmebehandlung(Härten und Vergüten) lässt sich die Festigkeit von Stahl erheblich vergrößern, allerdingsnimmt die Verformbarkeit dabei wesentlich ab.

1.1.1 Stahlwerkstoffe

1.1.1.1 Einteilung der Stähle

Die Stahlwerkstoffe werden nach ihren Legierungselementen, ihren Gefügebestandtei-len und ihren mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

V Unlegierte StähleV Niedriglegierte Stähle (Gehalt jedes Legierungselementes beträgt < 5%)V Hochlegierte Stähle (Gehalt eines der Legierungselemente beträgt mind. 5%)

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vor-gesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

Niedriglegierte Stähle haben prinzipiell ähnliche Eigenschaften wie unlegierte Stähle.Technisch wichtig ist die wesentlich verbesserte Härtbarkeit, aber auch die erhöhteWarmfestigkeit und Anlassbeständigkeit.

Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erfor-derlich.

Zunderbeständigkeit oder besondere physikalische Ei-genschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle er-zeugen.

Bild 1.1 Stapler

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Grundlagen

Für den Anwender ist häufig eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen weitere wichtigeEigenschaften entnommen werden können. Deshalb werden Stahlwerkstoffe auch pra-xisgerecht nach Einsatzbereichen und Verwendungen unterschieden in:

V AutomatenstähleV EinsatzstähleV VergütungsstähleV NitrierstähleV WerkzeugstähleV Nichtrostende und säurebeständige Stähle

Im Abschnitt 1.4 dieses Kapitels sind die Stahl-werkstoffe in Werkstoffgruppen eingeordnetund ihre Eigenschaften und Anwendungsberei-che tabellarisch aufgeführt.

1.1.1.2 Beeinflussung der Zerspanbarkeit von Stählen

Die Zerspanbarkeit eines Werkstückwerkstoffes ist stets im Zusammenhang mit den an-gewendeten Bearbeitungsverfahren, dem Schneidstoff und den Schnittbedingungen zubeurteilen. Werkstoffseitig wird die Zerspanbarkeit der Stähle durch das Gefüge und diemechanischen Eigenschaften (Härte, Festigkeit) bestimmt.

1.1.1.2.1 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes

Kohlenstoffstähle (Unlegierte Qualitätsstähle) mit einem Kohlenstoffgehalt von C < 0,8%werden als untereutektoid (bezüglich des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes – vgl. auchBild 1.4) bezeichnet. Die wesentlichen Gefügebestandteile sind Perlit (Mischung aus Ferritund Zementit, hohe Härte) und Ferrit (geringe Härte, große Verformungsfähigkeit).

Bei der Zerspanung bereitet Ferrit große Schwierigkeiten durch:

V Große Neigung zum Verkleben mit dem Werkzeug, AufbauschneidenbildungV Bildung von unerwünschten Band- und Wirrspänen (große Verformungsfähigkeit)V Schlechte Oberflächengüte und Gratbildung an den Werkstücken

Perlit dagegen führt bei der Zerspanung zu Schwierigkeiten hinsichtlich:

V Starken abrasiven VerschleißesV Höherer Zerspankräfte

Die Zerspanbarkeit von Stählen mit einem Kohlen-stoffgehalt von C < 0,25% wird im wesentlichendurch die o.g. Eigenschaften des Ferrits geprägt.Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten bildensich Aufbauschneiden. Der Werkzeugverschleißnimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeitlangsam zu, die Schnitttemperatur ebenfalls. Unterdiesen Umständen sind Werkzeuge mit einemmöglichst positiven Spanwinkel zu wählen.

Bild 1.2 Stanzwerkzeug

Bild 1.3Ferritisch-perlitisches Gefüge (Ferrit hell)


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Bei Kohlenstoffstählen im Bereich von0,25% < C < 0,4% wirken die Eigenschaf-ten des Perlits auf die Zerspanbarkeit, d.h.:

V Es kommt zu einer Verringerung derKlebneigung und damit der Aufbau-schneidenbildung.

V Infolge der größeren Belastung derKontaktzone steigt die Schneidentem-peratur bei der Zerspanung und damitder Werkzeugverschleiß an.

V Das Gefüge beeinflusst positiv dieOberflächengüte, die Spanbildungund die Spanform.

Eine weitere Steigerung des Kohlenstoff-gehaltes (0,4% < C < 0,8%) bewirkt eineweitere Zunahme des Perlits, bis bei0,8% C ausschließlich Perlit vorliegt.

Eine gute Zerspanbarkeit weisen Koh-lenstoffstähle bei etwa 0,25% C auf.

Bild 1.4 zeigt schematisch die Einteilungvon Eisen-Kohlenstoff-Legierungen so-wie deren Eigenschaften.

1.1.1.2.2 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit der Legierungselemente

Im folgenden wird der Einfluss einiger wichtiger Legierungselemente auf die Zerspan-barkeit der Stahlwerkstoffe beschrieben.

V Chrom und Molybdän verbessern die Härtbarkeit des Stahles und beeinflussen somitbei Einsatz- und Vergütungsstählen die Zerspanbarkeit über Gefüge und Festigkeit. BeiStählen mit höherem Kohlenstoffgehalt bzw. Legierungsgehalten bilden dieseElemente harte Sonder- und Mischkarbide, die die Zerspanung verschlechtern können.Ähnliches trifft auf Wolfram zu.

V Nickel beeinflusst ebenfalls die Festigkeit des Stahles und bewirkt eine Erhöhung derZähigkeit. Dies führt generell zu einer ungünstigen Zerspanbarkeit, insbesondere beiden austenitischen Ni-Stählen (besonders bei höheren Ni-Gehalten).

V Silizium bildet z.B. in Verbindung mit Aluminium harte Si-Oxid (Silikat)-Einschlüsse.Hieraus kann ein erhöhter Werkzeugverschleiß resultieren.

V Durch das Zulegieren von Phosphor wird ein kurzbrüchiger Span erzielt. Bei Gehaltenbis zu 0,1% wirkt sich Phosphor positiv auf die Zerspanbarkeit aus. Bei höheren P-Gehalten ergeben sich zwar bessere Oberflächenqualitäten, aber ein verstärkter Werk-zeugverschleiß.

Bild 1.4Schematische Einteilung der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen


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Grundlagen

V Titan und Vanadin können bereitsin kleinen Mengen eine erheblicheFestigkeitssteigerung verursachen.Hinsichtlich der Zerspankräfte undSpanbildung sind aufgrund derstarken Kornverfeinerung schlechteErgebnisse zu erwarten.

V Schwefel besitzt nur eine geringeLöslichkeit im Eisen, bildet aber jenach Legierungsbestandteilen imStahl stabile Sulfide. MangansulfideMnS (vgl. Bild 1.5) sind erwünscht, dasie die Zerspanung positiv beein-flussen (kurzbrüchige Späne, gerin-gere Aufbauschneidenbildung,bessere Werkstückoberflächen).

V Mangan verbessert die Härtbarkeit und steigert die Festigkeit der Stähle. Aufgrund derhohen Affinität zu Schwefel bildet Mangan mit dem Schwefel Sulfide. Mangangehaltebis zu 1,5% begünstigen bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt die Zerspanunginfolge der guten Spanbildung. Bei höherem Kohlenstoffgehalt wird jedoch dieZerspanung negativ beeinflusst durch den höheren Werkzeugverschleiß.

V Blei hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und liegt im Eisen in der Form submikro-skopischer Einschlüsse vor. Bei der Zerspanung bildet sich ein schützender Bleifilmzwischen Werkzeug und Werkstückwerkstoff und verringert somit den Werkzeugver-schleiß. Die Späne werden kurzbrüchig.

Bild 1.5 Mangansulfideinschluss


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1.1.1.2.3 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung

Durch eine gezielte Wärmebehandlung ist das Gefüge derart zu beeinflussen, dass ne-ben der Änderung der mechanischen Eigenschaften auch die Zerspanbarkeit den Anfor-derungen angepasst werden kann.

In nachfolgender Tabelle 1.1 ist die Wirkung verschiedener Wärmebehandlungsverfahrenauf die Zerspanbarkeit von Stahlwerkstoffen in Bezug auf Werkzeugverschleiß und Span-bildung zusammenfassend dargestellt.

Wärmebehandlungs-verfahren

Gefügebeeinflussung Zerspanbarkeit

Normalglühen Gleichmäßiges und fein-körniges Gefüge durch Umkristallisation

Abhängig vom Kohlenstoffgehalt des Stahles (vgl. Abschnitt 1.1.1.2.1) :Ferrit - schlechte Spanbildung, geringer VerschleißPerlit - bessere Spanbildung, höherer Ver-schleiß

Hochglühen(Grobkornglühen)

Grobkörniges Gefüge, Grenzen duch Beeinträch-tigung der Festigkeitsei-genschaften

Relativ geringer Werkzeugverschleiß,Gute Spanbildung,Hohe Oberflächengüten

Weichglühen Ferritreicher Perlit mit glo-bularem Zementit(weich, gut verformbar)

Günstiger Werkzeugverschleiß,Spanbildung mit zunehmendem Ferrit-anteil im Gefüge schlechter

Härten Martensit Hoher abrasiver Werkzeugverschleiß bei Einsatz konventioneller Schneidstoffe,Gute Spanbildung

Tabelle 1.1 Zerspanbarkeit in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung

Ausgangsgefüge

Normal geglüht Grobkorn geglüht Gehärtet

Bild 1.6 Gefügebilder Stahl C60, verschieden wärmebehandelt


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Grundlagen

1.1.1.3 Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe

Stahlwerkstoff Besonderheiten Zerspanbarkeit Effekte

Automatenstahl

z.B.:

9 S Mn 28

9 S MnPb 28

35 S 20

45 S 20

Hauptlegierungs-elemente:Pb, P, S, Mn in Verbin-dung mit Schwe-fel bildet das erwünschte Man-gansulfid MnS

Schnittgeschwindigkeitsab-hängige Standzeitgewinne insbesondere durch Pb-Zusatz möglich (50% bis 70%) Senkung der Schnittkräfte um bis zu 50% möglich

Kurzbrüchige SpäneSaubere Werkstückober-flächenGeringe Neigung zur Auf-bauschneidenbildungGeringer Werkzeugver-schleiß

Einsatzstahl

z.B.:

Ck 15

16 MnCr 5

20 MoCr 4

18 CrNi 8

Unleg. Baustähle, Qualitäts- und Edelstähle sowie legierte Edel-stähle mit einem KohlenstoffgehaltC < 0,2%

Hohe Schnittgeschwin-digkeiten zur Verringerung der Aufbauschneidenbildung vorzugsweise mit Hartmetall-WerkzeugschneidenHerabsetzen des VorschubesAngepasste Werkzeuggeome-trie (positive Spanwinkel)

Gute Oberflächenqualitä-ten

Einsatzhärte:Aufkohlung der Randzone auf 0,6 - 0,9% C(Härte bis 60HRC)

Hartfertigbearbeitung mit Feinstkornhartmetallen, Mischkeramiken, CBN-Schneidstoffen

Guter SpanbruchSehr gute Oberflächen-qualitäten

Vergütungs-stahlz.B.:

Ck 45

42 CrMo 4

30 CrMoV 9

36 CrNiMo 4

Kohlenstoffgehalt

0,2% < C < 0,6%Hauptlegierungs-elemente:Chrom CrNickel NiVanadin VMolybdän Mo Silizium SiMangan Mn

Zerspanbarkeit ist sehr stark von entsprechenden Legie-rungselementen und Wärmebehandlung abhängigVergüten meist nach Schrupp- und vor Schlicht- bzw. FeinbearbeitungNiedrigere Schnittgeschwindigkeiten mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt (Perlitanteil)

Schruppvorgang meist wegen der hohen Zerspan-raten im normalisierten Zustand des Werkstoffes (Nor-malglühen)

Sehr gute Zerspanbarkeit Geringer Werkzeugver-schleiß

Fertigbearbeitung mit niedri-gen Schnittgeschwin-digkeiten vorwiegend mit Hartmetallwerkzeugen der P-Gruppe (HSS nur für Bohren und Gewindeschneiden)Einsatz von Schneidkeramik und CBN-Schneidstoffen nur bei Härten größer 45HRC (vgl. Hartbearbeitung von Einsatz-stahl)

Geringer Werkzeugver-schleiß

Tabelle 1.2 Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe


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Tabelle 1.2 Fortsetzung Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe

Stahlwerkstoff Besonderheiten Zerspanbarkeit Effekte

Nitrierstahl

z.B.:

34 CrAlNi 7

31 CrMo 12

34 CrAlS

Kohlenstoffgehalt 0,2% < C < 0,45%Hauptlegierungs-elemente:Cr, Mo, Al, VHohe Werkstoff-oberflächenhärte durch spröde Metallnitride

Zerspanung erfolgt wegen sehr hoher Werkstoffoberflä-chenhärte vor dem Nitrieren

Vergüteter Ausgangswerk-stoff:Niedrige Schnittgeschwindig-keiten

Vertretbarer Werkzeug-verschleiß

Unvergüteter Ausgangswerk-stoff

Schlechte SpanabfuhrGratbildung

Ni-Gehalt > 1% Schlecht zerspanbar

Zusatz von Schwefel S Günstig zerspanbar

Werkzeugstahl

z.B.:

C 45

C 60

C-Gehalt < 0,9% bei unlegierten Werkzeugstählen

Verwendung von titan- und titankarbidhaltigen Hartmetallschneidstoffen (P 20)

Erhöhte KlebneigungAufbauschneidenbildungRelativ schlechte Zerspan-barkeitSchlechte und raue Oberflächen

Vergüten der Werkzeugstähle Verbesserung der Zerspanbarkeit

Nichtrostende undHochwarmfeste Stählez.B.:X5CrNiNb18-10

Chromgehalt > 12%

Überwiegend ferritische Stähle

Gut zerspanbar

zusätzlicher Nickel-Anteil zusammen 10-13%

Austenitische Stähle:Niedrige Schnittgeschwindig-keitenRelativ hohe Vorschübe zur Verringerung der Anzahl der Schnitte

Schlecht zerspanbarHohe KlebneigungAufbauschneidenbildungNeigung zur Kaltverfesti-gung

Bild 1.7 Fräsen von Vergütungsstahl


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Grundlagen

In Tabelle 1.3 ist exemplarisch ein Überblick über realisierbare Schnittparameter für dasDrehen von Stahl gegeben.

Schnittge-schwindig-

keit1)

Werkstoffe

240 m/minbis400 m/min





Allgemeine Baustähle

– bis 0,2% Cz.B. St52-32)

über 0,2% Cz.B.St52-12)

Automatenstahlunbehandelt

Nicht für Wärmebehand-lung best. Stählez.B. 9 S Mn 28

– – – –

Automatenstahlvergütet

– bis 0,45% Cz.B. 35 S 20 V

über 0,45% Cz.B. 60 S 20 V

– –

Einsatzstahlunlegiert

Behandelt auf Ferrit-Perlit-Gefüge (BG)z.B. Ck15 BG

– – – –

Einsatzstahllegiert

– Behandelt auf Ferrit-Perlit-Gefüge (BG)z.B. 16MnCr5 BG

Behandelt auf best. Festigkeit (BF)z.B. 16CrNiMo6 BF

– –

– – Unbehandelt3)

z.B. 16MnCr5 UUnbehandelt3)

z.B. 17CrNiMo6 U–

VergütungsstahlunlegiertWeichgeglüht (G)

– bis 0,4% Cz.B. Cf 35 G

über 0,4% C z.B. Cf 53 G, Ck60 G

über 0,6% Cz.B. Cf 70 G

–

Vergütungsstahlunlegiertnormalgeglüht (N)

– bis 0,45% Cz.B. Ck 45 N

über 0,45% bis 0,55%Cz.B. Cf 53 N, Ck55 N

über 0,55% Cz.B. Ck 60 N

–

Vergütungsstahlunlegiertvergütet (V)

– – bis 0,45% C oderbis 800 N/mm2

z.B. Ck 35 V, Cf 45 V

über 0,45% bis 0,6%C oder über 800 N/mm2

z.B. Ck 55 V

–

Vergütungsstahllegiertweichgeglüht (G) oder auf verbes-serte Bearbeitbarkeit behandelt (B)

– bis 0,3% Coder bis 200 HBz.B. 25 CrMo4 B

bis 0,4% Coder über 200 bis 230 HBz.B. 24 CrMo5 B

über 0,4% Coder über 230 HBz.B. 24CrNiMo6 B, 50 CrMo4 G

–

Vergütungsstahllegiertvergütet (V)

– – bis 0,4% Coder über 700 bis 800 N/mm2

z.B. 34 Cr4 V

bis 0,5% Coder über 800 -1000 N/mm2

z.B 42 CrMo4 V

über 1000 N/mm2

z.B. 50 CrV4 V, 30 CrNiMo8 V

1) Schnittgeschwindigkeiten unter Verwendung unbeschichteter Hartmetallwerkzeuge2) infolge starker Streuungen unterschiedliche Zerspanbarkeit möglich 3) unterschiedliche Zerspanbarkeit je nach Anteil der Gefügebestandteile[N/mm2] Angaben zur Zugfestigkeit [HB] Angaben zur Werkstoffhärte

Tabelle 1.3 Realisierbare Schnittgeschwindigkeit für Stahlwerkstoffe


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1.1.2 Eisengusswerkstoffe

1.1.2.1 Einteilung der Eisengusswerkstoffe

Unter Eisengusswerkstoffen sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoff-gehalt C > 2% (meistens bis 4% – vgl. Bild 1.4) zu verstehen. Legierungselemente sindmeist Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel. Korrosions- und Warmfestigkeit sinddurch Zusatz von Nickel, Chrom, Molybdän und Kupfer zu verbessern. Die Legierungszu-sätze in Gusswerkstoffen beeinflussen die Zerspanbarkeit in dem Maße, wie sie als Kar-bidbildner wirken bzw. wie sie auf die Festigkeit und/oder Härte einwirken. In Bild 1.8 istdie prinzipielle Einteilung der Eisengusswerkstoffe dargestellt.

Die Bezeichnungen der Eisengusswerkstoffe nach EU-Norm sind der Tabelle 1.15 (Ab-schnitt 1.4.1) zu entnehmen.

Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl, der nachträglich lediglich nur noch als Form-gebungsverfahren zerspant wird. Wegen der guten Zähigkeit wird Stahlguss überall dorteingesetzt, wo neben schwingenden Beanspruchungen auch Stoß- und Schlagbelastun-gen auftreten.

Hartguss hat ein sprödes Gefüge und erreicht nicht die hohen Zugfestigkeitswerte wieStahlguss. Im Maschinenbau wird Vollhartguss (über den gesamten Querschnitt weiß er-starrt) nur wenig und dann fast ausschließlich im unbearbeiteten Gusszustand verwen-

Bild 1.8 Einteilung der Eisengusswerkstoffe


19

Grundlagen

det. Wesentlich größere Bedeutung hat derSchalenhartguss (gezielte Abkühlung, so dass le-diglich die Randschicht weiß erstarrt) mit seinerharten und verschleißfesten Oberfläche bei ver-besserter Zähigkeit im Kern. Anwendungsbei-spiele sind u.a. Walzen, Nockenwellen, Stempelu.ä..

Seine charakteristischen Eigenschaften erhältTemperguss, auch schmiedbarer Guss genannt,erst durch eine Glühbehandlung (Tempern). Jenach Wärmebehandlung entsteht schwarzeroder weißer Temperguss. Hinsichtlich der Fes-tigkeit nimmt Temperguss eine Mittelstellungzwischen Grauguss und Stahlguss ein. Die Zerspanbarkeit von weißem Temperguss ist inAbhängigkeit der Wandstärke bei dicken Teilen wegen des erhöhten Perlitanteilesschwieriger als bei dünnen Teilen (entkohlte Schicht erreicht im allgemeinen eine Stärkevon 7 mm). Deshalb wird weißer Temperguss vorwiegend für dünnwandige Teile einge-setzt. Bei schwarzem Temperguss liegt im Gegensatz zu weißem über dem gesamtenQuerschnitt des Gussteiles ein gleichmäßiges Gefüge aus Ferrit mit eingelagerter Tem-perkohle vor. Schwarzer Temperguss ist somit im allgemeinen leichter zerspanbar alsweißer. Er wird bevorzugt für dickwandige Bauteile verwendet, die weiter spanend bear-beitet werden sollen.

Die verschiedenen Graugusstypen unterscheiden sich im wesentlichen durch die geo-metrische Form des jeweils vorliegenden Graphits. Gusseisen mit Lamellengraphit (alsGrauguss oder GG bezeichnet) besitzt hervorragende Dämpfungseigenschaften, ist je-doch nicht so fest wie weißes Gusseisen. Kleinste Gefügeänderungen führen schon zu er-heblichen Werkzeugstandzeitschwankungen. Gusseisen mit Kugelgraphit (als Sphäro-guss oder GGG bezeichnet) hat ein niedrigeres Dämpfungsvermögen (ca. um Faktor 2),lässt sich jedoch relativ gut zerspanen. Gusseisen mit Vermicullargraphit (als GGV be-zeichnet) ist ein in neuester Zeit entwickelter Werkstoff, der die positiven Eigenschaftendes GG und des GGG in sich vereint. Er ordnet sich somit zwischen dem Grauguss undSphäroguss ein. GGV wächst in Form von Fingern und Ästen aus einer Lamelle und ent-hält nicht mehr als 20% Graphitkugeln. Sein Einsatz wird insbesondere im Dieselmoto-renbau zu erwarten sein. Probleme bereitet dieser Gusseisenwerkstoff jedoch z.Z. nochhinsichtlich seiner Zerspanbarkeit.

1.1.2.2 Zerspanbarkeit der Eisengusswerkstoffe

Die Zerspanbarkeitseigenschaften der Eisengusswerkstoffe werden sehr stark von derMenge und der Ausbildung des eingelagerten Graphits beeinflusst.

Die Graphiteinlagerungen im Eisengusswerkstoff reduzieren zum einen die Reibung zwi-schen Werkzeug und Werkstoff und unterbrechen zum anderen das metallische Grund-gefüge. Dies führt zu einer im Vergleich zu Stahl günstigeren Zerspanbarkeit, die sichdurch kurzbrüchige Späne, niedrigere Zerspankräfte und höhere Werkzeugstandzeitenauszeichnet.

Bild 1.9 Schraubenverdichter


20


Bei der Zerspanung von Hartguss (weißes Gusseisen)wird die Werkzeugschneide infolge des hohen Anteilsan Zementit im Werkstoffgefüge hoch beansprucht. ZurErreichung einer wirtschaftlichen Standzeit sollte dieSchnittgeschwindigkeit mit steigender Werkstoffhärtereduziert werden. Eine Reduzierung der Spanungsdickebewirkt dabei eine geringere Werkzeugschneidenbelas-tung. Der Einsatz von Schneidkeramik erlaubt im Ver-gleich zu Hartmetallen eine Schnittgeschwindigkeitser-höhung um den Faktor 3 bis 4.

Aufgrund der guten plastischen Verformbarkeit derTempergusssorten kommt es bei der Zerspanung zur

Bildung von unerwünschten Fließspänen. Die Temperkohle und die im Grundgefüge ein-gelagerten Mangansulfide bewirken jedoch eine Verbesserung des Spanbruches und da-mit der Zerspaneigenschaften. Aufgrund der unterschiedlichen Gefügestruktur istschwarzer Temperguss bei gleicher Werkstoffhärte deutlich besser zerspanbar als weißerTemperguss.

Beim Gusseisen mit Lammellengraphit (vgl. Bild 1.10) ist das stahlähnliche Grundgefügevon Graphitlamellen unterbrochen, die während des Zerspanvorganges zu einer Scher-oder Reißspanbildung führen. Dadurch entstehen stets kurzbrüchige Späne (meist Brö-ckelspäne). Ein übermäßiger Freiflächenverschleiß wird somit verhindert. Darüber hinausist eine Absenkung der Zerspankräfte feststellbar. An den Werkstückkanten können beider Zerspanung Ausbrüche entstehen. Die erzeugte Oberflächengüte ist vom Ferti-gungsverfahren, von den Schnittbedingungen und von der Feinheit und Gleichmäßig-keit des Grauguss-Gefüges abhängig.

Ist die Lamellenstruktur gestört (z.B. Lamellen in Form von Rosetten–“B-Graphit“) kanndie Standzeit bei hohen Schnittgeschwindigkeiten bei sonst gleichen Bedingungen bisum den Faktor 10 variieren.

Im Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) liegt der Graphit als globulare Einschlüsse vor(vgl. Bild 1.11). Das Grundgefüge der Sorten mit niedriger Festigkeit und guter Zähigkeit(z.B. wie beim abgebildeten GGG 40) besteht zum überwiegenden Teil aus dem gut zer-spanbaren Ferrit. Es treten dabei Wendelspäne auf, die jedoch wegen den Graphiteinla-gerungen leicht brüchig sind. Das Problem bei der Zerspanung mit höheren Schnittge-schwindigkeiten ist der Freiflächenverschleiß. Die Späne zeigen dabei eine zähe

Bruchcharakteristik und neigen besonders im Trocken-schnitt zur Scheinspanbildung, d.h. zu einer Plastifizierungdes Werkstoffes zwischen Freifläche und Werkstück.

Bei Vermiculargusseisen (GGV) ist der Vermicullargraphitkorallenbaumartig verzweigt. Somit kann er für die Zerspa-nung ähnlich gute Dienste leisten wie der Lamellengraphit.GGV hat bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten gegenü-ber dem GGG erhebliche Vorteile und unterscheidet sich inseiner Zerspanungscharakteristik kaum vom GG gleicherHärte. So ähnelt die Zerspanbarkeit von perlitischem GGV

Bild 1.10 Gefüge von Graugussmit Lamellengraphit

Bild 1.11 Gefügebild GGG 40


21

Grundlagen

bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 300 m/min der von GG-25. Bei Schnittge-schwindigkeiten über 300 m/min tritt hoher Freiflächenverschleiß an der Werkzeug-schneide auf, der durch die abrasive Wirkung der Graphiteinschlüsse hervorrgerufenwird.

Die Randzone gegossener Werkstücke (Gusshaut) weist wegen nichtmetallischer Ein-schlüsse, veränderter Gefügeausbildung und/oder Verzunderungen eine schlechtereZerspanbarkeit auf als die Kernzone. Infolge dessen kommt es bei Nichtreduzierung derSchnittparameter zu einem verstärkten abrasiven Verschleiß und zur Ausbildung einerVerschleißkerbe an der Werkzeugschneide. (vgl. Abschnitt 2.2)

In Tabelle 1.4 sind exemplarisch zu erreichende Schnittwerte in Abhängigkeit vom zu zer-spanenden Gusswerkstoff zusammenfassend dargestellt.

Eine Aussage zur Zerspanbarkeit von Eisengusswerkstoffen in Verbindung mit Härtean-gaben in Brinell (HB) ist relativ unzuverlässig. Diese Angabe sagt nichts aus zur Abrasions-härte des Gusses, die sich aufgrund von Sandeinschlüssen und freier Karbide besondersungünstig auf die Zerspanbarkeit auswirkt. So hat z.B. ein Guss mit einer Brinellhärte von180 HB und einer Anzahl freier Karbide wesentlich schwierigere Zerspanungseigenschaf-ten als ein Gusswerkstoff gleichen Härtegrades, jedoch mit 100% perlitischem Gefügeund ohne freie Karbide.

1.2 Nichteisenmetalle

1.2.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen

1.2.1.1. Einteilung der Aluminiumlegierungen

Aluminiumwerkstoffe werden nach Knet- und Gusslegierungen unterschieden. Bei Knet-legierungen steht die plastische Verformbarkeit, bei Gusslegierungen das Formfül-lungsvermögen im Vordergrund. Eine weitere Unterteilung des Aluminiums und dessen

Werkstoff Verfahren Werkzeug/Schneidstoff

Vorschub proSchneide fz [mm]

Schnittge-schwindig-keitvc [m/min]

GG/GGG Fräsen Planfräser / besch. HM 0,25 500 ... 1.000

Planfräser/CBN 0,15 1.500 ... 2.000

Bohren 10 mm/VHM 0,15 ... 0,20 100 ... 150

Ausbohren/Feindrehen

Ausbohrwerkzeug/HM 0,10 ... 0,15 200 ... 400

GGV Leicht erhöhte Schnittwerte gegenüber GG/GGGZerspanungsprozess noch nicht stabil (weiterer Forschungsbedarf vorhanden)

Tabelle 1.4 Exemplarisch realisierbare Schnittgeschwindigkeiten für Gusswerkstoffe


22


Legierungen kann nach der Legierungsverfestigung vorgenommen werden. Unterschie-den wird dann in aushärtbare (Verfestigung durch Mischkristallbildung) und nichtaus-härtbare bzw. naturharte (Verfestigung durch Ausscheidungen von vorher gelösten Be-standteilen) Aluminiumlegierungen.

Bild 1.12 gibt einen Überblick über die Vielzahl der Legierungen. Die wichtigsten Hauptle-gierungselemente für Aluminium sind Silizium, Magnesium, Zink, Kupfer und Mangan.

Aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen werden dann bevorzugt, wenn deren günsti-ges Verhältnis Festigkeit zu Dichte bzw. ihre große Korrosionsbeständigkeit für verschie-dene Anwendungen im Maschinen-, Fahrzeug- und Flugzeugbau genutzt werden sollen.

Für die Aluminium-Gusslegierungen stehen die Festigkeitswerte nach den Gießeigen-schaften erst an zweiter Stelle. Deshalb können die Gusslegierungen in ihrer Zusammen-setzung z.T. erheblich von den Knetlegierungen abweichen.

Technisch wichtig sind insbesondere Al-Si-Gusslegierungen. Eutektische Al-Si-Legierun-gen (Si-Gehalt bei 12%) besitzen eine gute Festigkeit und eine ausgezeichnete Vergieß-barkeit. Bevorzugt werden sie für dünnwandige, druck- und flüssigkeitsdichte Gussstückeim Maschinen- und Gerätebau benutzt. Ihre Gießeigenschaften werden mit sinkendemSi-Gehalt schlechter.

Die Entwicklung von Al-Kolbenlegierungen für Verbrennungskraftmaschinen hat in ein-zelnen Fällen zu übereutektischen Zusammensetzungen geführt (Si > 12%). Mit steigen-dem Si-Gehalt wird somit eine Absenkung des Ausdehnungskoeffizienten der Al-Legie-rung erreicht.

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Bild 1.12 Schematische Einteilung der Aluminiumguss- und Aluminiumknetlegierungen


23

Grundlagen

1.2.1.2 Zerspanbarkeit von Aluminiumlegierungen

Aluminium gilt im allgemeinen als leicht spanbar. Gegenüber Stahl gleicher Festigkeitsind die auftretenden Schnittkräfte wesentlich günstiger (ca. 30% der von Stahl). DieSpanform ist wegen des verhältnismäßig großen möglichen Spanvolumens bei Alumini-um ein wichtiges Kriterium. Sie hängt vom Werkstoff selbst, den Schnittbedingungenund z.T. auch von der Werkzeuggeometrie ab. Die Standzeit differiert beim Zerspanenvon Aluminium mitunter in großen Grenzen. Die entscheidende Verschleißgröße ist derFreiflächenverschleiß. Kolkverschleiß tritt bei der Aluminiumzerspanung nicht auf.

Bild 1.13 Taschenfräsen von Aluminium


24


GARANT-Technologiewerte für die Aluminiumzerspanung:

Fräsen von Al Mg 3g

Werkzeug Schneidplatte Spannmittel Schnittwerte

90° Messerkopf

Durchmesser 50

ANMT Kurzer Aufsteckdorn

Sk 40 D22

vc = 1.260 m/minn = 8.000 U/minfz = 0,17 mm/Zvf = 8.000 mm/minae = 50 mmap = 6 mm

Tauchfräser mit Innenkühlung

Durchmesser 42

VCTG 22 Kurzer Aufsteckdorn

Sk 40 D22

vc = 790 m/minn = 6.000 U/minfz = 0,18 mm/Zvf = 3.400 mm/minae = 35 mmap = 3 mm

Al-VHM-Schruppfräser

Durchmesser 16

Flächenspannfutter vc = 400 m/minn = 8.000 U/minfz = 0,298 mm/Zvf = 7.000 mm/minae = 16 mmap = 15 mm

VHM-Schruppschlichtfräser

Durchmesser 16

Flächenspannfutter vc = 390 m/minn = 8.000 U/minfz = 0,1 mm/Zvf = 3.200 mm/minae = 0,2 mmap = 20 mm

VHM-Fräser-HSC

Durchmesser 16

HG-Futter vc = 400 m/minn = 8.000 U/minfz = 0,45 mm/Zvf = 7.200 mm/minae = 15 mmap = 1 mm


25

Grundlagen

Bei Aluminium-Knetwerkstoffen bereitet der Verschleiß keinerlei Probleme. Gut zu be-arbeiten sind sie mit HSS- und HM-Werkzeugen. Selbst bei relativ hohen Werk-zeugbeanspruchungen liegen die Standzeiten noch bei 1 bis 2 Schichten. Reinaluminiumund aushärtbare Knetwerkstoffe im weichem Zustand neigen insbesondere bei niedri-gen Schnittgeschwindigkeiten oft zur Scheinspanbildung oder zur Aufbauschneidenbil-dung. Durch die resultierende Veränderung der Schneidengeometrie und damit einemAnstieg der Temperatur durch Reibung ist häufig mit einer schlechten Oberfläche zurechnen. Abhilfe schaffen höhere Schnittgeschwindigkeiten, vergrößerte Spanwinkel (bis40°) und eventuell der Einsatz von Kühlschmiermittel.

Aluminium-Gusswerkstoffe ohne Silizium sind hinsichtlich ihrer Spanbarkeit etwa soeinzuschätzen wie die entsprechenden Knetwerkstoffe. Aushärtbare und untereutekti-sche Al-Si-Gusslegierungen (Silizium-Gehalt bis zu 12% ) weisen mit steigendem Si-Anteilschlechtere Zerspanungseigenschaften auf. Harte und spröde Einschlüsse wie das Siselbst oder Al2O3 verbessern zwar die Spanbrüchigkeit erhöhen jedoch den Werkzeug-verschleiß. Hartmetalle eignen sich gut als Schneidstoffe für die Zerspanung. Die Aus-wahl sollte jedoch in Abhängigkeit von den Schnittparametern und dem Bearbeitungs-verfahren (unterbrochener oder glatter Schnitt) erfolgen.

Übereutektische Al-Si-Gusslegierungen (Si-Gehalt über 12%) lassen sich hinsichtlichder Spanform und erzielbarer Oberflächengüte mit Hartmetallen (HM) und polykristal-linen Diamantwerkzeugen (PKD) gut bearbeiten. Die groben Si-Partikel in dem relativharten Grundgefüge bewirken jedoch einen sehr deutlichen Standzeitabfall gegenüberden untereutektischen Gusslegierungen.

Kern- und Randzonen gegossener Werkstücke weisen mitunter sehr unterschiedlicheZerspanungseigenschaften auf. Lediglich bei eutektischen Al-Si-Legierungen wurde die-ser Unterschied nicht ermittelt.

GARANT-Technologiewerte für die Aluminiumzerspanung:

Bohren / Gewindeschneiden von Al Mg 3

Werkzeug Beschichtung Spannmittel Schnittwerte

VHM-Spiralbohrer

Durchmesser 10,2

TiAlN HD-Spannfutter vc = 260 m/minn = 8.000 U/minfz = 0,23 mm/Zvf = 1.800 mm/minae = 10,2 mm

GL-Maschinen-Gewin-debohrer Synchro

Durchmesser 12

TiCN HD-Spannfutter vc = 50 m/minn = 1.400 U/minfz = 1,75 mm/Zvf = 2.450 mm/minae = 12 mm

GARANT Gewindefräser UNIversal mit IK

Durchmesser 6,2

HG-Spannfutter vc = 120 m/minn = 6.000 U/minfz = 0,02 mm/Zvf = 400 mm/min


26


Nachfolgend sind exemplarisch einige Richtwerte für verschiedene Verfahren der tech-nisch interessanten Al-Si-Legierungen aufgeführt.

1.2.2 Magnesium und MagnesiumlegierungenMagnesium und seine Legierungen besitzen die ge-ringste Dichte aller metallischen Werkstoffe bei gleich-zeitig mittleren Festigkeitseigenschaften.

Magnesium ist hervorragend zerspanbar. Die hohe che-mische Reaktionsfreudigkeit erfordert jedoch ganz be-sondere Schutzmaßnahmen gegen Selbstentzündung.Die hohe Affinität zu Sauerstoff macht trotz der schüt-zenden Oxidschicht Korrosionsmaßnahmen erforder-lich. Durch die sehr hohe Schwindung beim Erstarren(ca. 4%) neigt Magnesium zur Mikroporosität. DieseNachteile lassen sich durch Legieren mit Aluminium

Werkstoff Verfahren Schneidstoff Schnittge-schwindigkeitvc [m/min]

Vorschub pro Schneidefz [mm/Z]

Schnitt-tiefeap [mm]

Unter-eutektischeAl-Legierungen(Si-Gehalt < 12%)

Drehen HSS < 400 < 0,5 1) < 6

HM < 1.200 < 0,6 1) < 6

PKD < 1.500 < 0,3 1) < 1

Fräsen HSS < 300 ≈ 0,3 < 6

HM < 700 ≈ 0,3 < 8

PKD < 2.500 ≈ 0,15 < 2,5

Bohren HSS 80 ... 100 0,1 ... 0,4 1) –

HM < 500 0,15 1) –

PKD Weniger geeignet zum Bohren ins Volle aufgrund von Quetschvorgängen im Querschneidenbereich

Über-eutektische Al-Legierungen(Si-Gehalt > 12%)

Drehen HM < 400 < 0,6 1) < 4

PKD < 1.000 < 0,2 1) < 0,8

Fräsen HM < 500 ≈ 0,25 < 8

PKD < 1.500 ≈ 0,15 < 2

Bohren HM 200 ... 300 0,15 1) –

PKD Weniger geeignet zum Bohren ins Volle aufgrund von Quetschvorgängen im Querschneidenbereich

1) Für die Verfahren Drehen und Bohren gilt statt Zahnvorschub der Vorschubwert f [mm]

Tabelle 1.5 Verfahrensabhängige Richtwerte für die Zerspanung verschiedener Aluminiumlegierungen

Bild 1.14 Trägerteil aus Magnesium


27

Grundlagen

und Zink weitestgehend vermeiden. Da Mangan die Korrosionsbeständigkeit verbessert,enthalten die wichtigsten Magnesium-Legierungen diese drei Zusätze.

Magnesium und seine Legierungen zeichnen sich im Vergleich zu anderen Metallen ins-besondere durch ihre geringen Zerspanungskräfte aus. Jedoch sind, vergleichbar zur Be-arbeitung niedriglegierter Aluminiumlegierungen, starke adhäsive Erscheinungen zwi-schen den meisten Schneidstoffen und dem bearbeiteten Werkstoff zu beobachten.Wenn Sicherheitsvorkehrungen gegen die Brandgefahr getroffen werden, ist die Magne-siumzerspanung trocken mit PKD-Werkzeugen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten (vc> 2000 m/min) möglich. Die Gefahr geht dabei insbesondere bei der Bearbeitung mit ge-ringen Spanungsquerschnitten von den feinen, leicht entzündbaren und sich im Arbeits-raum der Maschine kontaminierenden Bröckelspänen aus. Unbeschichtete und mit TiN-beschichtete Hartmetalle sind bei Schnittgeschwindigkeiten vc > 600 m/min nur unterVerwendung von Kühlschmierstoffen einzusetzen. Außerdem sind Werkzeuge mit einemausreichend großen Freiwinkel zu wählen.

Nachfolgend sind exemplarisch einige Richtwerte für die Zerspanung von Magnesium-Legierungen aufgeführt.

Werkstoff Verfahren Schneidstoff Schnittge-schwindigkeitvc [m/min]

Vorschub pro Schneidefz [mm/Z] 1)


Mg-Legierungen

Feindrehen HSS 250 ... 300 0,01 ... 0,03 0,05 ... 0,3

HM 300 ... 500 0,01 ... 0,04 0,05 ... 0,4

PKD < 900 0,03 ... 0,06 0,02 ... 0,1

Schaftfräsen HSS 200 ... 260 0,03 ... 0,01 –

HM 400 ... 800 0,02 ... 0,1 –

PKD 4.000 0,15 –

Bohren HSS 140 0,36 ... 0,8 –

VHM 200 ... 600 0,03 ... 0,16 –

1) Für die Verfahren Drehen und Bohren gilt statt Zahnvorschub die Angabe als Vorschubwert f [mm]

Tabelle 1.6 Verfahrensabhängige Richtwerte für die Zerspanung verschiedener Magnesiumlegierungen


28


1.2.3 Titan und Titanlegierungen Titan vereinigt hohe Festigkeit mit geringerDichte und ausgezeichneter Korrosionsbestän-digkeit. Dieser Kombination von Eigenschaftenverdankt das Titan mit seinen Legierungen trotzdes hohen Preises eine ausgedehnte Anwen-dung in Spezialgebieten wie z.B. der Raum- undLuftfahrt, in Strahltriebwerken und Hochleis-tungsmotoren sowie in der Medizintechnik.

Legierungszusätze von Aluminium, Zinn, Zirkonoder Sauerstoff begünstigen eine hexagonaleGefügestruktur (α-Legierung – mäßig kaltver-formbar, für Anwendungen bei höheren Tempe-

raturen, z. B. Strahlentriebwerke); Zusätze von Vanadium, Chrom, Molybdän und Eisen ei-ne kubisch-raumzentrierte Struktur (β-Legierung – besser kaltverformbar, hoheFestigkeit jedoch bei höherer Dichte). Ein Kompromiss beider Strukturen ist bei den zwei-phasigen (α+β)-Legierungen gegeben (Beispiel: TiAl6V4), die sich durch ein besondersgünstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte auszeichnen. Diese Legierungen erreichenim ausgehärteten Zustand die besten Festigkeitseigenschaften.

Im Gegensatz zu den sonstigen Leichtmetallen nimmt Titan eine Sonderstellung hin-sichtlich der Zerspanbarkeit ein, da es aufgrund seiner mechanischen und physikali-schen Eigenschaften (z.B. geringe Wärmeleitfähigkeit, niedriger Elastizitätsmodul) zu denals schwer zerspanbar geltenden Werkstoffen zählt.

Die entstehende Wärme wird nur in einem geringen Umfang über die Späne abgeführt,die Späne neigen dazu, an der Schneide festzukleben. Die Werkzeuge unterliegen einerperiodischen Wechselbelastung durch die sich bildenden Lamellenspäne und der dis-kontinuierlichen Spanbildung. Somit ist bei längeren Schnittzeiten mit Ermüdungsvor-gängen (Ausbröckelungen, Freiflächenverschleiß) an der Werkzeugschneide zu rechnen.Auf Kühlschmierstoffe kann nicht verzichtet werden.

Die Reaktionsfreudigkeit des Titans z.B. mit Sauerstoff kann zur Verpuffung bzw. Entzün-dung von Titanstaub führen.

Reintitan und α-Legierungen lassen sich am besten, β-Legierungen am schlechtes-ten bearbeiten. Insbesondere die Schneidstoffentwicklung hat hier in den letzten Jahren

zu einem erheblichen Wandel in den anwendbarenSchnittgeschwindigkeiten geführt. Zum Einsatzkommen neben unbeschichteten Hartmetallen derK- und P-Sorte auch beschichtete K-Hartmetalle(z.B. K10, TiCTiN beschichtet), um den Schnittge-schwindigkeitsbereich weiter zu erhöhen. DieStandzeit der Werkzeuge wird signifikant von derSchnittgeschwindigkeit und dem dabei hauptsäch-lich auftretenden Freiflächenverschleiß bestimmt.

Bild 1.15 PKD-Schneidenträger aus Titanfür Bilstersäge

Bild 1.16 Fräsen von Titan


29

Grundlagen

Folgende Punkte sollten bei der Titanzerspanung Beachtung finden:

V Scharfe Schneiden mit ausreichend großem FreiwinkelV Positive Spanwinkel bei HSS-Werkzeugen, eher negative Spanwinkel bei HM-FräsernV Vorschub optimierenV Vibrationsgefahr minimieren, für stabile Bedingungen und zuverlässig gespannte

Werkstücke sorgenV Gleichlauffräsen bevorzugenV Kühlschmierstoff entsprechend dem Bearbeitungsverfahren verwendenV Bearbeitungstemperatur beherrschen durch Begrenzen der Verschleißentwicklung

Nachfolgend sind exemplarisch einige Richtwerte für die Zerspanung tabellarisch zusam-mengefasst.

Werkstoff Verfahren Schneid-stoff

Schnittge-schwindigkeitvc [m/min]

Vorschub pro Schneidefz [mm/Z]1)

Reintitan (geglüht)z.B.Ti 99,8Ti 99,2Ti 99,0

Drehen HSS 75 ... 30 0,13 ... 0,4 1)

HM 170 ... 50 0,13 ... 0,5 1)

Stirnfräsen HSS 55 ... 15 0,1 ... 0,3

HM 180 ... 70 0,1 ... 0,4

Bohren HSS 35 ... 12 0,05 ... 0,45 1)

HM – –

α-Legierungen (geglüht)z.B. Ti Mn 8,Ti Al12 Sn11 Zr5 Mo1,Ti Al6 V4(α+β)-Legierungen (geglüht)z.B. Ti Al7 Mo4, Ti Al6 V6 Sn2 Cu1 Fe1

Drehen HSS 24 ... 6 0,13 ... 0,4 1)

HM 80 ... 15 0,13 ... 0,4 1)

Stirnfräsen HSS 21 ... 6 0,08 ... 0,2

HM 90 ... 25 0,1 ... 0,2

Bohren HSS 14 ... 6 0,05 ... 0,40 1)

HM 75 ... 20 0,1 ... 0,3 1)

α-Legierungen (lösungsgeglüht und ausgehärtet)z.B. Ti Al6 V4, Ti Al6 Sn2 Zr4 Mo2(α+β)-Legierungen (lösungsgeglüht und ausgehärtet)z.B. Ti Al 5 Sn2 Zr2 Mo4 Cr4,Ti Al8 Mo1 V1

Drehen HSS 20 ... 9 0,13 ... 0,4 1)

HM 60 ... 12 0,13 ... 0,4 1)

Stirnfräsen HSS 17 ... 6 0,05 ... 0,15

HM 50 ... 20 0,1 ... 0,2

Bohren HSS 9 ... 6 0,025 ... 0,25 1)

HM 75 ... 20 0,1 ... 0,3 1)

β-Legierungen (geglüht oder lösungsgeglüht)z.B. Ti V8 Cr6 Mo4 Zr4 Al3,Ti V8 Fe5 Al1

Drehen HSS 12 ... 8 0,13 ... 0,4 1)

HM 50 ... 15 0,13 ... 0,4 1)

Stirnfräsen HSS 12 ... 6 0,08 ... 0,18

HM 40 ... 20 0,1 ... 0,2

Bohren HSS 8 0,025 ... 0,20 1)

HM – –

β-Legierungen (lösungsgeglüht und ausgehärtet)z.B. Ti Cr11 Mo7,5 Al3,5Ti V8 Fe5 Al1

Drehen HSS 10 ... 8 0,13 ... 0,4 1)

HM 35 ... 12 0,13 ... 0,4 1)

Stirnfräsen HSS 9 ... 6 0,05 ... 0,15

HM 30 ... 15 0,1 ... 0,2

Bohren HSS 6 0,025 ... 0,15 1)

HM – –

1) Für die Verfahren Drehen und Bohren gilt statt Zahnvorschub die Angabe als Vorschubwerte f [mm]

Tabelle 1.7 Verfahrensabhängige Richtwerte für die Zerspanung verschiedener Titanlegierungen


30


1.2.4 Kupfer und Kupfer-legierungen

Die Festigkeit von Kupfer lässt sich durchgeringe Legierungszusätze erheblichsteigern. Das erfolgt durch Mischkristall-bildung (Silber, Arsen) oder Aushärtung(Chrom, Zirkon, Kadmium, Eisen oderPhosphor).

Mehr als 37% Zink in der Zusammenset-zung von Kupfer-Zink-Legierungen(Messing) bewirken einen Abfall der Zä-

higkeit der Legierung bei gleichzeitig ansteigender Härte. Das ist für spanabhebendeVerfahren günstig, da sich kürzere Späne bilden.

Neusilber sind Kupfer-Zink-Legierungen in denen ein Teil des Kupfers durch Nickel ersetztwurde. Der Nickelzusatz bewirkt die weiße, silberähnliche Farbe. Technische Neusilber-Legie-rungen enthalten einen Ni-Anteil von 10 bis 25%. Bleihaltige Neusilber-Legierungen, die bes-sere Festigkeitseigenschaften als bleihaltige Messinge aufweisen, werden in der Feinmechanikund für die Herstellung von Reißzeugen verwendet.

Die klassischen Bronzen sind Kupfer-Zinn-Legierungen mit einem Zinn-Gehalt bis maxi-mal 8,5%. Für Gusslegierungen erreicht man eine Festigkeitssteigerung durch einenZinn-Zusatz bis 14%. Für Gussteile insbesondere im Maschinenbau ist es erforderlich, denspröden Gefügezustand mit seinen nachteiligen Auswirkungen auf die Zähigkeit desWerkstoffes durch eine Wärmebehandlung zu beseitigen.

Als Rotbronze bezeichnet werden Bronzen, die außer Zinn zusätzlich Zink und Blei ent-halten. Sie werden für korrosionsbeanspruchte Maschinenteile und Apparaturen oder La-gerschalen verwendet.

Sonderbronzen bezeichnen Legierungen von Kupfer und Aluminium, Mangan oder Sili-zium oder einer Kombination dieser Elemente. Sie werden heute zutreffender als Kupfer-Legierungen bezeichnet.

Reines Kupfer ist aufgrund der großen Zähigkeit und hohen Verformbarkeit schlechtzerspanbar. Legierungen mit den Elementen Zn, Sn, Al und Si haben meist eine günstigeSpanform. Legierungen mit den Elementen Pb, Se, Te sind vergleichbar mit der Zerspan-barkeit von Automatenstahl (vgl. Tabelle 1.2). In Tabelle 1.8 werden exemplarisch Richt-werte für die Bearbeitung aufgeführt.

Bild 1.17 Teile aus Messing und Neusilber

Bild 1.18 Armaturenteile


31

Grundlagen

1.2.5 Nickelbasislegierungen Die Legierung NiCr20 bildet die Basis für zahlreiche warmfeste Legierungen. Durch Zu-satz von Chrom wird die Schmelztemperatur erhöht und die Zunderbeständigkeit ver-bessert.

Hochwarmfeste Legierungen auf dieser Basis (vgl. auch Kapitel1, Abschnitt 1.4, Werk-stoffgruppe 13.3) enthalten Zusätze von Titan und Aluminium. Durch Ti und Al werdendie Legierungen aushärtbar. Die Anwendung derartiger Legierungen in hohen Tempera-turen lässt wegen der Überalterung des Werkstoffes nur eine begrenzte Einsatzdauer zu(besondere Überwachungen erforderlich). Die Warmfestigkeit lässt sich durch Kobaltzu-sätze steigern. Weitere Legierungszusätze sind Molybdän und Wolfram.

Korrosionsbeständige Nickellegierungen sind mit den Zusätzen Chrom, Molybdän undKupfer versetzt. Diese Legierungen übertreffen auch die Korrosionsbeständigkeit auste-nitischer Stähle an chemischer Beständigkeit. Korrosionsbeständige Nickellegierungenwerden fast ausschließlich vom Apparatebau für die chemische Industrie verarbeitet.

Tabelle 1.9 zeigt die Einteilung der Nickelbasislegierungen sowie beispielhaft für das Dre-hen und Fräsen Richtwerte für die Zerspanung.

Verfahren Schneidstoff Schnittge-schwindigkeitvc [m/min]

Vorschub pro Schneidefz [mm/Z]1)

Schnitttiefeap [mm]

Drehen HSS 30 ... 80 0,2 ... 0,45 1) 0,6 ... 4

HM 200 ... 1.000 0,2 ... 0,45 1) 0,6 ... 4

Fräsen HSS 40 ... 80 0,05 ... 0,2 0,6 ... 4

HM 120 ... 1.200 0,05 ... 0,2 0,6 ... 4

Bohren HSS 50 ... 140 0,1 ... 0,4 1) –

HM 80 ... 300 0,1 ... 0,4 1) –

1) Für die Verfahren Drehen und Bohren gelten statt Zahnvorschub die Angaben als Vorschubwerte f [mm]

Tabelle 1.8 Verfahrensabhängige Richtwerte für die Bearbeitung von Kupferlegierungen


32


� Schwierigkeitsgrad der Zerspanbarkeit �Knetlegierungen / Gusslegierungen Gusslegierun-

gen

Ni-Cu-Leg. Ni-(Cr)-Mo-Leg.Nicht aushärt-bareNi-Fe-Cr-Leg. bzw.Ni-Cr-Fe-Leg.

AushärtbareNi-Fe-Cr-Leg. bzw.Ni-Cr-Fe-Leg. bzw.Ni-Cr-Co-Leg.

Sonderlegier-ungen (hochwarmfeste Gusslegierungen)

Beispiele

Monell 400Monell 401Monell 404Monell R 405

Hastelloy BHastelloy XIncoloy 804Incoloy 825Inconel 600Inconel 601

Incoloy 901Incoloy 903Inconel 718Inconel X-750Nimonic 80Waspaloy

Nimonic 90Nimonic 95Rene 41Udimet 500Udimet 700Astralloy

IN – 100Inconell 713 CMar – M 200Nimocast 739

Richtwerte

geglüht geglüht geglüht lösungsgeglüht gegossen, ausgehärtet

Drehen

Schneid-stoff

HSS HM 2) HSS HM 2) HSS HM 2) HSS HM 2) HSS HM 2)

vc [m/min] 30 105 6 ... 8 30 ... 35 6 ... 8 24 ... 30 3,6 ... 5 21 ... 24 3,5 ... 5 11 ... 18

fz [mm/Z] 1) 0,18 0,18 0,13 ... 0,18

0,13 ... 0,18

0,13 ... 0,18

0,13 ... 0,18

0,13 ... 0,18

0,13 ... 0,18

0,13 0,13

ap [mm] 1 1 0,8 ... 2,5 0,8 ... 2,5

0,8 ... 2,5

0,8 ... 2,5

0,8 ... 2,5 0,8 ... 2,5 0,8 ... 2,5 0,8 ... 2,5

Schaftfräsen

Schneid-stoff

HSS HM HSS HM HSS HM HM HM HSS HM

vc [m/min] 15 ... 17 46 ... 50

5 ... 6 18 ... 20 3,6 ... 6 14 ... 15 3,6 ... 6 14 ... 15 2 ... 3,6 8 ... 15

fz [mm/Z] 0,03 ... 0,073)

0,03 ... 0,073)

0,03 ... 0,063)

0,03 ... 0,043)

0,03 ... 0,063)

0,04 ...0,053)

0,03 ... 0,063)

0,04 ...0,053)

0,01 ...0,053)

0,03 ...0,043)

0,07 ... 0,104)

0,07 ... 0,104)

0,06 ... 0,074)

0,03 ... 0,044)

0,05 ... 0,074)

0,05 ...0,064)

0,05 ... 0,074)

0,05 ...0,064)

0,05 ...0,073)

0,03 ...0,054)

ae [mm] d/2 – d/4 d/2 – d/4 d/2 – d/4 d/2 – d/4 d/2 – d/4

1)2)3)4)

Für das Verfahren Drehen gilt statt Zahnvorschub die Angabe als Vorschub f [mm]Hartmetall der K-SorteGilt bei Fräserdurchmesser 10 bis 18 mmGilt bei Fräserdurchmesser 25 bis 50 mm

Tabelle 1.9 Einteilung der Nickelbasislegierungen und Richtwerte für die Zerspanung


33

Grundlagen

Prinzipiell zählen die Nickelbasislegierungen zu den schwer zerspanbaren Werkstof-fen. Bei den aushärtbaren Legierungen sollte nur die Schlichtbearbeitung im ausgehär-teten Zustand erfolgen. Die Gusslegierungen sind aufgrund des grobkörnigen Gefügesund der geringen Korngrenzenfestigkeit schwer zerspanbar. Für die Oberflächenqualitätbereiten hier herausgerissene Materialpartikel und Korngrenzenrisse häufig Schwierig-keiten.

Nickelbasislegierungen erfordern aufgrund der sich ergebenden hohen Schnittempera-turen eine Zerspanung mit optimierten, scharfkantigen Werkzeugen meist aus Hartme-tall oder Keramik. Da diese Legierungen beim Spanen oft stark schmieren sowie durchdie nur verhältnismäßig niedrig möglichen Schnittgeschwindigkeiten zur Aufbauschnei-denbildung neigen, sollten die Werkzeuge über einen relativ großen Spanwinkel γ (ca. 5°bis 15°) und einen ausreichenden Freiwinkel α (6° bis 10°) verfügen.

1.2.6 Kobaltbasislegierungen Kobaltbasislegierungen werden aufgrund ihrer guten Warmfestigkeit und Zunderbe-ständigkeit bis etwa 950°C als Konstruktionswerkstoffe verwendet. Wegen der begrenz-ten Ressourcen von Kobalt geht der Trend zum Einsatz von kobaltfreien oder kobalthalti-gen Nickelbasislegierungen (wie z.B. Nimonic) z.B. für den Triebwerkbau.

Zur Oberflächenbeschichtung von hochbeanspruchten Bauteilen (z. B. bei Schmiedege-senken) werden Kobaltbasislegierungen heute in vielen Bereichen der Industrie verwen-det (Stellite). Die wichtigsten Legierungselemente sind neben Eisen und bis zu 1% Koh-lenstoff andere hochschmelzende Metalle wie Chrom, Nickel, Wolfram, Tantal und Niob.

Vergleichende Angaben zur Spanbarkeit von Kobaltbasislegierungen liegen nur in be-grenztem Maße vor. Allgemein gilt aber, dass diese Legierungen möglichst im ausgehär-teten Zustand oder nicht aushärtbare Legierungen im kaltgezogenen Zustand zerspantwerden sollten.

Als Schneidstoffe kommen meist Hartmetal-le der K-Sorte zum Einsatz. Für die Stellit-Be-arbeitung gewinnt durch die möglichen hö-heren Schnittgeschwindigkeiten der CBN-Einsatz an Bedeutung. Das Drehen ist hierbei gleicher Standzeit mit dreimal höherenSchnittgeschwindigkeiten möglich. BeimFräsen sollte zur Beruhigung des Laufes mitschrägverzahnten Werkzeugen gearbeitetwerden. Beim Bohren ist die Bohrerfase we-gen der hohen Werkzeugbelastung imQuerschneidenbereich nur halb so groß wiebei üblichen Bohrern. Spezialanschliffe (z.B.Kreuzschliff) sollten vorgesehen werden.Schneidöle unterstützen hier besonders die

Bild 1.19Schmiedegesenk mit Verschleißschutzschicht (Stellit) an den hochbeanspruchten Kanten


34


Zerspanbarkeit dieser Legierungen. Reiben sollte aufgrund der damit verbundenen Kalt-verfestigung vermieden werden.

Nachfolgend sind beispielhaft einige verfahrensabhängige Richtwerte für die spanendeBearbeitung von Kobaltbasislegierungen aufgeführt.

1.3 Eigenschaftsbewertung durch Härtemessung für Metalle

Die Härtewerte werden bei allen Verfahren als reine Zahlenwerte ohne Einheiten ange-geben. Anstelle der Maßeinheit steht hinter der Zahl das Kurzzeichen des Prüfverfahrens.Manchmal sind Härteangaben mit der Einheit N/mm2 versehen. Diese Schreibweise ent-spricht nicht den üblicherweise verwendeten DIN-Härteprüfverfahren.

1.3.1 Statische HärteprüfverfahrenBei den statischen Verfahren wird die Prüfkraft stoßfrei aufgebracht und wirkt auf die Pro-be eine bestimmte Zeit ein. Nach dem Entlasten wird der bleibende Eindruck ausgemes-sen.

Verfahren Schneid-stoff

Schnittge-schwindigkeitvc [m/min]

Vorschub proSchneidefz [mm/Z] 1)


Kühlschmierstoff

Drehen HSS 3 ... 8 0,1 ... 0,3

0,2 ... 2,0

Emulsion

oder

Schwefelhaltiges Schneidöl

HM2) 8 ... 15 0,1 ... 0,3

CBN 15 ... 30 0,1 ... 0,3

Fräsen HSS 7 ... 3 0,1 ... 0,2

HM2) 12 ... 7 0,1 ... 0,2

CBN 20 ... 10 0,1 ... 0,2

Bohren HM2) 6 ... 3 0,05 ... 0,12 – Schwefelhaltiges Schneidöl

1) Für die Verfahren Drehen und Bohren gelten statt Zahnvorschub die Angaben als Vorschubwerte f [mm]

2) Hartmetall der K-Sorte

Tabelle 1.10 Verfahrensabhängige Richtwerte für die Zerspanung von Kobaltbasislegierungen


35

Grundlagen

Bezeichnung Norm Kurzzeichen Beschreibung Anwendung

Messung der Eindruckfläche

BRINELL-verfahren

DIN EN ISO6506-1

HB Bestimmung des Eindruckdurchmessers einer Hartmetallkugel

Nur für weiche Werkstoffe,Härtewerte höchstens 450HB

VICKERS-verfahren

DIN ISO 4516,DIN EN ISO6507-1

HV Bestimmung der quadra-tischen Eindruckfläche einer Diamantpyramide

Universell anwendbar, Für weiche, sehr harte Werkstoffe, dünne Teile und SchichtenHärtewerte zw. 3 HV (z.B. Blei), 1800 HV (Hartme-tall) und 3599 HV (CBN)

Messung der Eindringtiefe

ROCKWELL-B-verfahren

DIN EN ISO6508-1

HRB Bestimmung der Eindringtiefe einer Hartmetallkugel

Für Werkstoffe mittlerer Härte, z.B. Stähle mit nied-rigem Kohlenstoffgehalt oder MessingHärtewerte zw. 35HRB und 100HRB

ROCKWELL-C-verfahren

HRC Bestimmung der Ein-dringtiefe eines Dia-mantkegels

Vorwiegend für gehärtete und angelassene Stähleam weitesten verbreitet zur Prüfung der Gleichmä-ßigkeit von Wärmebe-handlungenzulässige Werte zwischen 20HRC und 70HRC

Tabelle 1.11 Härteprüfverfahren nach DIN


36


1.3.2 Vergleich von Härte-angaben

Exakt vergleichbar sind nur Härte-werte, die mit dem gleichen Verfah-ren unter gleichen Bedingungen er-mittelt wurden. Ein Vergleich derHärtewerte verschiedener Verfahrenist allenfalls noch für ähnliche Werk-stoffe zulässig. In Bild 1.20 sind dieWerteskalen von 4 gebräuchlichenVerfahren gegenübergestellt. DieseDarstellung gilt für Stähle und ent-spricht den Härtevergleichstabellennach DIN.

DIN 50 150 sieht auch für Stahl eineAbschätzung der Zugfestigkeit ausder Vickershärte vor. Für Werkstoffemit Härtewerten zwischen 80 und650 HV ist die Zugfestigkeit Rm (inN/mm2) im Mittel:

(Gl. 1.1)

Der Faktor c für die Abschätzun der Zugfestigkeit Rm wird meist vorgeschlagen zu:

c ≈ 3,5 für Stahlc ≈ 5,5 für Cu und Cu-Legierungen geglühtc ≈ 4,0 für Cu und Cu-Legierungen kaltverformtc ≈ 3,7 für Al und Al-Legierungen.

Rm c HV (oder HB)⋅=

Bild 1.20 Vergleich der Härtewerte nach DIN 50 150


37

Grundlagen

1.4 GARANT - Werkstoffmaterialgruppen

1.4.1 Benennung von WerkstoffenDie Einteilung der verschiedenen Werkstoffe kann nach DIN wie folgt vorgenommenwerden (Tabelle 1.12):

Benennung von Werkstoffen nach der chemischen Zusammensetzung DIN 17006

Gusszeichen Angabe der chemischen Zusammensetzung

G- gegossen C Für unlegierte Stähle

GG- Gusseisen mit Lamellengraphit (auch GGL-) Cf Stahl für Flamm- und Induktionshärten

GGG Gusseisen mit Kugelgraphit Ck Unlegierter Edelstahl mit niedrigen P- und S-Gehalt

GH- Hartguss

GS- Stahlguss Cm Unlegierter Edelstahl mit unterer und oberer Begrenzung des S-Gehaltes

GT- Temperguss allgemein

GTS- Schwarzer Temperguss Cq Stahl mit Eignung zur Kaltumformung

GTW- Weißer Temperguss Kennbuchstabe für hochlegierte Stähle

Behandlungszustand (auszugsweise) X Massenanteile der charakteristischen Legie-rungsbestandteile > 5%

A Angelassen HJ(HI)

Oberfläche induktions-gehärtet

B Beste Bearbeitbarkeit Gütestufen für Werkzeugstähle

E Einsatzgehärtet N Normalgeglüht W1 1. Güte

F Mindestzugfestigkeit S Spannungsarmgeglüht W2 2. Güte

G Weichgeglüht U Unbehandelt W3 3. Güte

H hehärtet V Vergütet WS Sondergüte

Benennung nach Werkstoffnummern DIN 17 007

Werkstoffhauptgruppen Sortennummer

0 Roheisen und Ferrolegierungen Die Sortenklassen sind den nachfolgendenTabellen der jeweiligen Werkstoffe zu entnehmen

1 Stahl

2 Schwermetalle (NE-Metalle)

3 Leichtmetalle (NE-Metalle)

Tabelle 1.12 Benennung von Werkstoffen und Werkstoffnummern

Gusszeichen

Kennbuchstabe fürhochlegierte Stähle

Gütestufe fürWerkzeugstähleAngabe der chemischen

Zusammensetzung

1. und ggf. 2. Behand-lungszustand mitbesonderen Eigen-schaften aufgrund derBehandlung

-

Werkstoffhaupt-gruppennummer

.

SortennummerSortenklasse + Zählnummer

Anhängezahlen

.


38


1.4.1.1 Bezeichnungssysteme für Stähle und Gusseisen

Bezeichnungssysteme für Stähle und Gusseisen können nach Kurznamen oder einemNummernsystem unterschieden werden. In den nachfolgenden Tabellen 1.13 bis 1.17werden diese überblicksmäßig dargestellt.

Bezeichnungssystem für Stähle - Kurznamen DIN EN 10027-1DIN 17006-100

Einsatzgebiet Buchst. Eigenschaften Zusatzsymbol für Stähle St. für Stahlbau S Mindeststreckgrenze Re in N/mm2 Kerbschlagarbeit bei unterschiedlichen Prüftemperatu-

ren (Bsp.: J2: 27J bei –20°C)Bsp.: S 355 J2 (bisher St 52)St. für Maschinenbau

E Mindeststreckgrenze Re in N/mm2 G Andere Güten (evtl. mit Ziffer)Bsp.: E 355

Einsatzgebiet Buchst. Eigenschaften Zusatzsymbol für Stähle Unlegierte St.

Mn-Gehalt<1%

C 100 x mittlerer C-Gehalt ER

DCSU

Vorgeschriebener max. S-GehaltVorgeschriebener Bereich für S-GehaltZum DrahtziehenMit besonderer KaltumformbarkeitFür FedernFür Werkzeuge

Außer AutomatenstähleBsp.: C 35 E (bisher Ck 35)

Einsatzgebiet Buchst. Eigenschaften LegierungselementeUnlegierte St.Mn-Gehalt<1%Legierte St.Gehalt einzelner Leg.-elemente <5%

Ohne 100 x mittlerer C-Gehalt Buchstaben für die charakteristischen Legierungsele-mente, geordnet nach abnehmenden Gehalten,

Bsp.: 28 Mn 6 (unleg. Stahl)42 CrMo 4 (leg. Stahl)

Zahlen getrennt durch Bindestriche, die dem mittleren prozentualen Gehalt der Ele-mente x Faktor entsprechen, geordnet in der Reihenfolge der Legierungsele-mente

G... = Stahlguss

Bsp.: G 20Mo 5Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Faktor 4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr Faktor 10C, Ce, N, P, S Faktor 100B Faktor 1000

Legierte St.Mind. ein Leg.-ele-ment ≥5%

X 100 x mittlerer C-GehaltBsp.: X 22 CrMoV 12-1GX = StahlgussBsp.: GX 7 CrNi Mo 12-1

Einsatzgebiet Buchst. LegierungselementeSchnellarbeits-stähle

HS Zahlen getrennt durch Bindestrich, die den prozentualen Gehalt der Legierungselemente in fol-gender Reihenfolge angeben: W – Mo – V - Co

Bsp.: HS 7-4-2-5

Tabelle 1.13 Bezeichnungssystem der Stähle nach Kurznamen

oder

Hauptsymbole Zusatzsymbole

Buchstabe für Stahlgruppe Eigenschaften

Buchstabe C Kohlenstoffgehalt

Kohlenstoffgehalt Legierungselemente

oder


39

Grundlagen

Bezeichnungssystem für Stähle - Nummernsystem DIN EN 10027-2

Stahlgruppennummern

Unlegierte Stähle Legierte Stähle00, 90 Grundstähle Qualitätsstähle

Qualitätsstähle 08, 98 Stähle mit bes. phys. Eigenschaften01, 91 Allg. Baustähle, Rm < 500 N/mm2 09, 99 Stähle für verschiedene Anwendungsbereiche02, 92 Sonstige, nicht für Wärmebehandlung vorge-

sehene Baustähle, Rm < 500 N/mm2Edelstähle

20...28 Werkzeugstähle03, 93 Stähle mit C < 0,12%, Rm < 400 N/mm2 29 Frei04, 94 Stähle mit 0,12% ≤ C < 0,25% oder

400 N/mm2 ≤ Rm < 500 N/mm230, 31 Frei32 Schnellarbeitsstähle mit Co

05, 95 Stähle mit 0,25% ≤ C < 0,55% oder500 N/mm2 ≤ Rm < 700 N/mm2

33 Schnellarbeitsstähle ohne Co

06, 96 Stähle mit C ≥ 0,55%, Rm ≥ 700 N/mm2 34 Frei07, 97 Stähle mit höherem P- oder S-Gehalt 35 Wälzlagerstähle

Edelstähle 36, 37 Stähle mit bes. magnetischen Eigenschaften10 Stähle mit besonderen physikalischen

Eigenschaften38, 39 Stähle mit bes. physikalischen Eigenschaften

11 Bau-, Maschinen-, Behälterstähle mit C < 0,5%

40...45 Nichtrostende Stähle

12 Maschinenbaustähle mit C ≥ 0,5% 46 Chem. Beständige und hochwarmfeste Ni-Leg.13 Bau-, Maschinen-, Behälterst. mit bes.

Anforderungen47, 48 Hitzebeständige Stähle

14 frei 49 Hochwarmfeste Werkstoffe15...18 Werkzeugstähle 50...84 Bau-, Maschinen-, Behälterst. Geordnet nach

Legierungselementen19 frei 85 Nitrierstähle

86 Frei87...89 Nicht für Wärmebehandlung bestimmte

Stähle, hochfeste schweißgeeignete Stähle

Tabelle 1.14 Bezeichnungssystem der Stähle nach Nummernsystem

Beispiele für Stahlbezeichnungen:GARANT-Werkstoffgruppe (vgl. Kapitel 1, Abschnitt 1.4.2)

1.0422 C 22 Vergütungsstahl 3.0

1.3505 100 Cr 5 Baustahl-Wälzlagerstahl 8.0

1.8515 31 CrMo 12 Nitrierstahl 7.1

Werkstoffhauptgruppen-nummer Stahl

.

Stahlgruppennummer Zusatznummer(z.Z. nur 2. Nr.)

1


40


Die Benennung von Gusseisen nach DIN 17006 ist der Tabelle 1.12 zu entnehmen. In dennachfolgenden Tabelle 1.15 und 1.16 sind die Bezeichnungssysteme für die Kurzzeichenbzw. das Nummernsystem nach EU-Norm dargestellt. Tabelle 1.17 beinhaltet das Num-mernsystem für Gusseisen nach DIN 17007.

Bezeichnungssystem für Gusseisen - Kurzzeichen nach EU-Norm

DIN EN 1560

Graphitstruktur Mikro- oder Makrostruktur Mechanische Eigenschaften

L Lamellar A Austenit –

–

Angabe der Zugfestigkeit und Angabe eines Buchstaben zur Beschreibung der Probestücke S Probestück getrennt gegossenU Probestück angegossenC Probestück einem Gussstück entnommenZusätzlich, falls erforderlich– Angbe der Dehnung in %– Angabe der Prüftemperatur für Schlag-

festigkeitAngabe der Härte

S Kugelig F Ferrit

M Temperkohle P Perlit

V Vermikular (wurmförmig)

M Martensit

N Graphitfrei (Hartguss)

L Ledeburit

Y Sonderstruktur Q Abgeschreckt

T Vergütet

B Nicht entkohlend geglüht *)

W Entkohlend geglüht

*) nur für Temperguss Bsp.: EN-GJS-400-18S-RT

Zusätzliche Anforderungen Gusseisen mit Kugelgraphit, Mindestzugfestig-keit Rm=400 N/mm2, Dehnung A=18%, Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur am getrennt gegossenen Probestück gemessen

D Rohgussstück

H Wärmebehandeltes Gussstück

W Schweißgeeignet

Z Zusätzlich festgelegte Anforderungen Bsp.: EN-GJS-HB 150

Gusseisen mit Kugelgraphit und einer Härte von 150 HB

Chemische Zusammensetzung

Buchstabe X und die Angabe der wesentlichen Legierungselemente und deren Gehalte in fallender Reihenfolge

Bsp.: EN-GJL-XniMn 13-7

Legiertes Gusseisen mit Lamellengraphit, mit 13% Ni und 7% Mn

Tabelle 1.15 Bezeichnungssystem von Gusseisen nach Kurzzeichen

�EuropäischeNorm

EN �

G - GussJ - Eisen

Graphit-struktur

Mikro- oderMakrostruktur

· Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit oder Härte)· Chemische Zusammensetzung

ZusätzlicheAnforderungen

GJ


41

Grundlagen

Bezeichnungssystem von Gusseisen – Nummernsystem nach EU-Norm

DIN EN 1560

Hauptmerkmal Besondere Anforderungen

0 Reserve 0 Keine 5 Schlagzähigkeit bei Tieftemp

1 Zugfestigkeit 1 Probestück getrennt gegossen 6 Schweißeignung

2 Härte 2 Probestück angegossen 7 Rohgussstück

3 Chemische Zusammensetzung 3 Probestück entnommen 8 Gussstück wärmebehandelt

4...9 Reserve 4 Schlagzähigkeit bei Raumtemp. 9 Zusätzliche Anforderungen

Bsp.: EN-JL 2 03 0 Gusseisenwerkstoff mit Lamellengraphit, Hauptmerkmal Härte, ohne beson-dere Anforderungen (Kurzbezeichnung des Werkstoffes EN-GJL-HB 195)

Tabelle 1.16 Bezeichnungssystem von Gusseisen nach Nummernsystem

Bezeichnungssystem von Gusseisen - Nummernsystem DIN 17007

Sortenklassen der Werkstoff-Hauptgruppe 0

00...09 Roheisen für Stahlerzeugung 60...61 Gusseisen mit Lamellengraphit, unlegiert10...19 Roheisen für Gusserzeugung 62...69 Gusseisen mit Lamellengraphit, legiert20...29 Sonderroheisen 70...71 Gusseisen mit Kugelgraphit, unlegiert30...49 Vorlegierungen 72...79 Gusseisen mit Kugelgraphit, legiert50...59 Reserve 80...81 Temperguss, unlegiert

82 Temperguss, legiert83...89 Temperguss, Reserve90...91 Sondergusseisen, unlegiert92...99 Sondergusseisen, legiert

Tabelle 1.17 Bezeichnungssystem von Gusseisen nach DIN-Nummernsystem

Beispiele für Gussbezeichnungen:Europäische Norm Bisher GARANT-Werkstoffgruppe

(vgl. Kap. 1, Abschn. 1.4.2)Werkstoffnr. Kurzname Werkstoffnr. KurznameEN-JL 1020 EN-GJL-150 0.6015 GG 15 15.0EN-JS 1030 EN-GJS- 400-15 0.7040 GGG-40 15.2EN-JM 1180 EN-GJMB-650 0.8165 GTS-65 15.2EN-JM 1030 EN-GJMW-400 0.8040 GTW-40 15.2

�EuropäischeNorm

EN

J - Eisen

Graphit-struktur

Hauptmerkmaldes Gusswerkstoffes

BesondereAnforderungen

J

laufende Nummer(00 ... 99)


.Sortennummer

Sortenklasse + Zählnummer

0


42


1.4.1.2 Bezeichnungssysteme für Nichteisenwerkstoffe

Bezeichnungssysteme für Nichteisenwerkstoffe werden analog denen der Eisenwerkstof-fe unterschieden. In den Tabellen 1.18 und 1.19 sind die numerischen Bezeichnungssyste-me dargestellt.

Bezeichnungssystem von Nichteisenmetallen - Nummernsystem DIN 17007

Werkstoff-hauptgruppe

Sortennummern Anhängezahl

2 Schwer-metalle

2.0000 ... 2.1799 Cu 0 Unbehandelt

2.1800 ... 2.1999 Reserve 1 Weich

2.2000 ... 2.2499 Zn, Cd 2 Kaltverfestigt (zwischenhärten)

2.2500 ... 2.2999 Reserve 3 Kaltverfestigt („hart“ und darüber)

2.3000 ... 2.3499 Pb 4 Lösungsgeglüht, ohne mechan. Nacharbeit

2.3500 ... 2.3999 Sn 5 Lösungsgeglüht, kaltnachgearbeitet

2.4000 ... 2.4999 Ni, Co 6 Warmausgehärtet, kaltnachgearbeitet

2.5000 ... 2.5999 Edelmetalle 7 Warmausgehärtet, ohne mechan. Nacharbeit

2.6000 ... 2.6999 Hochschmelzende Metalle 8 Entspannt, ohne vorherige Kaltverfestigung

2.7000 ... 2.9999 Reserve 9 Sonderbehandlungen

3 Leicht-metalle

3.0000 ... 3.4999 Al

3.5000 ... 3.5999 Mg

3.6000 ... 3.6999 Reserve

3.7000 ... 3.7999 Ti

3.8000 ... 3.9999 Reserve

Tabelle 1.18 Bezeichnungssystem von Nichteisenmetallen nach DIN-Nummernsystem

Bild 1.21 Leichtmetallgehäuse einer Wärmebildkamera


. .

Sortennummer

Anhängezahl


43

Grundlagen

Bezeichnungssystem von Nichteisenmetallen – Nummernsystem nach EU-Norm

DIN EN 573,DIN EN 1412,DIN EN 1754

Buchstabe für Werkstoff (auszugsweise) Erzeugnisform

A Aluminium A Anoden

M Magnesium B Blockform

Cu Kupfer C Gusswerkstoff

F Schweißzusatzwerkstoffe und Hartlote

M Vorlegierungen

R Raffiniertes Kupfer

S Werkstoff in Form von Schrott

W Knetwerkstoff

X Nicht genormte Werkstoffe

Tabelle 1.19 Numerisches Bezeichnungssystem von Nichteisenmetallen nach EU-Norm

Beispiele für Gussbezeichnungen:

Europäische Norm Bisher GARANT-Werkstoffgruppe(vgl. Kap. 1, Abschnitt 1.4.2)

Werkstoffnr. Kurzname Werk-stoffnr.

Kurzname

Aluminium und Al-Legierungen

EN AW–5754 EN AW-5754 [AlMg3] 3.3535 Al Mg 3 17.0

EN AC-43000 EN AC-43000 [AlSi10Mg] 3.2381.01 G-Al Si 10 Mg 17.1

EN AC-44200 EN AC-44200 [AlSi12] 3.2581 Al Si 12 17.2

Magnesium und Mg-Legierungen

EN MC 21110 EN-MC Mg Al 8 Zn 1 3.5812.01 G-Mg Al 8 Zn 1 18.0

Kupfer und Cu-Legierungen

CC 491 K CuSu5ZnPb5-C 2.1020 G-CuSu5ZnPb 19.0

CC 750 S CuZn33Pb2-C 20290.1 G-CuZn33Pb 20.0

CC 495 K CuSn10Pb10-C 2.1176.1 G-CuPb10Sn 21.0

EuropäischeNorm

Erzeugnisform

Buchstabe fürWerkstoff

5 Ziffern zur Kennzeichnung der chem.Zusammensetzung oder

Legierungshaupt- und -untergruppen +Kennbuchstabe oder

3-stellige Zählnummern +Kennbuchstabe

EN (-)


44


1.4.2 Einteilung in GARANT-WerkstoffmaterialgruppenTabelle 1.20 gibt einen Überblick über die Einteilung der Werkstoffe in verschiedene Ma-terialgruppen. In der nachfolgenden Tabelle 1.21 sind neben der Kennzeichnung derWerkstoffe, ihrer chemischen Zusammensetzung und Einsatzgebiete sowie Angaben zurErmittlung der Schnittkraft enthalten.

Material-gruppe

Bemerkung Seite

1.0

1.1

Allgemeine Baustähle bis 500 N/mm2

Allgemeine Baustähle bis 500–850 N/mm246

46

2.0

2.1

Automatenstähle bis 850 N/mm2

Automatenstähle mit 850–1000 N/mm246

47

3.0

3.1

3.2

Unlegierte Vergütungsstähle bis 700 N/mm2

Unlegierte Vergütungsstähle mit 700–850 N/mm2

Unlegierte Vergütungsstähle mit 850–1000 N/mm2

47

47

48

4.0

4.1

Legierte Vergütungsstähle mit 850–1000 N/mm2

Legierte Vergütungsstähle mit 1000–1200 N/mm248

48

5.0 Unlegierte Einsatzstähle bis 750 N/mm2 49

6.0

6.1

Legierte Einsatzstähle bis 1000 N/mm2

Legierte Einsatzstähle über 1000 N/mm250

50

7.0

7.1

Nitrierstähle bis 1000 N/mm2

Nitrierstähle über 1000 N/mm250

51

8.0

8.1

8.2

Werkzeugstähle bis 850 N/mm2

Werkzeugstähle mit 850–1100 N/mm2

Werkzeugstähle über 1100 N/mm2

51

51

52

9.0 Schnellarbeitsstähle mit 850–1200 N/mm2 53

10.0

10.1

10.2

Gehärtete Stähle mit 48–55 HRC



54

54

54

Tabelle 1.20 Einteilung der Werkstoffe in GARANT-Materialgruppen


45

Grundlagen

Tabelle 1.20 Fortsetzung Einteilung der Werkstoffe in GARANT-Materialgruppen

Material-gruppe

Bemerkung Seite

11.0

11.1

Verschleißfester Konstruktionsstahl mit 1350 N/mm2

Verschleißfester Konstruktionsstahl mit 1800 N/mm254

54

12.0 Federstähle bis 1500 N/mm2 54

13.0

13.1

13.2

13.3

Rostfreie Stähle – geschwefelt bis 700 N/mm2

Rostfreie Stähle – austenitisch bis 700 N/mm2

Rostfreie Stähle – austenitisch bis 850 N/mm2

Rostfreie Stähle – martensitisch/ferritisch bis 1100 N/mm2

55

55

57

60

14.0 Sonderlegierungen bis 1200 N/mm2 61

15.0

15.1

15.2

15.3

Gusseisen bis 180 HB (GG)

Gusseisen ab 180 HB (GG)

Gusseisen (Kugelgraphit, Temperguss) ab 180 HB (GGG, GT)

Gusseisen (Kugelgraphit, Temperguss) ab 260 HB

62

62

62

63

16.0

16.1

Titan, Ti-Legierungen bis 850 N/mm2

Titan, Ti-Legierungen mit 850–1200 N/mm263

64

17.0

17.1

17.2

Aluminium, Al-Legierungen bis 530 N/mm2

Aluminium, Al-Gusslegierungen < 10% Si bis 600 N/mm2

Aluminium, Al-Gusslegierungen > 10% Si bis 600 N/mm2

64

64

65

18.0 Magnesium, Mg-Legierungen 65

19.0

19.1

19.2

19.3

19.4

19.5

19.6

Kupfer, niedrig legiert bis 400 N/mm2

Messing, kurzspanend bis 600 N/mm2

Messing, langspanend bis 600 N/mm2

Bronze, kurzspanend bis 600 N/mm2

Bronze, kurzspanend mit 600–850 N/mm2

Bronze, langspanend bis 850 N/mm2

Bronze, langspanend mit 850–1200 N/mm2

65

66

66

66

66

67

67

20.0 Graphit 67


46

GA

RA

NT

Ze

rs

pa

nu

ng

sh

an

db

uc

hG

AR

AN

TZ

er

sp

an

un

gs

ha

nd

bu

ch

Tabelle 1.21 Einteilung in GARANT-Werkstoff-Materialgruppen

Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN

Haupt-wert der spezif. Schnitt-kraft

kc1.1 [N/mm2]

Anstieg der Tan-gente(s. Bild 1.43 u. Gl. 1.7)m

Festigkeit

[N/mm2]

Chemische Zusammensetzung [%] Verwendung

1.0 Allgemeine Baustähle bis 500 N/mm²

1.0037 St 37-2 1780 0,17 340–470 0,17 C; 1,4 Mn; 0,045 P; 0,045 S; 0,009 N Allgemeiner Baustahl

1.1 Allgemeiner Baustähle mit 500–850 N/mm²

1.0050 St 50-2 1990 0,26 470–610 0,17 C; 1,4 Mn; 0,045 P; 0,045 S; 0,009 N

Allgemeiner Baustahl

1.0060 St 60-2 2110 0,17 570–710 0,17 C; 1,4 Mn; 0,045 P; 0,045 S;0,009 N

Allgemeiner Baustahl

2.0 Automatenstähle bis 850 N/mm²

1.0711 9 S 20 1200 0,18 460–710 0,13 C; 0,05 Si; 0,6-1,2 Mn; 0,1 P; 0,18-0,25 S Einsatzgehärtete Massenteile für Autoindustrie

1.0718 9 S MnPb 28 1200 0,18 360–570 0,14 C; 0,9-1,3 Mn; 0,27-0,33 S; 0,15-0,35 Pb Massenteile für Autoindustrie (mit Pb-Zusatz ausgezeichnete Zerspanung)

1.0726 35 S 20 1200 0,18 540–740 0,32-0,39 C; 0,1-0,3 Si; 0,7-1,1 Mn; 0,18-0,25 S Massenteile mittlerer Festig-keit für Automobilindustrie

1.0727 45 S 20 1200 0,18 640–840 0,42-0,5 C; 0,1-0,3 Si; 0,7-1,1 Mn; 0,18-0,25 S Massenteile höherer Festigkeit für Automobilindustrie

1.0737 9 S MnPb 36 1200 0,18 490–740 0,15 C; 0,1-0,3 Si; 1,1-1,5 Mn; 0,1 P; 0,34-0,4 S; 0,15-0,35 Pb

Massenteile für Autoindustrie (mit Pb-Zusatz ausgezeichnete Zerspanung)


47

Gru

nd

lagen

Tabelle 1.21 Fortsetzung – Einteilung in GARANT-Werkstoff-Materialgruppen

Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


2.1 Automatenstähle mit 850–1000 N/mm²

1.0728 60 S 20 1200 0,18 670–880 0,57-0,65 C; 0,1-0,3 Si; 0,7-1,1 Mn; 0,06 Pmax, 0,18-0,25 S

Massenteile höchster Festigkeit, Automobilindustrie, Apparate-, Geräte- und Maschinenbau

3.0 Unlegierte Vergütungsstähle bis 700 N/mm²

1.0402 C 22 1800 0,16 470–620 0,17-0,24 C; 0,4 Si; 0,4-0,7 Mn; 0,4Cr; 0,4Ni; Bauteile mit geringer Bean-spruchung

1.0501 C 35 1516 0,27 600–750 0,32-0,39 C; 0,4 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,4 Cr; 0,4 Ni

Bauteile mit etwas höherer Beanspruchung

1.1180 Ck 35 1860 0,20 600–750 0,32-0,39 C; 0,4 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,4 Cr; 0,4 Ni

Bauteile für etwas höhere Beanspruchung im allg. Masch.- und Fahrzeugbau

3.1 Unlegierte Vergütungsstähle mit 700–850 N/mm²

1.0503 C 45 1680 0,26 650–800 0,42-0,5 C; 0,4 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,4 Cr; 0,4 Ni

Bauteile mittlerer Beanspru-chung

1.1191 Ck 45 2220 0,14 650–800 0,42-0,5 C; 0,5-0,8 Mn,0,1 Mo; 0,4 Ni Bauteile mittlerer Beanspru-chung im allg. Maschinen- und Fahrzeugbau


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


3.2 Unlegierte Vergütungsstähle mit 850–1000 N/mm²

1.1167 36 Mn 5 1710 0,27 640–1080 0,32-0,4 C, 0,4 Si; 1,2-1,5 Mn; 0,035 P; 0,035 S

Bauteile höherer Festigkeit für allg. Maschinenbau

1.1221 Ck 60 2130 0,18 750–1000 0,57-0,65 C; 0,4 Si; 0,6-0,9 Mn; 0,4 Cr; 0,4 Ni

Bauteile für hohe Beanspru-chung im allg. Maschinen- und Fahrzeugbau

4.0 Legierte Vergütungsstähle mit 850–1000 N/mm²

1.7003 38 Cr 2 2070 0,25 800–950 0,35-0,42 C; 0,5-0,8 Mn; 0,4-0,6 Cr; 0,4 Simax, 0,035 Pmax, 0,035 Smax

Höher beanspruchte Bauteile im Fahrzeug-, Motoren- und Maschinenbau wie Getriebe-teile, Achsen, Wellen

1.7030 28 Cr 4 2070 0,25 850–1000 0,24-0,31 C; 0,6-0,9 Mn; 0,9-1,2 Cr; 0,4 Simax, 0,035 Pmax, 0,030 Smax

Kleine Teile höherer Beanspru-chung im Fahrzeug-, Motoren- und Maschinenbau wie Getrie-beräder, Antriebswellen


1.7218 25 CrMo 4 2070 0,25 650–1100 0,22-0,29 C; 0,6-0,9 Mn; 0,9-1,2 Cr; 0,15-0,3 Mo Teile im Automobil- und Fahr-zeugbau, Achsschenkel, Achs-wellen, Turbinenteile

1.6582 34 CrNiMo 6 1800 0,27 800–1400 0,3-0,38 C; 0,4 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,035 P; 0,035 S; 1,3-1,7 Cr; 0,15-0,3 Mo; 1,3-1,7 Ni

hochverschleißfeste Teile im Automobil- und Motorenbau, Kurbelwellen, Steuerungsteile, Getriebeteile


49

Gru

nd

lagen

Tabelle 1.21 Fortsetzung – Einteilung in GARANT-Werkstoff-Materialgruppen – Fortsetzung GARANT-Materialgruppe 4.1

Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]



1.7220 34 CrMo 4 2240 0,21 750–1200 0,3-0,37 C; 0,6-0,9 Mn; 0,9-1,2 Cr; 0,15-0,3 Mo Bauteile hoher Zähigkeit im Automobil- und Fahrzeugbau, Kurbel- und Achswellen, Achsschenkel, Pleuelstangen

1.7225 42 CrMo 4 2500 0,26 800–1300 0,38-0,45 C; 0,6-0,9 Mn; 0,9-1,2 Cr; 0,15-0,3 Mo Bauteile hoher Zähigkeit im Automobil- und Fahrzeugbau, Kurbel- und Achswellen, Achs-schenkel, Pleuelstangen

1.7707 30 CrMoV 9 1710 0,27 900–1450 0,26-0,34 C; 0,4 si; 0,4-0,7 Mn; 0,035 P; 0,035 S; 2,3-2,7 Cr; 0,15-0,25 Mo; 0,1-0,2 V

Bauteile hoher Zähigkeit im Automobil- und Fahrzeugbau, Kurbelwellen, Bolzen, Schrauben

1.8159 50 CrV 4 2220 0,26 850–1300 0,47-0,55 C; 0,7-1,1 Mn; 0,9-1,2 Cr; 0,1-0,25 V hochverschleißfeste Teile im Automobil- und Getriebebau, Zahnräder, Antriebsritzel, Wellen, Gelenkteile

5.0 Unlegierte Einsatzstähle bis 750 N/mm²

1.0401 C 15 1820 0,22 590–880 0,12-0,18 C; 0,4 Si; 0,3-0,6 Mn; 0,045 P; 0,045 S; 0,009 N

Bau- und Maschinenteile

1.1141 Ck 15 1630 0,17 590–740 0,12-0,18 C; 0,4 Si; 0,3-0,6 Mn; 0,035 P; 0,035 S Kleine Maschinenbauteile mit niedriger Kernfestigkeit


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


6.0 Legierte Einsatzstähle bis 1000 N/mm²

1.5919 15CrNi6 2100 0,26 500–590 0,14-0,19 C; 0,4 Si; 0,4-0,6 Mn;0,035 Pmax; 1,4-1,7 Cr, 1,4-1,7 Ni,0,035 Smax

Bauteile im Fahrzeug-, Moto-ren- und Apparatebau wie Antriebsritzel, Kolbenbolzen, Getriebewellen

1.7012 13Cr2 2100 0,26 690–930 0,1-0,16 C; 0,15-0,35 Si; 0,4 -0,6 Mn; 0,035 Pmax; 0,3 -0,5 Cr,4,25-4,75 N, 0,035 Smax

Kleinere Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau mit erfor-derlichen erhöhten Verschleiss-widerstand wie Nockenwellen, Kolbenbolzen, Zylinder

1.7131 16MnCr5 2100 0,26 500 0,14-0,19 C; 0,4 Si; 1,0-1,3 Mn;0,035 P; 0,8-1,1 Cr

Zahnräder, Teller- und Getrie-beräder, Wellen, Bolzen, Zapfen

6.1 Legierte Einsatzstähle über 1000 N/mm²

1.7147 20 MnCr 5 2140 0,25 800–1400 0,17-0,22 C; 0,4 Si; 1,1-1,4 Mn; 0,035 P; 0,035 S; 1,0-1,3 Cr

Getriebe- und Gelenkteile, Zahnräder, Teller- und Kegelrä-der, Wellen, Bolzen, Teile für höhere Kernfestigkeit

1.7262 15 CrMo 5 2290 0,17 640–1180 0,15-0,35 C; 0,15-0,35 Si; 0,8-1,1 Mn; 1,0-1,3 Cr; 0,2-0,3 Mo

stark auf Verschleiß bean-spruchte Teller- und Getriebe-räder, Zahnräder, Kurbelwellen, Bolzen, Buchsen

7.0 Nitrierstähle bis 1000 N/mm²

1.8507 34 CrAIMo 5 1740 0,26 800–1000 0,3-0,37 C; 0,4 Si; 0,5-0,8 Mn; 1,0-1,3 Cr; 0,8-1,2 Al

Heißdampfarmaturenteile hoher Dauerstandfestigkeit, Teile bis 80 mm Dicke


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Gru

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lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


7.0 Nitrierstähle bis 1000 N/mm²

1.8504 34 Cr Al 6 1740 0,26 < 780 0,3-0,37 C; 0,15-0,35 Si; 0,6-0,9 Mn; 0,035 Pmax; 0,035 Smax, 0,8-1,1 Al, 1,2-1,5 Cr

Heißdampfarmaturenteile, Ventilspindeln, Kolbenstangen

1.8506 34 Cr Al S 5 1740 0,26 < 930 0,3-0,37 C; 0,15-0,4 Si; 0,6-0,9 Mn; 0,1 Pmax; 0,07-0,11 S, 0,8-1,2 Al, 1,0-1,3 Cr

Verschleißsteile hoher Oberflä-chenhärte

7.1 Nitrierstähle über 1000 N/mm²

1.8519 31 Cr Mo V 9 1740 0,26 1000–1200 0,26-0,34 C; 0,4 Si; 0,4-0,7 Mn; 0,025 Pmax; 0,03 Smax, 2,3-2,7 Cr, 0,15-0,25 Mo, 0,1-0,2 V

Heißdampfarmaturenteile, Ventilspindeln, Kurbelwellen, Verschleißteile

8.0 Werkzeugstähle bis 850 N/mm²

1.1730 C 45 W 1680 0,26 < 190 HB 0,4-0,5 C; 0,15-0,4 Si; 0,6-0,8 Mn; 0,035 P; 0,035 S

Unleg. Werkzeugstahl, Getrie-beräder, Antriebswellen, Auf-baumaterial für Schnitte und Stanzen

1.2067 100 Cr 6 1410 0,39 < 223 HB 0,95-1,1 C; 0,15-0,35 Si; 0,25-0,45 Mn; 0,03 Pmax; 0,03 Smax, 1,35-1,65 Cr

Schnittwerkzeuge, Kaltwalzen, Ziehdorne, Gewindewerkzeuge

8.1 Werkzeugstähle mit 850–1100 N/mm²

1.2312 40CrMnMoS 8-6 1800 0,27 1100–1150 0,34-0,45 C; 0,3-0,5 Si; 1,4-1,6 Mn; 0,03 P; 0,05-0,1 S; 1,8-2,0 Cr; 0,15-0,25 Mo

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Werkzeuge für die Kunststoff-verarbeitung, Formrahmen, gut zerspanbar


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


8.1 Werkzeugstähle mit 850–1100 N/mm²

1.2316 X 36 CrMo 17 1820 0,26 < 285 HB 0,33-0,43 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 15-17 Cr; 1,0-1,3 Mo; 1,0 Ni; 1,0 Ti

Werkzeugstahl für die Kaltar-beit, Korrosionsbeständiger Sonderstahl für Pressformen zum Verpressen chemisch angreifender Massen

1.2363 X100CrMo V51 1820 0,26 < 231 HB 0,95-1,05 C; 0,35-0,65 Mn; 4,5-5,5 Cr; 0,9-1,4 Mo

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Schnitt- und Stanzwerkzeuge, Gewindewalzbacken

8.2 Werkzeugstähle über 1100 N/mm²

1.2080 X210Cr12(RCC) 1820 0,26 < 248 HB 1,9-2,2 C; 0,1-0,4 Si; 0,15-0,45 Mn; 11-12 Cr; 0,1-0,4 Ti

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Hochleistungsschnitt- und Stanzwerkzeuge, Stempel, Messerbacken, Räumnadeln, Ziehmatrizen u. -dorne

1.2344 X40 CrMo V51 1820 0,26 1130-1960 0,37-0,43 C; 0,9-1,2 Si 0,25-0,55 Mn; 4,5-5,5 Cr; 1,2-1,7 Mo

Werkzeugstahl für Warmarbeit, Press- und Lochdorne an Metallstrangpressen, Leicht-metall-Druckgussformen

1.2379 X155Cr VMo12 1 1820 0,26 < 255 HB 1,5-1,6 C; 0,15-0,45 Mn; 11-12 Cr; 0,9-1,1 V Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Bruchempfindliche Schnitte, Gewindewalzbacken und -rollen, Schermesser, Räum-nadeln, Fräser

1.2436 X 210 CrW 12 1820 0,26 < 255 HB 2,0-2,25 C; 0,15-0,45 Mn; 11-12 Cr; 0,6-0,8 W Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Hochleistungsschnitt- und Stanzwerkzeuge, Stempel, Messerbacken, Räumnadeln, Ziehdorne, Holzfräser


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Gru

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lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


8.2 Werkzeugstähle über 1100 N/mm²

1.2710 45 NiCr 6 1710 0,27 930–1960 0,4-0,5 C; 0,15-0,35 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,035 P; 0,035 S; 1,2-1,5 Cr; 1,5-1,8 Ni

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, zähe Kaltscherenmesser, Ach-sen für Stützwalzen

1.2721 50 NiCr 13 1710 0,27 < 250 HB 0,45-0,55 C; 0,15-0,35 Si; 0,4-0,6 Mn; 0,035 P; 0,035 S, 0,9-1,2 Cr; 3,0-3,5 Ni

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Kaltschlagmatrizen aller Art, Massivprägewerkzeuge, Sche-renmesser

1.2767 X 45 NiCrMo 4 1820 0,26 < 262 HB 0,4-0,5 C, 0,1-0,4 Si; 0,15-0,45 Mn; 0,03 P 0,03 S;1,2-1,5 Cr; 0,15-0,35 Mo; 3,8-4,3 Ni

Werkzeugstahl für Kaltarbeit, Präge-, Biegewerkzeuge, Druckleisten an Abkantpres-sen, Scherenmesser für dickstes Schneidgut

9.0 Schnellarbeitsstähle mit 850–1200 N/mm²

1.3255 S 18-1-2-5 1820 0,26 240–300 HB 0,75-0,83 C; 0,45 Si; 0,4 Mn; 0,03 P; 0,03 S 3,8-4,5 Cr; 0,5-0,8 Mo; 17,5-18,5 W; 1,4-1,7 V 4,5-5,0 Co

Dreh-, Hobel- u. Stoßmesser, Schruppfräser, hervorragende Schneidkraft und Zähigkeit

1.3265 S 18-1-2-10 1820 0,26 240–300 HB 0,72-0,8 C; 0,45 Si; 0,4 Mn; 0,03 P; 0,03 S; 3,8-4,5 Cr; 0,5-0,8 Mo; 17,5-18,5 W; 1,4-1,7 V; 9-10 Co

Dreh-, Hobelmesser, Fräser bester Warmhärte zum Bear-beiten von Stählen

1.3243 S 6-5-2 (DMo 5) 1820 0,26 240–300 HB 0,86-0,94 C; 0,45 Si; 0,4 Mn; 0,03 P; 0,03 S; 3,8-4,5 Cr; 4,5-7,2 Mo; 6,0-6,7 W; 1,7-2,0 V

Reibahlen, Spiral- und Gewin-debohrer, Fräser, Räumnadeln, Dreh-, Hobel- und Zahnrad-stoßmesser


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


10.0 Gehärtete Stähle mit 48–55 HRC



11.0 Verschleißfester Konstruktionsstahl mit 1350 N/mm²

Hardox 400 – – 1350 nach Herstellerangaben Verschleißteile

11.1 Verschleißfester Konstruktionsstahl mit 1800 N/mm²

Hardox 500 – – 1800 nach Herstellerangaben Verschleißteile

12.0 Federstähle bis 1500 N/mm²

1.5023 38 Si 7 1800 0,27 1180–1370 0,35-0,42 C; 1,5-1,8 Si; 0,5-0,8 Mn; 0,03 Pmax; 0,03 Smax

Blattfedern, Federplatten, Federringe

1.7176 55 Cr 3 1800 0,27 1370–1620 0,52-0,59 C; 0,25-0,5 Si; 0,7-1,1 Mn; 0,03 Pmax; 0,03 Smax

Warmgeformte Federn, Dreh-stabfedern, Schraubenfedern für den Fahrzeugbau

1.8159 50 Cr V 4 2220 0,26 1100–1300 0,47-0,55 C; 0,4 Si; 0,7-1,1 Mn; 0,035 Pmax;0,03 Smax; 0,9-1,2 Cr; 0,1-0,2 V

Feder- und Werkzeugstahl, hochbeanspruchte Teile im Flugzeug-, Motoren- und Maschinenbau wie Gelenk- und Getriebeteile, Achsen


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Gru

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lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


13.0 Rostfreie Stähle -geschwefelt bis 700 N/mm²

1.4104 X 14 Cr Mo S 17 1820 0,26 650–850 0,1-0,17 C; 1,0 Si; 1,5 Mn; 0,04 P; 0,15-0,35 S; 15,5-17,5 Cr; 0,2-0,6 Mo

Konstruktionsteile für Automatenbearbeitung (Schrauben, Achsen)

1.4305 X 8 Cr Ni S 18-9 2088 0,29 500–750 0,1C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,15-0,35 S; 17-19 Cr; 8-10 Ni; 0,11 N; 1,0 Cu

nichtrostende Teile für Nah-rungsmittelindustrie, Foto-, Farben-, Öl-, Seifen-, Papier- und Textilindustrie

13.1 Rostfreie Stähle -austenitisch bis 700 N/mm²

1.4000 X 6 Cr 13 1820 0,26 400–700 0,08 C, 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 12-14 Cr

Konstruktionsteile in Wasser und Dampf, Beschläge, Verklei-dungen,

1.4002 X 6 CrAl 13 1820 0,26 400–700 0,08 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P;0,03 S; 13-15 Cr, 0,1-0,3 Al

Apparatebau der Erdölindustrie (z.B. Crackanlagen), geschweißte Teile des Wasser-kraftwerkbaus

1.4016 X 6 Cr 17 1820 0,26 400–630 0,08 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 16-18 Cr

Schrauben und Formteile, bei Korrosionserscheinungen

1.4113 X 6 Cr Mo 17-1 2600 0,19 440–660 0,08 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 16-18 Cr; 0,9-1,3 Mo

Radkappen, Stoßstangen, Kühlergrill, Griffe,

1.4510 X 6 Cr Ti 17 1820 0,26 450–600 0,05 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 16-18 Cr Chem. Apparatebau, Nahrungsmittel-, Färberei- u. Seifenindustrie

1.4512 X 6 Cr Ti 12 1820 0,26 390–560 0,03 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,015 S; 10,5-12,5 Cr

Schalldämpfer

1.4301 X 5 CrNi 18 10 2350 0,21 500–700 0,07 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 17-19 Cr; 0,5 Mo; 9-11,5 Ni

Apparate und Geräte für Nahrungsmittelindustrie


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]



1.4303 X 5 CrNi 18 12 2350 0,21 490–690 0,06 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 17-19 Cr; 11-13 Ni

Chemische Industrie, Schrau-ben, Muttern, Kaltfließpressteile

1.4306 X 2 CrNi 19 11 2350 0,21 460–680 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 18-20 Cr; 10-12,5 Ni

Nahrungsmittelindustrie, Seifen-, Kunstfaserindustrie

1.4401 X5CrNiMo 17 12 2 2600 0,19 530–680 0,07 C; 1 Si; 2 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 0,11 N; 16,5- 18,5 Cr; 2-2,5 Mo; 10-13 Ni

Teile und Apparate für chem. und Textilindustrie

1.4404 GX2 CrNiMo 18 10 2600 0,19 530–680 0,03 C; 1 Si; 2 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 16,5-18,5 Cr; 2-2,5 Mo; 10-13 Ni; 0,11 N

Teile für chem. Industrie, Farben-, Öl- und Textilindustrie

1.4417 X2CrNiMoSi19 5 3 2600 0,19 >650 0,03 C; 1 Si; 1,5 Mn; 0,03 P; 0,02 S; 24-26 Cr; 3-4 Mo; 6-8,5 Ni; 0,15-0,25 N; 1 Cu; 1 W

Rost- und säurebeständiger Stahl

1.4435 X2CrNiMo 18 14 3 2600 0,19 550–700 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 17-19 Cr; 2,5-3 Mo; 12,5-15 Ni; 0,11 N

geschweißte Teile erhöhter chem. Beständigkeit in der Zellstoff- und Textilindustrie

1.4436 X5CrNiMo 17 13 3 2600 0,19 550–700 0,05 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 16,5-18,5 Cr; 2,5-3 Mo; 10,5-13 Ni; 0,11 N

geschweißte Teile erhöhter chem. Beständigkeit in der Zellstoff- und Textilindustrie

1.4438 X2CrNiMo 18 16 4 2600 0,19 550–700 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 17,5-19 Cr; 3-4 Mo; 13-16 Ni; 0,11 N

Apparate der chem. Industrie


57

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]



1.4550 X 6 CrNiNb 18 10 2550 0,18 500–700 0,08 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 17-19 Cr; 9-12 Ni

Bauteile der Nahrungs-mittelind.

1.4845 X 12 CrNi 25-21 2550 0,18 500–700 0,1 C; 1,5 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 24-26 Cr; 19-22 Ni; 0,11 N

für Teile in Industrieöfen, Dampfkesseln, Erdölanlagen


1.4005 X 12 CrS 13 1820 0,26 650–850 0,08-0,15 C; 1,0 Si, 1,5 Mn; 0,04 P; 0,15-0,35 S; 12-14 Cr; 0,6 Mo

Teile aller Art wie Schrauben, Muttern, Bolzen, Konstruktions-teile in Wasser und Dampf

1.4006 X 10 Cr 13 1820 0,26 650–850 0,08-0,15 C; 1,0 Si, 1,5 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 11,5-13,5 Cr; 0,75 Ni

Konstruktionsteile in Wasser und Dampf sowie mild wirken-den Medien der Lebensmittel-industrie, vorwiegend im vergüteten Zustand

1.4021 X 20 Cr 13 1820 0,26 700–850 0,16-0,25 C; 1,0 Si; 1,5 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 12-14 Cr

Achsen, Wellen, Pumpenteilen, Kolbenstangen, Ventilkegel, Düsennadeln, Schiffsschrau-ben, chirurgische Instrumente.

1.4031 X 38 Cr 13 1820 0,26 800 0,36-0,42 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 12,5-14,5 Cr

Schneidwaren, Kugellager-kugeln, Federn, Kolbenstangen

1.4034 X 46 Cr 13 1820 0,26 800 0,43-0,5 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 12,5-14,5 Cr



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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


13.2 Rostfreie Stähle – austenitisch bis 850 N/mm²

1.4935 X20CrMoWV121 1820 0,26 690–830 0,17- 0,25 C; 0,1- 0,5 Si; 0,3-0,8 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 11,0-12,5 Cr; 0,8-1,2 Mo; 0,3-0,8 Ni; 0,25-0,35 V; 0,4-0,6 W

Teile in Wärmekraftanlagen, im Dampfkessel- und Turbinen-bau, Wärmetauscher

1.4311 X 2 CrNiN 18 10 2550 0,18 550–760 0,03 C; 1 Si; 2 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 16,5-17 Cr; 8,5-11,5 Ni; 0,12-0,22 N

Druckgefäße für den Apparate-bau, Nahrungsmittelindustrie

1.4362 X 2 CrNiN 23 4 2550 0,18 600–850 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,035 P; 0,015 S; 22-24 Cr; 0,1-0,6 Mo; 3,5-5,5 Ni; 0,05- 0,2 N; 0,1-0,6 Cu

hochfester Werkstoff für chemischen Apparatebau

1.4371 X12CrMnNi18 8 5 2550 0,18 650–850 0,03 C; 1 Si; 6-8 Mn; 0,045P; 0,015 S; 0,15-0,2 N; 16-17 Cr; 3,5-5,5 Ni

Rost- und säurebeständiger Stahl

1.4429 X2CrNiMoN1713 3 2600 0,19 580–780 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 16,5-18,5 Cr; 2,5-3 Mo; 11-14 Ni; 0,12-0,22 N

Druckbehälter erhöhter chem. Beständigkeit

1.4539 X2NiCrMoCu25205

2550 0,18 530–730 0,02 C; 0,7 Si; 2,0 Mn; 0,03 P; 0,01 S; 19-21 Cr; 4-5 Mo; 24-26 Ni; 0,15 N; 1,2-2,0 Cu

chem. und petrochem. Indu-strie, Zellstoff- und Papier-industrie

1.4541 X 6 CrNiTi 18-10 (V4A)

2550 0,18 520–720 0,08 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 17-19 Cr; 9-12 Ni; 0,7 Ti

Bauteile der Luft- und Raum-fahrt sowie der Nahrungs-mittelindustrie

1.4544 X 10 CrNiTi 18 9 2550 0,18 500–750 0,08 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,035 P; 0,025 S; 17-19 Cr; 9-11,5 Ni

Bauteile der Luft- und Raum-fahrt


59

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]



1.4546 X 5 CrNiNb 18-10 2550 0,18 500–750 0,08 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 17-19 Cr; 9-11,5 Ni; 1,0 Nb

für höhere Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Kaltumformbarkeit bei gerin-ger Festigkeit

1.4571 X6CrNiMoTi17 12 2

2550 0,18 540–690 0,08 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 16,5-18,5 Cr; 2-2,5 Mo; 10,5-13,5 Ni

Apparate der chem. Industrie,

1.4573 X 10 CrNiMoTi 18-12

2550 0,18 490–740 0,1 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 16,5-18,5 Cr; 2,5-3 Mo; 12-14,5 Ni

Apparate der chem., Textil-, Foto-, Farben-, Kunstharz- u. Gummiind.

1.4583 X 10 CrNiMoNb 18-12

2550 0,18 490–740 0,1 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 16,5-18,5 Cr; 2,5-3 Mo; 12-14,5 Ni

geschweißte Teile für Textil-, Farben- und Treibstoffindustrie

1.4828 X 15 CrNiSi 20-12 2550 0,18 550–750 0,2 C; 1,5-2 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 19-21 Cr; 11-13 Ni, 0,11 N

für Luftvorwärmer

1.4841 X 15 CrNiSi 25-20 2550 0,18 550–800 0,2 C; 1,5-2,5 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 24-26 Cr; 19-22 Ni

für Teile von Wärmebehand-lungsöfen

1.4864 X 12 NiCrSi 36-16 2550 0,18 550–750 0,15 C; 1-2 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 15-17 Cr; 33-37 Ni; 0,11 N

für Teile im Ofen- und Appara-tebau für hohe Betriebstempe-raturen

1.4878 X 12 CrNiTi 18-9 2550 0,18 500–750 0,12 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,045 P; 0,03 S; 17-19 Cr; 9-11,5 Ni

für Teile unter hoher mechani-scher Beanspruchung


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


13.3 Rostfreie Stähle -martensitisch/ferristisch bis 1100 N/mm²

1.4028 X 30 Cr 13 1820 0,26 800–1000 0,26-0,35 C; 1,0 Si; 1,5 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 12-14 Cr


1.4057 X 17 Cr Ni 16-2 1820 0,26 800–950 0,12-0,22 C; 1,0 Si; 1,5 Mn; 0,04 P; 0,03 S; 15-17 Cr; 1,5-2,5 Ni

hochbeanspruchte Maschinen-teile, Schrauben, Muttern im Pumpen- und Verdichterbau, Schiffbau

1.4923 X22CrMo V 12 1 1820 0,26 800–900 0,17-0,23 C; 0,5 Si; 1,0 Mn; 0,03 P; 0,03 S; 10-12,5 Cr; 0,8-1,2 Mo; 0,3-0,8 Ni; 0,25-0,35 Ti

Bauteile für Reaktortechnik, chemische Industrie, Turbinen-, Dampfkessel- und Rohr-leitungsbau

1.4310 X 12 CrNi 177 2350 0,21 600–950 0,05-0,15 C; 2 Si; 2 Mn; 0,045 P; 0,015 S; 16-19 Cr; 0,8 Mo; 6-9,5 Ni; 0,11 N

Bleche höherer Festigkeit für den Fahrzeugbau, Federn

1.4460 X 8 CrNiMo 27 05 2600 0,19 620–880 0,05 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,035 P; 0,015 S; 25-28 Cr; 1,3-2 Mo; 4,5-6,5 Ni; 0,05-2,0 N

Teile für hohe chem. und mechanische Beanspruchung, z.B. im Schiffbau

1.4462 X 2 CrNiMoN 225 3

2550 0,18 660–950 0,03 C; 1,0 Si; 2,0 Mn; 0,035 P; 0,015 S; 21-23 Cr; 2,5-3,5 Mo; 4,5-6,5 Ni; 0,1-0,22 N

chemische und petrol-chemische Industrie

1.4980 X 5 NiCrTi 26 15 2600 0,19 <1100 0,08 C; 2,0 Si; 2,0 Mn; 0,03 P; 0,03 S; 1,35-16 Cr; 1,0-1,5 Mo; 24-27 Ni; 1,9-2,3 Ti; o,1-0,5 V; 0,35 Al

für Strangpresswerkzeuge


61

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werk-stoff-nummer

Kurzzeichen DIN Haupt-wert der spezif. Schnitt-kraft

kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


13.3 Rostfreie Stähle –* martensitisch/ferristisch bis 1100 N/mm²

2.4631 NiCr 20 TiAl 2088 0,29 >=1030 0,04-0,1 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,02 P; 0,015 S; 18-21 Cr; 65 Ni; 1,8-2,7 Ti; 1,0-1,8 Al; 2,0 Co; 0,2 Cu; 1,5 Fe

Verwendung für Gasturbinen-schaufeln, -ringe und -scheiben

2.4632 NiCr 20 Co 18 Ti 2088 0,29 >=1080 0,1 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,03 P; 0,015 S; 18-21 Cr; 1,0-2,0 Al; 15-21 Co; 0,2 Cu; 2,0 Fe; Rest Ni

für höchstbeanspruchte Bauteile, wie z. B. Gasturbinenschaufeln, Warmarbeitswerkzeuge, Press-werkzeuge, Schmiedehämmer, Schermesser, Federn

14.0 Sonderlegierungen bis 1200 N/mm²

2.4634 Nimonic 105(NiCo20Cr15MoAlTi)

2088 0,29 1140 0,12-0,17 C; 1,0 Si; 1,0 Mn; 0,015 S; 4,5-4,9 Al, 0,003-0,01 B, 18-22 Co; 14-15,7 Cr

Luftfahrtwerkstoff, in Gasturbinen für Schaufeln, Scheiben, Wellen

2.4602 Hastelloy C22(NiCr21Mo14W)

2088 0,29 690–950 0,01 C; 0,08 Si; 0,5Mn, 0,025 P; 0,01 S; 2,0-6,0 Fe, 2,5 Co, 20-22,5 Cr; 12,5-14,5 Mo, 2,5-3,5 W, 0,35 V, 50 Ni min

Hervorragende Beständigkeit in oxidierenden Medien, Rühr-werke, Wärmetauscher, Abgassysteme, Chem. Industrie für Zentrifugen

2.4360 Monel 400(NiCu30Fe)

2600 0,19 450–700 62 Ni min 1,0 Co; 28-34 Cu, 1,0-2,5 Fe, 0,15 C, 0,5 Al, 2,0 Mn, 0,02 S, 0,5 Si, 0,3 Ti

Luftfahrtwerkstoff mit günstigen mech. und korrosionschemi-schen Eigenschaften, Druckbehäl-terbau,Zentrifugen, Schiffsventile

2.4668 Inconell 718(NiCr19NbMo)

2088 0,29 960–1240 50-55 Ni, 17-21 Cr, 2,8-3,3 Mo, 0,02-0,08 C, 0,35 Si, 0,35 Mn, 0,015 P, 0,015 S, 0,2 Cu, 4,8-5,5 Nb, 1,0 Co, 0,3-0,7Al, 0,7-1,15bTi, 0,002-0,006 B, 11,3 Fe min

Luftfahrtwerkstoff, ausgezeich-nete Eigenschaften im Tiefsttem-peraturbereich, sehr gute Korro-sionsbeständigkeit, Raketentrieb-werke, Gasturbinen, Pumpen


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


15.0 Gusseisen bis 180 HB (GG)

0.6015 GG 15 950 0,21 150-200(80–155 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15 S

Getriebegehäuse, Werkzeugma-schinenständer, Turbinenge-häuse, Führungsleisten

0.6020 GG 20 1020 0,25 200–300(115–205 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15 S


15.1 Gusseisen ab 180 HB (GG)

0.6025 GG 25 1160 0,26 250–350(155–250 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15 S


0.6030 GG 30 1470 0,26 300–400(195–270 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15 S


0.6035 GG 35 1470 0,26 350–450(275–285 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15


0.6040 GG 40 1470 0,26 400–500(290–350 HB)

3,0-3,5 C; 1,5-2,5 Si; 0,5-1,0 Mn; 0,5-0,7 P; 0,15


15.2 Gusseisen (Kugelgraphit, Temperguss) ab 180 HB (GGG, GT)

0.7040 GGG-40 1005 0,25 400(135–185 HB)

Die chem. Zusammensetzung bleibt wei-testgehend dem Hersteller überlassen.

Kurbelwellen, Walzen, Zahnräder, schlagbeanspruchte Teile im Fahr-zeugbau


63

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


15.2 Gusseisen (Kugelgraphit, Temperguss) ab 180 HB (GGG, GT)

0.7060 GGG-60 1050 0,48 600 (200–250 HB)

3,5-3,8 C; 2-3 Si; 0,4 Mn; 0,1 P; 0,01 S; 0,06-0,12 Mg

Kurbelwellen, Walzen, Zahnräder, schlagbeanspruchte Teile im Fahrzeugbau

0.8040 GTW-40 2060 0,19 360–420(220 HB)

3,0-3,4 C; 0,4-0,8 Si; 0,4-0,6 Mn; 0,12-0,25 S Getriebegehäuse, Bremstrom-meln, Kurbelwellen, Pleuel, Schaltgabeln, Hebel

15.3 Gusseisen (Kugelgraphit, Temperguss) ab 260 HB

0.7080 GGG-80 1132 0,44 800 (270–335 HB)

3,5-3,8 C; 2-3 Si; 0,4 Mn; 0,1 P; 0,01 S; 0,06-0,12 Mg

Kurbelwellen, Walzen, Zahnräder, schlagbeanspruchte Teile im Fahr-zeugbau

0.8165 GTS-65 1180 0,24 650(210–260 HB)

2,3-2,6 C; 1,2-1,5 Si; 0,4-0,5 Mn; 0,1 P; 0,1-0,15 S

Fahrwerkteile wie Nockenwellen, Radnaben, Gelenkköpfe, Schwenklager, Schlossteile

16.0 Titan, Titanlegierungen bis 850 N/mm²

3.7025 Ti 1 1370 0,21 290–410 0,15 Fe; 0,12 O; 0,05 N; 0,06 C; 0,013 H Chemischer Apparatebau, Galvanotechnik, Luft- und Raum-fahrzeugbau

3.7124 Ti Cu 2 1370 0,21 540–650 2,0-3,0 Cu, 0,2 Fe; 0,2 O; 0,1 C; 0,05 N, 0,01 H, 96,4 Ti min

Luftfahrtwerkstoff, komplexe Bauteile, Triebwerksgehäuseteile

3.7114 Ti Al 5 Sn 2,5 1370 0,21 790–830 4,5-5,5 Al, 2,0-3,0 Sn, 0,5 Fe, 0,2 O, 0,08 C, 0,05 N, 0,015 H, 90,3 Ti min

Luftfahrtwerkstoff


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Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


16.1 Titan, Titanlegierungen mit 850–1200 N/mm²

3.7115 Ti Al 5 Sn 2.5 1370 0,21 >=830 4,5.. 55 Al; 2..3 Sn; Rest Ti Luft- und Raumfahrzeugbau, Armaturen, Maschinenbau

3.7164 Ti Al 6 V 4 1370 0,21 >=900 5,5..6,75 Al; 3,5..4,5 V; Rest Ti Luft- und Raumfahrzeugbau, Armaturen, Maschinenbau

17.0 Aluminium, Aluminiumlegierungen bis 530 N/mm²

3.3561 G–Al Mg 5 780 0,23 160–220 4,5-5,5 Mg; 0,001-0,4 Mn; 0,001-0,2 Ti Gussstücke in der chemischen und Nahrungsmittelindustrie

3.3535 Al Mg 3 780 0,23 190–290 2,6-3,6 Mg; (Mn+Cr 0,1-0,6) Nahrungsmittelindustrie, Appa-ratebau, Fahrzeugbau, Schiffbau

3.3527 Al Mg 2 Mn 0,8 780 0,23 190–290 1,6-2,5 Mg; 0,5-1,1 Mn für höhere Temperaturen, Fahr-zeugbau, Schiffbau, Apparatebau

3.3547 Al Mg 4,5 Mn 780 0,23 275–345 4,0-4,9 Mg; 0,4-1,0 Mn; 0,05-0,25 Cr Fahrzeugbau, Schiffbau, Druck-behälter

17.1 Aluminium- Aluminiumgusslegierungen <10% Si bis 600 N/mm²

3.2151 G–Al Si 6 Cu 4 830 0,23 160–200 5,0-7,5 Si; 3,0-5,0 Cu; 0,1-0,6 Mn; 0,1-0,5 Mg vielseitig verwendbar im Maschi-nenbau, Zylinderköpfe

3.2341 G–Al Si 5 Mg 830 0,23 140–180 91,8 Al [laut DIN: Al Rest]; 5- 6 Si; 0,001-0,4 Mn; 0,001-0,20 Ti; 0,4-0,8 Mg; 0,05 Cu; 0,5 Fe; 0,10 Zn

Teile für die Nahrungsmittel- und chemische Industrie, Beschläge

3.2381.01 G–Al Si 10 Mg 830 0,23 160–210 9-11 Si; 0,2-0,5 Mg; 0,001-0,4 Mn Dünnwandige , druck- und schwingungsfeste Gussstücke, Motorengehäuse


65

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


17.1 Aluminium-Aluminiumgusslegierungen <10% Si bis 600 N/mm²

3.2371.61 G – Al Si 7 Mg wa

830 0,23 230–310 6,5-7,5 Si; 0,25-0,45 Mg; 0,001-0,2 Ti, Rest Al Gussstücke mittlerer Wanddicke, hoher Festigkeit und Zähigkeit, Flugzeugbau

17.2 Aluminium-Aluminiumgusslegierungen >10% Si bis 600 N/mm²

3.2581.01 G – Al Si 12 830 0,23 150–200 10,5-13,5 Si; 0,001-0,4 Mn, Rest Al Dünnwandige , druck- und schwin-gungsfeste Gussstücke

3.2583 G-Al Si 12 Cu 830 0,23 150–200 85,1 Asl min 10,5-13,5 Si, 0,001-0,4 Mn, 0,05 Cu, 0,5 Fe, 0,05 Mg, 0,15 Ti, 0,1 Zn

Formschwierige, dünnwandige, schlagbeanspruchte Gussstücke für den Geräte-, Maschinen-, Fahrzeug- und Schiffsbau, Gehäuse, Flügel-räder

18.0 Magnesium, Magnesiumlegierungen

3.5314 Mg Al 3 Zn 390 0,19 240–280 2,5-3,5 Al, 0,7-1,3 Zn, 0,28-0,4 Mn, 0,05 Si, 0,15 Cu, 94,4 Mg min

Luftfahrtwerkstoff für kompliziert gestaltete Bauteile

3.5200 Mg Mn 2 390 0,19 200–220 1,2-2,0 Mn, 0,1 Si, 0,05 Cu, 0,05 Al, 0,03 Zn, 97,7 Mg min

Luftfahrtwerkstoff, Kraftstoffbehäl-ter, Verkleidungen, Anoden

3.5812 Mg Al 8 Zn 390 0,19 270–310 7,8-9,2 Al, 0,2-0,8 Zn, 0,12-0,3 Mn, 0,1 Si, 0,05 Cu, 0,005 Fe, 89,2 Mg min

Bauteile mit hoher mechanischer Beanspruchung

19.0 Kupfer, niedrig legiert bis 400 N/mm²

2.0070 SE-Cu 780 0,23 200–250 99,9 Cu min, 0,003 P Elektrotechnik, Halbzeuge jeder Art

2.1020 Cu Sn 6 880 0,23 350–410 91,7 Cu min, 5,5-7 Sn, 0,01-0,35 P, 0,1 Fe, 0,3 Ni, 0,05 Pb, 0,3 Zn

Schiff- und Maschinenbau, Federn aller Art, Elkektroindustrie


66

GA

RA

NT

Ze

rs

pa

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ng

sh

an

db

uc

hG

AR

AN

TZ

er

sp

an

un

gs

ha

nd

bu

ch


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


19.1 Messing, kurzspanend bis 600 N/mm²

2.0380 Cu Zn 39 Pb 2 780 0,18 360–490 58,5-60 Cu, 1,5-2,5 Pb, 0,1 Al, 0,4 Fe, 0,3 Ni, 0,2 Sn, 36,3 Zn min

Teile für Feinmechanik, Maschi-nen- und Apparatebau

2.0401 Cu Zn 39 Pb 3 980 0,25 360–500 57-59 Cu, 2,5-3,5 Pb, 0,1 Al, 0,5 Fe, 0,5 Ni, 35,8 Zn min

Formdrehteile für Automaten

19.2 Messing, langspanend bis 600 N/mm²

2.0250 Cu Zn 20 980 0,25 270–320 18,5 Zn min, 79-81 Cu, 0,02 Al, 0,05 Fe, 0,2 Ni, 0,05 Pb, 0,05 Sn

Kraftfahrzeugelektrik, Manometer

2.0280 Cu Zn 33 980 0,25 280–360 31 Zn min, 66-68,5 Cu, 0,02 Al, 0,05 Fe, 0,2 Ni, 0,05 Pb, 0,05 Sn

Tiefziehteile, Metallwaren, Uhren-teile

2.0332 Cu Zn 37 Pb 0,5 980 0,25 290–370 62-64 Cu, 0,1-0,7 Pb, 34,6 Zn min, 0,5 Al, 0,2 Fe, 0,3 Ni, 0,1 Sn

Strangpressprofile hoher Genau-igkeit, Uhrenindustrie

19.3 Bronze, kurzspanend bis 600 N/mm²

2.1090 G-Cu Sn 7 Zn 640 0,25 120–130 81-85 Cu, 3-5 Zn, 5-7 Pb, 6-8 Sn, 2 Ni, 0,3 Sb, 0,25 Fe, 0,05 P

Gleitlagerschalen im allg. Maschi-nenbau

2.1170 G-Cu Pb 5 Sn 780 0,23 > 240 84-87 Cu, 4-6 Pb, 9-11 Sn, 1,5 Ni, 0,35 Sb, 2,0 Zn, 0,25 Fe, 0,05 P

Warmwalzlager, Werkzeug- und Tischführungen

19.4 Bronze, kurzspanend mit 600–850 N/mm²

2.0790 Cu Ni18 Zn19 Pb1 880 0,23 430–530 59-63 Cu, 17-19 Ni, 15,1 Zn min, 0,3 Fe, 0,3-1,5 Pb, 0,7 Mn

Feinmechanik und Gerätebau, Schiffbau, Bauwesen


67

Gru

nd

lagen


Material-gruppe

Werkstoff-nummer

Kurzzeichen DIN


kc1.1 [N/mm2]


Festigkeit

[N/mm2]


19.5 Bronze, langspanend bis 850 N/mm²

2.0916 Cu Al 5 780 0,23 420–580 95 Cu, 5 Al Apparate- und Schiffbau, chemi-sche Industrie

2.0960 Cu Al 9 Mn 2 780 0,23 440–570 83,9 Cu min, 8-10 Al, 1,5 Fe, 1,5-3 Mn, 0,8 Ni, 0,05 Pb, 0,5 Zn

Hochbelastete Lagerteile, Getriebe- und Schneckenräder, Ventilsitze, Schiffswellen

19.6 Bronze, langspanend mit 850–1200 N/mm²

2.1247 Cu Be 2 780 0,23 410–540 96,8 Cu min, 1,8-2,1 Be Lagersitze, Membranen, ver-schleißfeste Schnecken- und Zahnräder, hochbeanspruchte Massivteile

20.0 Graphit


68


2 Zerspanbarkeit

Maßgebend für das Ergebnis eines spanabhebenden Bearbeitungsvorganges ist eineReihe von Einflussgrößen, die sich aus dem Zusammenwirken von Werkstück, Werkzeugund Werkzeugmaschine sowie dem Spanbildungsprozess selbst ergeben. Ein Teil dermöglichen Einflussgrößen ist im Bild 1.22 zusammenfassend dargestellt.

2.1 Vorgänge bei der Spanbildung

2.1.1 SpanbildungsmodellBeim Spanbildungsvorgang dringt der Schneidkeil in den Werkstückwerkstoff ein, derdadurch elastisch und plastisch verformt wird. Prinzipiell wird der Werkstoff beim Spanenin Form von dünnen Lamellen abgeschert. Diese Lamellen gleiten in der sogenanntenScherebene ab, die mit der Schnittrichtung des Werkzeuges den Scherwinkel Φ ein-schließt. Während der Spanentstehung erfolgt eine Umorientierung der Kristalle in Gleit-richtung, die in sogenannten Spanwurzelaufnahmen (Bild 1.23, rechts) als Strukturlinienzu erkennen sind. Diese Strukturlinien schließen mit der Scherebene den StrukturwinkelΨ ein.

Bild 1.22 Einflussgrößen auf den spanabhebenden Bearbeitungsvorgang


69

Grundlagen

2.1.2 SpanstauchungZur Beurteilung insbesondere zum Vergleich von Spanungsvorgängen ist die Spanstau-chung sehr gut geeignet, da sie im Zusammenhang mit allen anderen Auswirkungen desSpanbildungsvorganges (z.B. Schnittkraft, Oberflächenqualität) steht und sowohl vonden Werkstoffeigenschaften als auch den Spanungsbedingungen beeinflusst wird. DerWert der Spanstauchung hängt somit vom Formänderungsvermögen des Werkstoffesund von den geometrischen Verhältnissen am Schneidkeil ab. Als Folge der Stauchvor-gänge bei der Zerspanung wird der Span höher, breiter und kürzer als die entsprechen-den Spanungsgrößen.

Allgemein gilt deshalb:

Spanungsdicke h < Spandicke h1Spanungsbreite b < Spanbreite b1Spanungslänge l < Spanlänge l1Spanungsquerschnitt A < Spanquerschnitt A1

Modellvorstellung nach Merchant Spanwurzelaufnahme

Bild 1.23 Schematische Darstellung der Spanbildung

Bild 1.24 Spanstauchung am idealisierten Rechteckspan


70


2.1.3 SpanartenNach der Auswirkung des Spanbildungsprozesses auf den sich bildenden Span werdendrei Spanarten unterschieden. Die einzelnen Spanarten sind wesentlich vom Werkstoffund von den Spanungsbedingungen abhängig. Die Spanarten (nicht zu verwechseln mitden Spanformen – Abschnitt 2.1.4) gehen oft ineinander über.

Kennzeichen:– zusammenhängend– unterschiedliche Oberfläche– untere Seite immer glattSpanbildung:– kontinuierliches Abfließen des Werkstoffes– Spanelemente werden in der Scherzone nicht getrennt,

sondern kontinuierlich umgeformtBedingungen:– zäher Werkstoff bei günstigsten Spanbedingungen – (hohe Schnittgeschwindigkeit, großer Spanwinkel)

Fließspan

Kennzeichen:– einzelne, nicht zusammenhängende Spanelemente erkennbar– Oberfläche stark gezacktSpanbildung:– Spanlamellen werden in der Scherebene nur gering umgeformt,

voneinander getrennt, aber anschließend wieder verschweißtBedingungen:– Störform des Fließspans– Störursachen: Ungleichheiten im Werkstoff, Schwingungen,

zu kleiner Spanwinkel, große Schnitttiefe, kleine Schnittgeschwindigkeit

Scherspan

Kennzeichen:– einzelne, nicht zusammenhängende Spanelemente– raue Oberfläche durch BruchgefügeSpanbildung:– spröde Werkstoffe reißen bereits nach geringer Verformung in

der Scherzone (z.B. Guss, Hartguss, Gussbronze, Messing) beiextrem spröden Werkstoffen völliger Zerfall der Spanlamellen

– Bedingungen:– Werkstoffe mit geringem plastischen Verhalten– Ungünstige Schnittbedingungen

Reißspan (Bröckelspan)


71

Grundlagen

2.1.4 SpanformenDie Form des entstehenden Spanes wird von allen Faktoren beeinflusst, die am Spa-nungsprozess beteiligt sind. Sie können prinzipiell wie folgt eingeteilt werden:

Klasse Spanform Beurteilung

1 Bandspan

Ungünstig

2 Wirrspan

3 Schraubenspan Befriedigend

4 Schraubenbruchspan Günstig

Tabelle 1.22 Spanformklassen – Fortsetzung Seite 72


72


Für die industrielle Praxis werden kurzgebrochene Späne gefordert, da lange Band-späne eine Unfallgefahr darstellen, Wirrspäne Werkzeug und Werkstück unbrauchbarmachen können und nur bei kurzgebrochenen Spänen aufgrund des geringen Raum-bedarfs ein reibungsloser Spänetransport gewährleistet ist. Die Einflüsse der Spanungs-bedingungen auf die Spanform sind in Tabelle 1.23 und Bild 1.25 zusammenfassend dar-gestellt.

Klasse Spanform Beurteilung

5 Spiralbruchspan

Günstig

6 Spiralspanstücke

7

8

Spanbruchstücke

Teilweise verschweißt

Befriedigend


73

Grundlagen

Spanungsbedingungen Einfluss auf die Spanform

Schnittgeschwindigkeit Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit verschlechtert sich die Spanform in Abhängigkeit vom Werkstoff

Vorschub Mit zunehmendem Vorschub verbessert sich die Spanbrechung; allerdings bedingen hohe Vorschübe schlechtere Oberflächen-güten

Schnitttiefe kein direkter Einfluss

Spanwinkel Negativer Spanwinkel bedingt gute Spanbrechung, jedoch eine schlechtere Oberflächenqualität

Einstellwinkel Je größer der Einstellwinkel, desto besser die Spanbrechung

Spanleitstufen Spanleitstufen verbessern gezielt die Spanbrechung (Anpassung an Prozess erforderlich)

Tabelle 1.23 Einfluss der Spanungsbedingungen und der Schneidengeometrie auf die Spanform

Bild 1.25 Spanformen in Abhängigkeit von Schnitttiefe (ap) und Vorschub (f)


74


2.1.5 AufbauschneidenbildungWährend der Spanbildung werden diejenigen Werkstück-Werkstoffschichten, die nachder Trennung die Grenzschicht zwischen der Spanfläche und der Spanunterseite bilden,plastisch stark verformt. Bei der Zerspanung können unter ungünstigen BedingungenPressschweißungen auftreten. Besonders bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten be-steht die Gefahr einer intensiven Aufbauschneidenbildung.

Aufbauschneiden entstehen durch stark verformtes und verfestigtes Werkstückmaterial,welches als Verklebung die Aufgabe der Schneidkante übernimmt. Je nach Schnittbedin-gungen wandern an der Spanunterseite von der Aufbauschneide Werkstoffbestandteileperiodisch ab. Das hat negative Auswirkungen auf die Schneidkante des Werkzeuges(Ausbrüche) und das Werkstück (Oberflächengüte, Maßhaltigkeit). Im Bild 1.26 ist dasSchema der Aufbauschneidenbildung dargestellt.

Eine Möglichkeit zur Verhinderung von unnötiger Reibung an den Kontaktflächen unddamit von erhöhten Temperaturen, ist in der Anwendung einer dem jeweiligen Bearbei-tungsprozess angepassten optimalen Schneidengeometrie sowie in optimierten Schnitt-parametern zu sehen. Insbesondere können folgende Maßnahmen die Aufbauschnei-denbildung verhindern:

V Erhöhung der SchnittgeschwindigkeitV Vergrößerung des SpanwinkelsV Einsatz von BeschichtungenV Einsatz einer wirksamen Kühlung

Aufbauschneide auf der Werkzeugspanfläche

Bild 1.26 Schema der periodischen Aufbauschneidenbildung


75

Grundlagen

2.2 Werkzeugverschleiß

2.2..1 VerschleißursachenVerschleiß wird durch gleichzeitige mechanische und thermische Belastung des Schneid-keils hervorgerufen. Die wichtigsten Ursachen sind:

V Mechanischer AbriebV Abscheren von PressschweißstellenV OxidationsvorgängeV Diffusion

Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und leicht spanbaren Werkstoffen tritt der me-chanische (abrasive) Verschleiß in den Vordergrund; bei höheren Schnittgeschwin-digkeiten und schwerer spanbaren Werkstoffen dagegen die thermisch bedingten Ver-schleißursachen Oxidation und Diffusion. (Bild 1.27).

Wie in Bild 1.28 ersichtlich hängen die beider Zerspanung wirkende Schnitttempera-tur und der auftretende Verschleiß wesent-lich von den jeweiligen Zerspanungsbedin-gungen ab. Die Erhöhung der Schnittge-schwindigkeit, der Schnitttiefe bzw. des Vor-schubes verhalten sich direkt proportionalzu Schnitttemperatur und Verschleiß.

a Diffusion

b Abrasion(Mechanischer Abrieb,Plastische Verformung)

c Oxidation(Verzunderung)

d Adhäsion(Abscheren von Press-schweißstellen)

Bild 1.27 Verschleißursachen bei der Zerspanung (nach Vieregge)

Bild 1.28 Einfluss der Zerspanungsbedingungen auf Schnitttemperatur und Verschleiß


76


2.2.2 VerschleißformenDie Ausprägung der einzelnen Verschleißformen dient zur Beurteilung des Standvermö-gens des Werkzeuges. Unterscheiden lassen sich prinzipiell folgende Verschleißformen:

V FreiflächenverschleißV KolkverschleißV Plastische VerformungV KerbverschleißV AusbröckelungV KammrissbildungV Werkzeugbruch

2.2.2.1 Freiflächenverschleiß

Als Freiflächenverschleiß wird der annähernd gleichmäßige Abtrag von Schneidstoff ander Freifläche des Werkzeuges bezeichnet. Die Verschleißfläche verläuft in etwa parallelzur Schnittrichtung und wird als Verschleißmarkenbreite (VB oder VBmax) bezeichnet.

Auftretender Verschleiß an der Freifläche des Werkzeuges bewirkt:

V ein Ansteigen der Schnittkräfte,V zunehmende Vibrationen,V steigende Temperaturen,V eine Verschlechterung der Oberflächengüte,V Maßungenauigkeiten am Werkstück.

VB Verschleißmarkenbreite

VBmax max. Verschleißmarkenbreite

KT Kolktiefe

KM Kolkmittenabstand

KB Kolkbreite

KL Kolklippenbreite

Bild 1.29 Verschleißgrößen am Beispiel des Drehmeißels

Bild 1.30 Freiflächenverschleiß


77

Grundlagen

2.2.2.2 Kolkverschleiß

Als Kolkverschleiß wird ein muldenförmiger Ab-trag von Schneidstoff auf der Werkzeugspanflä-che bezeichnet (Diffusion und Abrasion – vgl.Bild 1.27). Übermäßiger Kolkverschleiß führt zu ei-ner Schwächung der Schneidkante, zu größerenSpanverformungen und in deren Folge zu einemAnstieg der Schnittkräfte. Dadurch nimmt dieGefahr des Schneidenbruchs zu.

Ursache Abhilfe

zu hohe Schnittgeschwindigkeit Schnittgeschwindigkeit senken

Schneidstoff mit unzureichender Verschleißfestigkeit

Schneidstoff mit höherer Verschleißfestigkeit wählen, beschichtete Güteklasse wählen

nicht angepasster Vorschub (zu geringer Vorschub)

Vorschub in richtiges Verhältnis zu Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe setzen (Vorschub erhöhen)

Tabelle 1.24 Problembehandlung – übermäßiger Freiflächenverschleiß

Ursache Abhilfe

zu hohe Schnittgeschwindigkeit oder/und Vorschub

Schnittgeschwindigkeit oder/und Vorschub herabsetzen, verschleißfestere Schneidstoffsorte verwenden

zu geringer Spanwinkel Werkzeughalter und Wendeschneidplatten mit positivem Spanwinkel benutzen

falsch zugeführtes Kühlmittel Kühlmittelmenge und/oder -druck erhöhen, für verbesserte Zuführung an die Schneidstelle sorgen

Schneidstoff mit zu geringer Verschleißfestigkeit

kolkfestere Sorte verwenden, Beschichtung verwenden

Tabelle 1.25 Problembehandlung – übermäßiger Kolkverschleiß

Bild 1.31 Kolkverschleiß


78


2.2.2.3 Plastische Verformung

Plastische Verformung tritt insbesondere in-folge thermischer Überlastung der Schneid-kante auf. Zur Beurteilung des Schneidstoffesist die Warmhärte dabei der ausschlaggebendeFaktor.

2.2.2.4 Kerbverschleiß

Kerbverschleiß kann sowohl an der Haupt- alsauch an der Nebenschneide auftreten. Er führt zumangelnder Oberflächenbeschaffenheit undzum Risiko des Schneidenbruches. Kerbver-schleiß an der Hauptschneide ist auf mechani-sche Ursachen zurückzuführen. Kerbverschleißder Nebenschneide ist ein typischer Adhä-sionsverschleiß (vgl. Bild 1.27), kann aber auch inZusammenhang mit Oxidationsverschleiß auftre-ten. Der Kerbverschleiß konzentriert sich dannauf die Stelle der Schneidkante, wo Luft an dieSchneidzone gelangen kann.

Ursache Abhilfe

zu hohe Arbeitstemperatur, daher Erweichung des Grundmaterials durch zu hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe sowie harte Werkstück-werkstoffe

Schnittgeschwindigkeit senken,

verschleißfestere Schneidstoffsorten verwenden,

Spanquerschnitt (insbes. Vorschub) verkleinern,

Einsatz angepasster Kantenverrundungen,

Anstellwinkel verkleinern,

Kühlung vorsehen

Beschädigung der Beschichtung rechtzeitig Plattenwechsel vornehmen

Tabelle 1.26 Problembehandlung – übermäßige plastische Verformung

Bild 1.32 Plastische Verformung

Bild 1.33 Kerbverschleiß


79

Grundlagen

2.2.2.5 Kammrissbildung

Wärmerisse (Kammrissbildung) treten als Ermüdungsverschleißform infolge thermi-scher Schocks auf (oft bei spröden Schneidstoffen oder bei Temperaturwechsel). Dabeibilden sich Risse senkrecht zur Schneidkante, wobei einzelne Schneidstoffpartikel zwi-schen den Rissen verstärkt ausbröckeln und zum plötzlichen Schneidenbruch führenkönnen.

Ursache Abhilfe

Oxidation

Abrieb

Geeignete Beschichtung wählen,

Schnittgeschwindigkeit verringern, falls jedoch wärmebeständi-ges Material mit keramischen Schneidstoffen bearbeitet wird → Schnittgeschwindigkeit erhöhen

Tabelle 1.27 Problembehandlung – Kerbverschleiß

Ursache Abhilfe

Sich ändernde Spandicke Gleichmäßige Eingriffsbedingungen wählen

Schwankende Kühlschmier-stoffzuführung

Kühlmittel gleichmäßig und in ausreichender Menge zuführen,

Insbesondere bei Hartmetallen und keramischen Schneidstoffen Kühlung vermeiden

Unterbrochener Schnitt Schneidstoff mit höherer Zähigkeit und besserer Temperatur-wechselbeständigkeit wählen,

Kühlschmiermittel in ausreichender Menge zuführen oder ganz vermeiden bei Hartmetallen

Tabelle 1.28 Problembehandlung – Kammrissbildung

Bild 1.34 Kammrissbildung


80


2.2.2.6 Schneidenbruch

Bei Ausbröckelungen und Schneidenbruchtreten mechanische Überbelastungsspitzenauf, die keine gleichmäßige Abnutzung derSchneidkante zulassen. Sie verursachen einemangelhafte Oberflächenbeschaffenheit. Ein-kerbungen und Abblättern einzelner Partikelsind u.a. Vorboten eines drohenden Werkzeug-bruches. Beim mechanischen Ermüdungs-bruch verlaufen die Risse hauptsächlich paral-lel zur Schneidkante.

Ursache Abhilfe

zu spröde (verschleißfeste) Schneidstoffsorte

zähere Schneidstoffsorte verwenden, Schneidkante anfasen

Vibrationen positiven Span- und Neigungswinkel verwenden,kleineren Spitzenradius verwenden,Auskraglänge des Werkzeughalters verringern,größeren Einstellwinkel vorsehen, Aufbauschneidenbereich meiden (vgl. Abschnitt 2.1.5)

Schneidengeometrie zu schwach

Schneiden mit stärkerer Geometrie wählen,Größere Anfasung insbesondere bei Keramik-Schneiden

Aufbauschneide Schnittgeschwindigkeit erhöhen,positive Geometrie wählen

zu hoher Vorschub bzw. Schnitttiefe

Spanquerschnitt, insbesondere Vorschub und/oder Schnitttiefe verringern,zähere Schneidstoffsorte verwenden,negative Schneidengeometrie verwenden,Schneidkante anfasen

Übermäßige Lastschwankun-gen an der Schneidkante,Unterbrochener Schnitt

Schnittgeschwindigkeit und Vorschub anpassen,Schneidstoff mit höherer Zähigkeit wählen,Schneidkante anfasen,Stabilität verbessern,negative Schneidengeometrie verwenden

Späneaufprall Schneidkante anfasen,negative Schneidengeometrie verwenden,Spanlenkung verändern (Änderung des Vorschubes, Schnittgeschwindigkeit, Spanleitstufe...),zähere Schneidstoffsorten verwenden

Tabelle 1.29 Problembehandlung – Ausbröckelung und Werkzeugbruch

Bild 1.35 Schneidenausbruch


81

Grundlagen

2.3 Standgröße – Standzeit

Standgrößen geben die Möglichkeiten einer Werkzeugschneide an, schneidend im Ein-satz zu sein.

Die Standzeit, als bedeutendste Größe zur Beurteilung der Zerspanbarkeit eines Werk-stoffes, gibt für eine Werkzeugschneide den Zeitraum an, in dem das Werkzeug bis zumErreichen eines gewählten Standkriteriums schneidend im Einsatz sein kann (ohne Hilfs-zeiten). Werden z. B. die geforderten Toleranzen nicht mehr eingehalten oder die gefor-derten Oberflächenqualitäten mit der im Einsatz befindlichen Schneide nicht mehr er-füllt, so ist die Schneide für diesen Anwendungsfall nicht länger einsetzbar – dasStandzeitende ist erreicht.

Neben der Standzeit werden u.a. der Standweg bei der Betrachtung der Verfahren Boh-ren oder Fräsen sowie die Standmenge für automatische Maschinenfließreihen oder Be-arbeitungszentren als Standgrößen zur Bewertung herangezogen.

2.3.1 Standzeitdiagramm und StandzeitgleichungZuverlässige und berechenbare Standzeiten sind Voraussetzung für eine sichere Produk-tion. Als Grundlage für die Ermittlung von praxistauglichen Standzeiten dienen Langzeit-versuche, die jedoch einen hohen Zeit- und Materialaufwand erfordern.

.

Kurzprüfverfahren reduzieren diesen Aufwand, lassen jedoch nur bedingt Schlüsse aufdie Standzeit des Werkzeuges zu. Vorwiegend werden diese für Eingangskontrollen derSchneidstoffe und Werkstoffe oder zur Überwachung der Zerspanbarkeit eingesetzt.

Bild 1.36 Standbegriffe (nach DIN 6583)


82


Standzeit-Versuch wird häufig zur Ermittlung derStandzeit durchgeführt. Bestimmend ist dabei derVerschleiß am Werkzeug für das Erliegen desWerkzeuges. Beim Vergleich von Verschleißwer-ten ist unbedingt auf eine einheitliche, standardi-sierte Vorgehensweise bei der Verschleißerfas-sung zu achten. Eine relativ gute und einfach zuerfassende Verschleißgröße ist der Freiflächenver-schleiß, der deshalb oft herangezogen wird. InBild 1.37 ist für das Drehen ein solcher Verschleiß-fortschritt an der Freifläche (VB) dargestellt.

Aus den einzelnen Schnittgeschwindigkeitskur-ven (Bild 1.37, Mitte) werden z.B. für eine konstanteVerschleißmarkenbreite VBmax (festgelegtes Ver-schleiß- oder Standzeitkriterium) die dazugehöri-gen Zeiten t1 bis t3 (Standzeiten) ermittelt und indas lgT-lgvc-Diagramm eingetragen (Bild 1.37, un-ten). Aus den Kurven lassen sich für gewählteSchnittgeschwindigkeiten entsprechend zuge-ordnete Standzeiten ablesen.

Bild 1.37 Standzeitermittlung

Sehr geringer Verschließ

Ausbruch der Schneide

Beispielhaft sind nachfolgende für das Schruppfrä-sen der Freiflächenverschleiß VB in Abhängigkeitvom Standweg L beim Einsatz von verschiedenenVollhartmetallfräsern dargestellt.

Bild 1.38 Zerspanungsversuche zurErmittlung des Standweges


83

Grundlagen

Der Kurvenverlauf lässt sich über einen großen Bereich durch eine Gerade beschreiben,die nach logarithmischen Betrachtungen zur sogenannten Taylor-Gleichung führt:

In dieser Gleichung bedeutet:

Cv Standzeit T für vc = 1 m/min (Gl. 1.2)

k Steigung der Geraden (k = tan αv)

bzw.

In dieser Gleichung bedeutet:

CT Schnittgeschwindigkeit vc für T = 1 min (Gl. 1.3)

Wobei CT = Cv -(1/k) ist.

Die Umstellung der Gleichung nach der Variablen Schnittgeschwindigkeit vc liefert die inder Praxis ebenfalls genutzte Darstellung:

(Gl. 1.4)

2.3.2 Einflussgrößen auf die StandzeitFür die praktische Anwendung ist es erforderlich, auch den Einfluss der anderen Spa-nungsgrößen wie z.B. Vorschub, Schnitttiefe, Werkstoff und Schneidstoff zu kennen undin die Betrachtungen einzubeziehen. In der nachfolgenden Tabelle 1.30 ist der Einflussdieser Größen überblicksmäßig dargestellt.

Die Schnittgeschwindigkeit übt den größten Einfluss auf die Standzeit aus. Als nächst-wichtigste Einflussgröße ist der Vorschub zu nennen, dessen Variierung im Standzeitdia-gramm parallele Geraden unter der Voraussetzung ergeben, dass die Werkstoff-Schneidstoff-Paarung gleich bleibt. Das gleiche gilt auch für den Einfluss der Schnitttiefe,der geometrischen Bedingungen wie Span-, Frei- und Einstellwinkel und annäherndauch für den Einfluss des Hilfsstoffes. Werden dagegen der Werkstoff, der Schneidstoffoder das Verschleißkriterium geändert, so ergeben sich andere Steigungswinkel derStandzeitgeraden.

T vck Cv⋅=

Tvc

k

CTk

-----=

vC T

1k--

CT⋅=


84


Spanungs-bedingun-gen Schnittgeschwindigkeit

Gebräuchlichste Form des Standzeitdiagrammes. Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst die Standzeit am stärksten. Die Standzeit fällt mit zunehmender Schnittgeschwin-digkeit stark ab.

Konstante Größen:Werkstoff, Schneidstoff, Schnitt-tiefe, Spanwinkel, Freiwinkel, Ein-stellwinkel

Vorschub

Mit größer werdendem Vor-schub sinkt unter sonst konstan-ten Bedingungen die Standzeit ab. Der Vorschub beeinflusst die Standzeit stärker als die Schnitt-tiefe.

Konstante Größen:Werkstoff, Schneidstoff, Schnitt-tiefe, Spanwinkel, Freiwinkel, Ein-stellwinkel

Schnitttiefe

Mit größer werdender Schnitt-tiefe sinkt bei sonst konstanten Bedingungen die Standzeit.

Konstante Größen:Werkstoff, Schneidstoff, Vor-schub, Spanwinkel, Freiwinkel, Einstellwinkel

Werkstoff Gefügestruktur, Härte, Zugfestig-keit und Legierungselemente beeinflussen die Standzeit wesentlich. (vgl. Abschnitt 3.6). Die Standzeit sinkt unter sonst gleichen Bedingungen mit grö-ßer werdendem Perlitanteil im Gefüge und mit größer werden-der Härte bzw. Zugfestigkeit des Werkstoffes.

Bei unterschiedlichen Werkstoff-gruppen ändern sich die Stei-gungswinkel der Standzeitgeraden.

Konstante Größen:Schneidstoff, Vorschub, Schnitttiefe, Spanwinkel, Freiwinkel, Einstell-winkel

Schneidstoff Der Schneidstoff hat einen sehr großen Einfluss auf die Standzeit. Das nebenstehende Diagramm zeigt, dass bei konstanter Standzeit mit steigender Schneidstoffqualität die Anwendung höherer Schnittgeschwindigkeiten möglich ist. Wird die Schnittgeschwin-digkeit dagegen in bestimmten Bereichen konstant gehalten, so ergeben sich mit steigender Schneidstoffqualität höhere Standzei-ten.Konstante Größen:Werkstoff, Vorschub, Schnittiefe, Spanwinkel, Freiwinkel, Einstellwin-kel

Tabelle 1.30 Beeinflussung der Werkzeugstandzeit


85

Grundlagen

Tabelle 1.30 Fortsetzung Beeinflussung der Werkzeugstandzeit

Schneid-stoff

Kühlschmiermittel haben je nach ihrer Zusammenset-zung eine mehr schmierende oder mehr kühlende Wir-kung. Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten kann durch überwiegende Schmierung, bei höheren Schnitt-geschwindigkeiten durch überwiegende Kühlung die Standzeit verbessert werden. Bei sonst konstanten Bedingungen bewirken Kühlung und Schmierung vor allem bei Schnellarbeitsstahlwerkzeugen Standzeiterhö-hungen.

Konstante Größen:

Werkstoff, Vorschub, Schnitttiefe, Spanwinkel, Freiwin-kel, Einstellwinkel

Schneidstoff: Schnellarbeitsstahl

Geome-trie der SchneideEinfluss Spanwinkel

Die Standzeit sinkt unter sonst konstanten Bedin-gungen, wenn Spanwin-kel zum Einsatz kommen, die von den üblichen Richtwerten stark abwei-chen.

Zu positiver Spanwinkel:Schwacher Schneidkeil

Zu negativer Spanwinkel:Zu starker Kolkverschleiß

Konstante Größen:

Werkstoff, Schneidstoff, Vorschub, Schnitttiefe, Frei-winkel, Einstellwinkel

Freiwinkel

Hält man den Freiwinkel kleiner 5° bis 6° sinkt die Standzeit aufgrund höhe-rer Reibung an der Freiflä-che unter sonst konstanten Bedingungen.

Eine Erhöhung des Frei-winkels von 10° bis 15° verursacht eine Schwä-chung des Schneidkeiles.

Konstante Größen:

Werkstoff, Schneidstoff, Vorschub, Schnitttiefe, Spanwinkel, Einstellwinkel

Einstellwinkel

Je kleiner der Einstellwin-kel, desto länger ist die unter Schnitt stehende Schneidkantenlänge unter sonst konstanten Bedin-gungen, und desto länger ist die Standzeit und umgekehrt.

Konstante Größen:

Werkstoff, Schneidstoff, Vorschub, Schnitttiefe, Spanwinkel, Freiwinkel


86


2.4 Zerspankraft und Leistungskriterien

2.4.1 ZerspankraftDie Kräfte beim Spanen werden auf das Werkstück wirkend betrachtet und definiert. DieFestlegung der Begriffe für alle spanenden Verfahren sind in DIN 6584 zusammengefasst.

2.4.1.1 Zerspankraftkomponenten

Die Zerspankraft F ist die auf ein Werkstück wirkende Gesamtkraft. Sie kann in verschie-dene Komponenten zerlegt werden, wobei die auf die Arbeitsebene sowie in Schnitt-und Vorschubrichtung bezogenen Komponenten von besonderer Bedeutung sind. ImBild 1.39 ist die Zerlegung der Zerspankraft in ihre Komponenten prinzipiell und in denBildern 1.40 und 1.41 beispielhaft für das Drehen bzw. das Umfangsfräsen dargestellt. Da-bei werden die Kräfte in einem Schneidenpunkt angreifend angenommen. Bei mehr-schneidigen Werkzeugen müssen die Kräfte auf die einzelnen im Eingriff befindlichenSchneidkeile betrachtet werden. Sie können durch vektorielle Addition wieder zu einerGesamtzerspankraft zusammengesetzt werden.

Bild 1.39Zerlegung derZerspankraft in ihre Komponentennach DIN 6584


87

Grundlagen

Aus den Kräftezerlegungsmöglichkeiten nach Bild 1.40 ergeben sich verschiedene ma-thematische Zusammenhänge.

Für die Zerspankraft F gilt:

(Gl. 1.5)

Mit Hilfe der Komponenten der Aktivkraft Fa wird die Leistung beim Zerspanen erzeugt.Eine besonders wichtige Komponente ist die Schnittkraft Fc (früher auch Hauptschnitt-kraft genannt), die für das tatsächliche Abheben des Spanes und besonders für dieLeistungsberechnung sowie die kräftemäßige Auslegung der Werkzeugmaschinen vonBedeutung ist.

Weiterhin sind besonders die Komponenten Vorschubkraft Ff und die Passivkraft Fp(früher auch Rückkraft genannt) zu erwähnen. Die Kenntnis der Größe und Richtung derVorschubkraft ist sowohl zur Ermittlung der Vorschubleistung als auch gemeinsam mitder Passivkraft zur Berechnung der Werkzeuge und Werkzeugspanneinrichtungen erfor-derlich.

F F2a F

2p+=

Bild 1.40 Komponenten der Zerspankraftbeim Drehen (Vorschubrichtungs-winkel ϕ = 90°)

Bild 1.41 Komponenten der Zerspankraft beimUmfangsfräsen im Gegenlauf (Vorschubrichtungswinkel ϕ < 90°)


88


Die Art des Werkzeugverschleißes lässt sich ein unterschiedlicher Einfluss auf die Zerspan-kraft feststellen. Kolkverschleiß, der einen größeren positiven Spanwinkel zur Folge hat,führt meist zum Absinken der Zerspankraft. Bei vorherrschendem Freiflächenverschleißdagegen steigen die Kräfte an, da die Reibfläche zwischen Werkstück und Freifläche grö-ßer wird. Eine quantitative Aussage über den Kraftanstieg mit zunehmendem Werkzeug-verschleiß ist wegen der Vielzahl der Einflussgrößen nur näherungsweise möglich.

Als Anhaltspunkt für den Kraftanstieg beim Freiflächenverschleiß bis zu einer Ver-schleißmarkenbreite von VB = 0,5 mm können überschlägig angenommen werden:

2.4.1.2 Schnittkraft und spezifische Schnittkraft

Die Schnittkraft Fc als sogenannte „leistungsführende“ Kraft ist zusammen mit derSchnittgeschwindigkeit für die Berechnung der Schnitt- bzw. Antriebsleistung der Werk-zeugmaschine ausschlaggebend. Die Größe der Schnittkraft hängt in erster Linie vom zuzerspanenden Werkstoff und den wirkenden Spanungsbedingungen (z.B. Schneiden-geometrie, Spanungsdicke h) ab. Sie wird deshalb verfahrensspezifisch ermittelt (verfah-rensspezifische Spanungsquerschnitte A).

Die Grundgleichung der Schnittkraft (je Schneide) ist in Gl. 1.6 dargestellt, wie sie in ih-rer ursprünglichen Form für das Drehen abgeleitet wurde.

Für die Schnittkraft Fc beim Drehen gilt nach Kienzle:

Fc Schnittkraft [N] (Gl. 1.6)

A Spanungsquerschnitt [mm2] nach Bild 1.42

b Spanungsbreite [mm]

h Spanungsdicke [mm]

kc spezifische Schnittkraft [N/mm2]

Der Spanungsquerschnitt A ergibt sich dabei,wie im Bild 1.42 für das Drehen dargestellt, ausder Spanungsbreite b und der Spanungsdickeh. Während der Zerspanung kann sich die Spa-nungsdicke ändern (z.B. beim Fräsen). Dannwird zur Ermittlung der Schnittkraft von einermittleren Spanungsdicke hm ausgegangen (vgl.dazu auch die Kapitel 7 „Fräsen“ und Kapitel 10„Formelsammlung“).

Vorschubkraft Ff ≈ 90 %

Passivkraft Fp ≈ 100 %

Schnittkraft Fc ≈ 20 %

Fc A kc b h kc⋅ ⋅=⋅=

Bild 1.42 Größen am Spanungsquerschnittbeim Drehen


89

Grundlagen

Die spezifische Schnittkraft kc wird zwar maßgeblich vom Werkstoff beeinflusst, ist aberals reine Rechengröße nicht als Werkstoffkennziffer zu betrachten. Im Bild 1.43 ist die Ab-hängigkeit der spezifischen Schnittkraft kc von der Spanungsdicke h dargestellt (vgl. Gl.1.7 sowie auch Tabelle 1.31 für ausgewählte Werkstoffe und Spanungsdicken).

Wichtige Einflussfaktoren für kc sind:

V Festigkeit und Legierungsbestandteile des zu bearbeitenden WerkstoffesV Schneidengeometrie des Werkzeuges

kc 1.1 Hauptwert der spezifischen Schnittkraft bei (Gl. 1.7)Spanungsquerschnitt A = 1 mm2 (b = 1mm, h = 1mm)

m Anstieg der Tangente des Steigungswinkels ζ (vgl. Bild 1.43)

Der Hauptwert der spezifischen Schnittkraft kc1.1 und der Anstieg m der Tangente desSteigungswinkels ζ sind werkstoffabhängig und wurden für die verschiedenen Werkstof-fe aus Versuchen ermittelt. Für die jeweiligen Materialgruppen sind diese Werte dem Ab-schnitt 1.4 zu entnehmen. Richtwerte für die spezifische Schnittkraft kc enthält die nach-folgende Tabelle 1.31.

kc

kc1.1

hm

---------=

Arithmetische Darstellung Doppelllogarithmische Darstellung

Bild 1.43 Abhängigkeit der spezifischen Schnittkraft kc von der Spanungsdicke h


90


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2.01

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764

1.66

11.

585

1.43

61.

241

1.13

0

17.0

Al,

Al-L

egie

run

gen

bis

530

3.35

35A

lMg

378

00,

231.

554

1.49

01.

325

1.18

91.

073

963

915

821

700

632

3.13

25A

lCuM

g1

780

0,23

1.55

41.

490

1.32

51.

189

1.07

396

391

582

170

063

2

17.1

Al-G

ussl

egie

run

gen

Si<

10%

bis

600

3.23

81G

-AlS

i10M

g83

00,

231.

653

1.58

51.

410

1.26

51.

142

1.02

597

387

474

567

2

17.2

Al-G

ussl

egie

run

gen

Si>

10%

bis

600

3.25

81G

-AlS

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830

0,23

1.65

31.

585

1.41

01.

265

1.14

21.

025

973

874

745

672

19.1

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bis

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2.03

80C

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39Pb

278

00,

181.

337

1.29

41.

181

1.08

51.

001

920

884

812

717

661

19.3

Bro

nze

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002.

1090

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n7Z

nPb

640

0,25

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31.

293

1.13

81.

012

905

805

761

677

569

509

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0-91

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1 D

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g, 2

0. J

uni 2

002

10:

56 1

0

92


Die angegebenen Werte der spezifischen Schnittkraft in Tabelle 1.31 sind dabei bezogenauf:

V Schneidstoff: HartmetallV Schnittgeschwindigkeit vc = 100 m/minV Spanwinkel γ = 6° (Ausnahme bei Gusswerkstoffen: γ = - 6°)V Einstellwinkel κ = 45°V arbeitsscharfe Schneide

Bei Abweichungen von den vorgegebenen Spanungsbedingungen werden Korrektur-faktoren zur Berechnung der Schnittkraft Fc erforderlich.

Das trifft besonders zu auf:

V Spanwinkelkorrektur KγV Schnittgeschwindigkeitskorrektur KvV Schneidstoffkorrektur KSchV Verschleißkorrektur KVer

(Gl. 1.8)

Die Korrekturfaktoren zur Schnittkraftberechnung sind der Tabelle 1.32 zu entnehmen.

Berechnung / Größenbereich Bemerkung

Kγ (Gl. 1.9)

γ tatsächlich vorliegender Spanwinkel

γk für Stahlbearbeitung: 6°für Gussbearbeitung: 2°

Kv bei vc > 80 m/min vernachlässigbar Hartmetallschneiden

1,15 HSS-Schneiden

KSch 1 Hartmetall

0,95 ... 0,9 Schneidkeramik

KVer 1 Arbeitsscharfes Werkzeug

1,3 ... 1,5 Verschlissenes Werkzeug

Tabelle 1.32 Korrekturwertbestimmung zur Schnittkraftberechnung

Fc b h kc Kγ Kν KSch KVer⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅=

Kγ 1γ γk–

66 7°,-------------–=


93

Grundlagen

2.4.1.3 Einflussgrößen auf die Schnittkraft und spezifische Schnittkraft

Die Größe der Zerspankraft dient zur Beurteilung der Zerspanbarkeit, da allgemein beider Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe auch höhere Kräfte auftreten. InTabelle 1.33 sind die Einflussgrößen zusammenfassend dargestellt.

Diese Einflussgrößen wirken gleichermaßen auf die spezifische Schnittkraft kc. Bezüglichdes Einflusses von Vorschub bzw. Spanungsdicke und Schnitttiefe bzw. Spanungsbreiteauf die spezifische Schnittkraft gelten jedoch grundlegend andere Zusammenhänge. ImGültigkeitsbereich des Schnittkraftgesetzes (h = 0,05...2,5 mm) nimmt die spezifischeSchnittkraft mit steigendem Vorschub bzw. Spanungsdicke ab (vgl. Bild 1.43). Der Einflussder Schnitttiefe bzw. Spanungsbreite kann als annähernd konstant betrachtet werden.

Spanungs-bedingungen

Schnittgeschwindigkeit Vorschub Schnitttiefe

Im Bereich ab 100 m/min sinkt die Schnittkraft nur noch unwesentlich mit steigender Schnittgeschwindigkeit. Im Bereich unter 100 m/min ist der Fc-Anstieg vom jeweils zu bearbeitenden Werkstoff abhängig.

Der Vorschub f bzw. die Spa-nungsdicke h üben einen maßgeblichen Einfluss auf die Schnittkraft aus.

Mit zunehmender Schnitttiefe steigt die Schnittkraft proportional an. Je nach dem gewählten Vorschub steigen die Geraden steiler oder weni-ger steil an.

Werkstoff Schneidstoff Kühlmittel

Bei der Bearbeitung unter-schiedlicher Werkstoffe erge-ben sich bei sonst konstanten Spanungsbedingungen auf-grund der verschiedenen Eigenschaften unterschiedli-che Schnittkräfte. In erster Näherung kann angenommen werden, dass mit steigender Zugfestigkeit bzw. Härte die Schnittkraft ansteigt.

SS SchnellarbeitsstahlHM HartmetallSK SchneidkeramikSHS Superharte Schneid-

stoffe (CBN)Die dargestellten Verhältnisse gelten für das Spanen von Eisenwerkstoffen.

Durch den Einsatz entspre-chender Kühlschmiermittel können die Schnittkräfte gegenüber der Trockenbear-beitung geringfügig gesenkt werden.Entscheidend für den Einfluss auf die Schnittkraft sind jedoch die Wahl geeigneter Schneid-stoffe (vgl. Kapitel 1, Abschnitt 4).

Tabelle 1.33 Beeinflussung der Schnittkraft – Fortsetzung Seite 94


94


2.4.1.4 Vorschub- und Passivkraft

Für die Vorschubkraft Fν und Passivkraft Fp sind in der Literatur im Vergleich zurSchnittkraft nur relativ wenige Untersuchungsergebnisse zu finden. Ihre Berechnungenerfolgen analog zur Schnittkraft. Es gelten folgende analoge Zusammenhänge:

Fv Vorschubkraft [N]

b Spanungsbreite [mm] (Gl. 1.10)


kv 1.1 Hauptwert der spezifischen Vorschubkraft [N/mm2]

1-x Anstiegswert

Fp Passivkraft [N]

b Spanungsbreite [mm] (Gl. 1.11)


kp 1.1Hauptwert der spezifischen Passivkraft [N/mm2]

1-y Anstiegswert

In Bild 1.44 ist der Einfluss des Einstellwinkels auf die Vorschub- und Passivkraft für dasDrehen dargestellt. Ersichtlich ist, dass mit zunehmendem Einstellwinkel die Passivkraftab- und die Vorschubkraft zunimmt.

Tabelle 1.25 Fortsetzung Beeinflussung der Schnittkraft

Spanungsver-hältnisG = ap / f

Im Allgemeinen werden für das Schruppen ein Spanungsverhältnis im Bereich zwischen G = 2...10 und für das Schlichten ein Verhältnis von G = 10...20 gewählt. Der Einfluss des Spanungsverhältnisses ist nicht so stark wie der des Vorschubes oder der Schnitttiefe.Ein kleines Spanungsverhältnis ist hinsichtlich der Kräfte günstiger. Ein großes Spanungsverhältnis ist dagegen zur Erreichung einer hohen Standzeit günstiger.

Geometrie der Schneide

Spanwinkel Einstellwinkel

Schnittkraftänderung je Grad Spanwinkeländerung:ca. 1 ... 2% (für γ = –20° ... +30°)

Der Einstellwinkel hat einen verhältnismä-ßig geringen Einfluss auf die Schnittkraft.

Fv b kv1.1 h1 x–⋅ ⋅=

Fp b kp1.1 h1 y–⋅ ⋅=


95

Grundlagen

2.4.2 Leistung und DrehmomentAllgemein ergibt sich die Leistung beim Spanen als Produkt aus den Geschwindigkeits-komponenten und den in ihrer Richtung wirkenden Komponenten der Zerspankraft. Esgilt somit allgemein:

P Leistung [kW]

F Kraft [N] (Gl. 1.12)

v Geschwindigkeit [m/min]

Wird für die Leistungsermittlung vom Drehmoment und der Drehzahl ausgegangen er-gibt sich dann:

P Leistung [kW]

Md Drehmoment [N/m] (Gl. 1.13)

n Drehzahl [U/min]

Die Schnittleistung Pc ist für die leistungsmäßige Auslegung einer Werkzeugmaschineam wichtigsten. Sie tritt direkt am Werkzeug auf. Berechnet wird sie wie folgt:

Pc Schnittleistung [kW]

Fc Schnittkraft [N] (Gl. 1.14)

vc Schnittgeschwindigkeit [m/min]

PF v⋅

60000---------------=

PMd n⋅9554------------=

Pc

Fc vc⋅60000---------------=

Bild 1.44 Einfluss des Einstellwinkels κ auf die Vorschub- und Passivkraft beim Drehen und Fräsen


96


Die Vorschubleistung Pf berechnet sich wie folgt:

Pf Vorschubleistung [kW]

Ff Vorschubkraft [N] (Gl. 1.15)

vf Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]

Die Wirkleistung Pe ist die Summe der entsprechenden Schnitt- und Vorschubanteile.

Pe Wirkleistung [kW]

Pc Schnittleistung [kW] (Gl. 1.16)

Pf Vorschubleistung [kW]

Wegen der relativ kleinen Vorschubgeschwindigkeit im Vergleich zu den Schnittge-schwindigkeiten kann die Wirkleistung in den meisten Fällen annähernd der Schnittleis-tung gesetzt werden (Pe ≈ Pc ).

Für die Auslegung der Antriebsmotoren ist die Antriebsleistung Pa ausschlaggebend,bei der der Wirkungsgrad η Berücksichtigung findet.

Pa Antriebsleistung [kW]

Pc Schnittleistung [kW] (Gl. 1.17)

η Wirkungsgrad

2.4.3 Zeitspanvolumen und spezifisches SpanvolumenAls Maß für die Produktivität einer spanenden Werkzeugmaschine gilt das Zeitspanvolu-men oder das spezifische Spanvolumen. Dabei gilt der Grundsatz, dass mit steigendemZeitspanvolumen bzw. spezifischen Spanvolumen die Maschinengrundzeit sinkt.

Unter Zeitspanvolumen Q ist die in der Zeiteinheit abgehobene Spanmenge zu verste-hen. Es gilt folgende Gleichung:

Q Zeitspanvolumen [cm3/min]

A Spanungsquerschnitt [mm2] (Gl. 1.18)

vc Schnittgeschwindigkeit [m/min]

Das spezifische Spanvolumen Qc, auch leistungsbezogenes Zeitspanvolumen, drücktdie in einer Zeiteinheit und pro Kilowatt abgespante Spanmenge aus. Es gilt:

Qc spezif. Spanvolumen [cm3/kW * min]Pc Schnittleistung [kW] (Gl. 1.19)A Spanungsquerschnitt [mm2]Fc Schnittkraft [N]vc Schnittgeschwindigkeit [m/min]kc spez. Schnittkraft [N/mm2]

Pf Ff νf⋅=

Pe Pc Pf+=

Pa

Pc

η----=

Q A vc⋅=

QcQPc----

A vc⋅Fc vc⋅-----------

1kc----= = =


97

Grundlagen

Damit lässt sich die Größe des spezifischen Spanvolumens Qc aus der spezifischenSchnittkraft kc berechnen und umgekehrt. Das leistungsbezogene Zeitspanvolumen Qcist demzufolge nicht von der Werkzeugmaschinengüte, sondern von der für den Zerspa-nungsvorgang vorliegenden werkstoffbezogenen spezifischen Schnittkraft kc abhängig.

2.4.4 Ermittlung des LeistungsbedarfsZur Bestimmung der Arbeitsparameter ist die Kontrolle über den Leistungsbedarf durch-führbar. Dabei ist es gleichgültig, ob der Leistungsbedarf über die spezifische Schnittkraftkc oder über das spezifische Spanvolumen Qc erfolgt. Ermittelt wird die Leistung, die ander Spindelnase verfügbar sein muss.

Für die Vorauslegung der Arbeitsparameter kann schon im Vorfeld eine grobe Leistungs-bedarfsanalyse betrieben werden. Hierzu gelten folgende ausreichende Faustformeln fürdie Bearbeitung verschiedener Werkstoffe:

Stahlbearbeitung:

ap Schnitttiefe [mm]f Vorschub [mm] (Gl. 1.20)vc Schnittgeschwindigkeit [m/min]

Gussbearbeitung:

(Gl. 1.21)

Aluminiumbearbeitung:

(Gl. 1.22)

Beispiel:

Gesucht: Pc (Stahlbearbeitung z.B. C 45)

Gegeben: ap = 2 mm, f = 0,1 mm, vc = 180 m/min

Lösung:

Hinweis: Im Vergleich zur genauen Berechnung (siehe Gl. 1.14) ist die Abweichung sehr gering (1,85 kW bei genauer Berechnung). Bei Werkstoffen mit höheren spezifischen Schnittkräften, z.B. bei Werkzeugstählen oder rost- und säurebeständigen Stählen, ist der Leistungsbedarf zu gering berechnet.

Pc

ap f vc⋅ ⋅20

----------------=

Pc

ap f vc⋅ ⋅30

----------------=

Pc

ap f vc⋅ ⋅54 5,

----------------=

Pc2 0,1 180⋅ ⋅

20------------------------ 1,8 kW==


98


2.5 Oberflächenqualität

Für einen Endbearbeitungsprozess kann die Güte der erzeugten Oberfläche ein Kriteriumfür die Auslegung des Zerspanungsprozesses sein. Die theoretische Rautiefe ergibt sichdurch die Form der Schneidkante und durch die Relativbewegung zwischen Werkzeugund Werkstück. Für das Drehen sind die Zusammenhänge in Bild 1.45 dargestellt.

Rt (Theoretische) Rautiefe [mm]rε Eckenradius der Schneide [mm] (Gl. 1.23)f Vorschub [mm/U]ap Schnitttiefe [mm]

Somit nimmt die Rautiefe quadratisch mit dem Vorschub zu und linear mit einer Ver-größerung des Schneideneckenradius ab. Die Gleichung 1.23 gilt für Vorschübe bisf ≥ 0,08 mm. Eine Vergrößerung der Schneideckenrundung bringt ebenfalls eine Verbes-serung der Oberflächenqualität, muss jedoch relativ vorsichtig angewandt werden, daflache Schneiden (rε groß) bei beginnendem Verschleiß zum Rattern neigen.

f 8 rε Rt⋅ ⋅=

Bild 1.45 Geometrische Eingriffsverhältnisse beim Drehen


99

Grundlagen

In folgender Tabelle sind die Zusammenhänge gebräuchlicher Rauheitskennwerte über-blicksmäßig dargestellt.

Rautiefe Rt (Rmax), Rz

Maximale Rautiefe Rt (Rmax) ist die größte Einzelrau-tiefe innerhalb der Gesamtmessstrecke lm.

Mittlere Rautiefe Rz ist der Mittelwert aus den Einzel-rautiefen Zi aufeinander folgender Einzelmessstrecken le. Sie findet häufig in der Praxis Anwendung.

(Gl. 1.24)

Mittenrauwerte Ra, Rq

Arithmetischer Mittenrauwert Ra ist der arithmetrische Mittelwert der Beträge aller Profilwerte des Rauheits-profils. Er findet häufig in der Praxis Anwendung.

Der quadratische Mittenrauwert Rq ist der quadrati-sche Mittelwert aller Profilwerte des Rauheitsprofils.

y (x) = Profilwerte des Rauheitsprofils.

(Gl. 1.25)

(Gl. 1.26)

Tabelle 1.34 Ermittlung gebräuchlicher Rauheitskennwerte nach DIN

Rz RzDIN1n--- Zl Z2 … Zn+ + +( )⋅= =

Ra1l-- y x( ) xd

0

l

∫⋅=

Rq1l-- y x( ) xd

0

l

∫⋅=


100


3 Moderne Fertigungstechnologien

Der wachsende Wettbewerbsdruck zwingt die Unternehmen dazu, technische Innovatio-nen intensiver als je zuvor zu nutzen. Im Bereich der spanenden Fertigung liegen dieSchwerpunkte neben der Verkürzung der Hauptzeiten und der Verlängerung von Stand-zeiten auch bei der Nutzung und Umsetzung der Potentiale

V der Hochgeschwindigkeitszerspanung,V der Hochleistungszerspanung,V der Trockenzerspanung,V der Zerspanung mit Minimalmengenschmierung sowie V der Hartzerspanung.

Bild 1.46 Moderne Zerspanungstechnologien


101

Grundlagen

3.1 Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC)

3.1.1 Begriffsbestimmung und PotentialeHochgeschwindigkeitszerspanung (High Speed Cutting) ist ein Arbeiten mit deutlich erhöhterSchnittgeschwindigkeit vc bei relativ geringen Schnitttiefen. Die Zuordnung des Begriffszu bestimmten Schnittgeschwindigkeiten ist stets in Verbindung mit dem Bearbeitungs-verfahren aber auch mit dem zu bearbeitenden Werkstoff zu sehen (Bild 1.47).

Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit lassen sich folgende Vorteile nennen:

V Erhebliche Reduzierung der HauptzeitenV Erhöhtes spezifisches Spanvolumen um ca. 30% möglichV Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit um das 5- bis 10facheV Reduzierung der Zerspankraft um mehr als 30% möglichV Schwingungsarme Bearbeitung geometrisch komplizierter Bauteile möglichV Spanende Endbearbeitung durch HSC möglich (Oberflächenqualität nahezu Schleif-

qualität, verzugsfreie Bearbeitung durch Abführung der Prozesswärme vorwiegend über die Späne)

Nachteile dagegen sind:

V Reduzierung der Werkzeugstandzeit mit zunehmender SchnittgeschwindigkeitV Schneidstoffe und Beschichtungen sind den Gegebenheiten anzupassenV Optimale Technologieparameter sind noch nicht umfassend bekanntV Bearbeitungsstrategien müssen gegenwärtig für jedes Bauteil neu erarbeitet werden

Bild 1.47 HSC-Schnittgeschwindigkeitsbereiche


102


3.1.2 ProzessanforderungenHSC-Bearbeitungsparameter beeinflussen nicht nur den Prozess selbst, sondern wirkenauf das Gesamtsystem Werkzeugmaschine-Werkzeug-Werkstück (Bild 1.49).

Bild 1.48 Auswirkungen der HSC-Bearbeitung auf den Zerspanungsprozess

Bild 1.49Einflussfaktoren aufund Impulsgeber für den Gesamt-prozess


103

Grundlagen

Für den optimalen Einsatz dieser Technologie sind folgende Voraussetzungen zu schaf-fen:

Maschine:

V Spiel- und schwingungsarme ArbeitsweiseV Hohe SteifeV Leichtbau bewegter TeileV Hohe Drehzahl und Rundlaufge-

nauigkeit der SpindelV Realisierung hoher Vorschübe

(Linearantriebe)

Werkzeug:

V Hohe RundlaufgenauigkeitV Hohe Wuchtgüte (Geometrie,

Schaftgestaltung)V Hohe Standzeiten (spezielle

Schneidengeometrien und Beschichtungen)

V Große Steifigkeit

Werkzeugaufnahme:

V Hohe RundlaufgenauigkeitV Hydrodehn-, Hochgenauigkeit-

oder Schrumpffutter

Werkstück:

V Stabile und schwingungsarme Aufspannung

Höhere Standzeiten und bessere Oberflächengüten sind nur dann mit entsprechendenSchneidstoffen zu erzielen, wenn eine hohe Rundlaufgenauigkeit von der Spindel überdie Werkzeugaufnahme bis zur Schneide realisiert werden kann. Insbesondere in derHSC-Bearbeitung ist dies eine unabdingbare Forderung. Das setzt allerdings nicht nur ei-ne verbesserte Schaftgenauigkeit des Schneidwerkzeuges voraus, sondern auch Werk-zeugaufnahmen, deren Spanntechniken so optimiert wurden, dass so wenig wie mög-lich Spannfehler auf die Schneide reproduziert werden. (siehe auch Kapitel 9 „Spannen“)

Es sind eine Reihe von konventionellen Spanntechniken bekannt, wie Spannfutter fürSpannzangen in unterschiedlichen Ausführungen oder Weldon/Whistle-Notch, die be-reits für viele Einsatzbereiche durch die Hydrodehnspanntechnik verbessert wurden. Die-se wird heute erfolgreich wegen ihrer hohen Rundlaufgenauigkeit und ihres einfachenHandlings in vielen Bereichen bis hin zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt.

– spezielle TiAIN-Beschichtung

– spezielle Schneidengeometrie

– höchste Rundlaufgenauigkeit

Bild 1.50 GARANT-VHM-Torus-Fräser zur HSC-Zerspanung (vc bis 1000 m/min)


104


Die Schrumpftechnik als eine weitere Methode zeichnet sich durch höchste Genauigkeit,sicheren Kraftschluss und hohe Steifigkeit aus und ist aufgrund der rotationssymmetri-schen Bauform der Spannfutter insbesondere für die HSC-Bearbeitung geeignet. Es wer-den Rundlaufgenauigkeiten kleiner 0,003 mm bei 3 x D Auskraglänge sichergestellt. BeiVerwendung von rundlaufgenauen Werkzeugen können diese Genauigkeiten weitge-hend auf die Schneide übertragen werden. Hierdurch gibt es deutliche Standzeiterhö-hungen und eine Verbesserung der Oberflächenqualität.

Besonders bei der HSC-Bearbeitung sind die Fliehkräfte von besonderer Bedeutung. Siebelasten die Spindellagerung (Zerstörung der Spindel), verursachen Vibrationen, die dieOberflächenqualität negativ beeinflussen, verschlechtern die Fertigungsgenauigkeit undverkürzen die Werkzeugstandzeit. Fein- oder Feinstwuchten ist immer dann erforderlich,wenn optimale Arbeitsbedingungen erreicht werden sollen (Endbearbeitung).

Weitere Ausführungen zum Auswuchten und zur Wuchtgüte sind dem Kapitel 9 „Span-nen“ zu entnehmen.

3.2 Hochleistungszerspanung (HPC)

3.2.1 Zielstellung der HochleistungszerspanungBei der Hochleistungszerspanung (High Performance Cutting) steht im Gegensatz zurHochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) die Optimierung des Zeitspanvolumens (sieheauch Abschnitt 2.4.3) im Vordergrund, um eine Hauptzeitreduzierung zu erreichen. Sieschließt auch den Bereich niedriger Schnittgeschwindigkeiten bei deutlich höheren Vor-schubwerten mit ein, da auch hierbei hervorragende Zeitspanvolumina erreicht werdenkönnen.

HPC beinhaltet auch eine Verkürzung der Nebenzeiten durch eine Erhöhung der Positio-nier- und Eilgangsgeschwindigkeiten sowie eine Verringerung der Werkzeugwechselzei-ten.

Bild 1.51 Zielstellung der HPC


105

Grundlagen

Während sich der mögliche Vorschub im wesentlichen durch die Anzahl der Schneidenergibt, ist die Schnittgeschwindigkeit durch den verwendeten Schneidstoff vorgegeben.Im nachfolgenden Abschnitt 4 werden wesentliche Entwicklungen und Potentiale vonSchneidstoffen für Zerspanungswerkzeuge aufgeführt.

Hochleistungswerkzeuge müssen somit sowohl den auftretenden Zerspanungskräfteninsbesondere bei einer HPC als auch den deutlich höheren Fliehkräften bei der HSC-Bear-beitung Rechnung tragen. Zusammen mit einer entsprechend konzipierten Maschinen-technik bieten Werkzeuge für die Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitszerspanungdie Grundlage für eine signifikante Produktivitätssteigerung in der spanenden Bearbei-tung durch Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten, des Vorschubes und der Oberflä-chenqualität des Werkstückes bei erreichbarem Spanvolumen von 5.000 bis 10.000 cm3/min z.B. bei einer Leichtmetallzerspanung.

3.2.2 Hochleistungszerspanung am Beispiel FräsenBei der Hartzerspanung wird die Vielschichtigkeit des Begriffes Hochleistungsbearbei-tung besonders deutlich. Für extreme Vorschübe und dadurch erzieltes höchstes Zeit-spanvolumens Qc sowie reduzierte Bearbeitungszeiten bieten Hochleistungs-Hartmetall-fräser die beste Voraussetzung. Durch die extreme Steife und die damit möglichen hohenVorschubwerte sind diese Werkzeuge den Belastungen einer Hochleistungszerspanunggewachsen.

Bearbeitungsbeispiel: Umfangfräsen von St 37 (1.0037)

Werkzeug: GARANT-VHM-Fräser

Schnittdaten: Versuch 1: vc = 66 m/min, fz = 0,1 mm

Versuch 2: vc = 112 m/min, fz = 0,1 mm

Versuch 3: vc = 140 m/min, fz = 0,1 mm

Ergebnis:

– Erhöhung des Zeitspanvolumen auf 340% bei Einhaltung der Standmenge (8 Teile)

– Erhöhung des Zeitspanvolumens durch weitere Optimierung der Schnittparameter auf840% bei Erhöhung der Standmenge (14 Teile)

Garant-VHM-Fräser


106


3.3 Trockenzerspanung

3.3.1 Notwendigkeit, Effekte und BesonderheitenDer effektivste Ansatz die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide mit wirt-schaftlichen Vorteilen und ökologischen Zielstellungen zu kombinieren ist die Trocken-bearbeitung. Die Realisierung der Trockenbearbeitung setzt sehr detaillierte Kenntnisseüber das komplexe Zusammenwirken von

V Werkstück,V Werkstoff,V Werkzeug,V Bearbeitungsverfahren,V Bearbeitungsbedingungen sowieV Werkzeugmaschine und ihren Einfluss auf den Zerspanprozess und das Bearbeitungs-

ergebnis voraus.

Ziel der Trockenbearbeitung muss es sein, die Grundfunktionen des Kühlschmierstoffesgeeignet zu substituieren, um die Bauteile in der geforderten Qualität und unter der ge-setzten Kostenvorgabe herzustellen. Die ökologische Bedeutung der Kühlschmierstoffewird deutlich, wenn die pro Jahr verbrauchte Kühlschmiermittelmenge betrachtet wird.Nach Angaben des Bundesamtes für Wirtschaft beträgt der Verbrauch in Deutschlandpro Jahr ca. 75.148 Tonnen Kühlschmierstoffe (vgl. Bild 1.52).

Bild 1.52 Kühlschmiermittelverbrauch in Deutschland


107

Grundlagen

Tabelle 1.35 zeigt die prinzipielle Eignung einzelner Verfahren zur Trockenbearbeitung.Die Aktivitäten haben verschiedene Entwicklungsstadien erreicht und müssen differen-ziert bewertet werden. Teilweise stellt die in der Tabelle wiedergegebene Lösung erstGrundlagenwissen dar (Räumen). Teilweise wird die Trockenbearbeitung schon in der Se-rienfertigung eingesetzt (z.B. Fräsen von Al-Knetlegierungen).

Werkstoff Aluminium Stahl Grauguss

Verfahren

Gusslegie-rung

Knetlegie-rung

Hochleg. Stähle Wälzlagerstahl

Automaten-stahl

Vergütungs-stahl

GG20 GGG70

BohrenBeschichtung

MMSTiAlN

MMSUnbeschichtet

MMSTiAlN+Gleitschicht

TrockenTiN

TrockenTiN

ReibenBeschichtung

MMSTiAlN, PKD

MMSUnbeschichtet

— MMSPKD-Leiste

MMSPKD-Leiste

Gewindeschneiden MMSTiN, TiCN

— MMSTiN

MMSTiN, TiAlN

MMSTiCN

Gewindeformen MMSCrN, WC/C

MMS MMS MMSTiCN

—

FräsenBeschichtung

TrockenTiN+Gleit-schicht

CVD-Dia-mant

MMSUnbeschichtet

MMSTiAlN+Gleitschicht

TrockenTiN

TrockenTiN

Wälzfräsen — — MMS Trocken Trocken

Sägen MMS MMS MMS MMS —

RäumenBeschichtung

— — TrockenTiCN-Multilayer

TrockenTiCN-Multilayer

—

— keine prozesssicheren Anwendungsfälle bekannt bzw. keine Forschungsaktivitäten

Tabelle 1.35 Möglichkeiten der Trockenbearbeitung (MMS = Minimalmengenschmierung s. 3.4)bei der Zerspanung mit definierter Schneide


108


3.3.2 Trockenbearbeitungsgerechte Werkzeuge Aufgrund der hohen Warmhärte und Warmverschleißfestigkeit eignen sich vor allem be-schichtete Hartmetalle, daneben aber auch Schneidkeramiken, CBN- und Diamantwerk-zeuge für die Trockenbearbeitung.

Mit geeigneten Schichtsystemen können auch HSS-Werkzeuge in der Trockenbearbei-tung wirtschaftlich eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um eine Zerspanung mitniedrigen Schnittgeschwindigkeiten und mit hohen Anforderungen an die Zähigkeit desSubstrates wie z.B. beim Gewindebohren.

Sehr gute Ergebnissewerden beim Bohren inStahl mit TiAlN-TiN-Multilayer-Beschichtun-gen erzielt. Durch die„schmierende“ Wirkungder weichen Gleit-schichten verringertsich die Reibung zwi-schen Span und Werk-zeug.

Bild 1.53 TiAlN-TiN-Multilayer-Struktur

Bild 1.54 Erhöhung der Produktivität beim Trockenbohren von GG26Cr(Lt = Standweg in [m])


109

Grundlagen

Eine große Bedeutung im Hinblick auf eine hohe Prozesssicherheit kommt der Entwick-lung und dem Einsatz von Werkzeugen mit optimierten Geometrien zu.

Insbesondere das Trockenbohren bereitet immer wieder Probleme. Kernproblem beimTrockenbohren ist die sichere Spanabfuhr aus der Bohrung. Einen erfolgversprechendenAnsatz stellen, neben den Schichtsystemen, Werkzeuge mit vergrößerten Spannuten dar.

3.4 Minimalmengenschmierung

3.4.1 BegriffsbestimmungDa eine reine Trockenbearbeitung aufgrund unzureichender Arbeitsergebnisse oft nichtdurchführbar ist, wird als Kompromiss in der Praxis häufig die Minimalmengenkühl-schmierung (Quasitrockenbearbeitung) eingesetzt. Geringe Mengen an KühlschmierstoffKSS verbessern das Arbeitsergebnis und sind eine Möglichkeit zur Reduzierung des KSS-Verbrauches.

Für die Zuführung einer äußerst geringen Menge an Kühlschmierstoff haben sich heutedie Begriffe:

V Minimalmengen-(Kühl)schmierung MMKS (Schmierstoffmenge i. allg. kleiner 50 ml/h) und

V Mindermengen-(Kühl)schmierung MKS (Schmierstoffmenge i. allg. kleiner 120 l/h) durchgesetzt.

Allerdings ist die Kühlwirkung umstritten, so dass von vielen Autoren der Begriff Mini-malmengenschmierung MMS favorisiert wird.

Bild 1.55 Einsatz einer Minimalmengenschmierung


110


Beim Einsatz der Minimalmengentechnik sollte grundsätzlich zwischen der Art der Zu-führung und der Art der Gemischaufbereitung unterschieden werden, da dieses für dasEndergebnis von Bedeutung ist. Für die Zuführung der Schmierstoffes gibt es eine Viel-zahl von Möglichkeiten, die für die Bohrbearbeitung in Bild 1.56 dargestellt sind.

Bild 1.56 Minimalmengenzuführung bei der Bohrbearbeitung

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111

Grundlagen

3.5 Hartzerspanung

3.5.1 Besonderheiten, Anforderungen und Potentiale Die Hartbearbeitung ist gekennzeichnet durch be-sondere Spanbildungsmechanismen.

Harte Werkstoffe sind bei normalen Temperaturenund Drücken plastisch nicht verformbar. Somit bil-det sich bei der Spanbildung auch keine Scherebeneoder Scherzone heraus (vgl. Abschnitt 2.1). Am Be-ginn der Werkstofftrennung bildet sich vor der Span-fläche ein Riss in der Werkstückoberfläche, der sichfortsetzt. Es entstehen Spansegmente, die überwie-gend zum Sägespanzahn „zusammenbacken“. Beider Hartzerspanung wirken Spanbildungsmechanis-men, die im Vergleich zur Weichbearbeitung sehrhohe Schnitttkräfte und Schnitttemperaturen verur-sachen.

Die bei der Hartzerspanung auftretenden Beanspruchungen geben die Anforderungenan die dort einzusetzenden Schneidstoffe vor:

Während in der Vergangenheit bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit Härtewertenüber 60HRC in der Regel die Funkenerosion oder als Feinbearbeitungsverfahren dasSchleifen eingesetzt werden musste, können heute aufgrund der konsequenten Ausnut-zung hochverschleißfester Schneidstoffe und tieferer Prozesskenntnisse die Fertigungs-verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide angewendet werden. Sie bieten Vortei-le, wie höhere Flexibilität, Komplettbearbeitung in einer Aufspannung und dieMöglichkeit der Fertigungsfolgeoptimierung mit Energieeinsparung und kürzeren Ferti-

Beanspruchungen durch Hartzerspanung

Anforderungen an die Schneidstoffe

Hohe Einsatztemperaturen Diffusionsbeständigkeit und Warmhärte

Hoher Druck nahe der Schneidkante Biege- und Druckfestigkeit

Hohe Stoßbelastung im unterbrochenen Schnitt

Zähigkeit, Kantenfestigkeit

Tabelle 1.36 Anforderungen der Hartzerspanung an die Schneidstoffe

Bild 1.57 Fräsen von gehärtetem Stahl


112


gungszeiten. GARANT bietet für die Hartzerspanung (Drehen, Schaft- und Wendeplatten-fräsen, Bohren, Gewinden, Senken und Reiben) ein umfangreiches Sortiment an entspre-chender Werkzeugtechnik an.

Damit die Potentiale der Hartzerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide (z.B.Hartdrehen) gegenüber dem Schleifen voll wirksam werden können gilt es, neben derWeiterentwicklung der Schneidstoffe auch die Verfügbarkeit entsprechender Spannmit-tel und Maschinentechnik zu realisieren.

3.5.2 Hartzerspanung am Beispiel FräsenDie Dreh- und Fräsbearbeitung wird bereits industriell angewendet, wobei hochver-schleißfeste Schneidstoffe wie polykristallines Bornitrid (PKB bzw. CBN) oder Al2O3-Mischkeramik eingesetzt werden können (vgl. auch Abschnitt 4 „Schneidstoffe“). Nach-folgend sollen einige Praxisbeipiele für das Hartfräsen aufgezeigt werden.

Technologiedaten – Hartfräsen

GARANT-VHM-Fräser

Maschine: Maho 1000 S Aufnahmen: Sk40

Werkzeug:Gleichlauffräsen

Durchmesser 16 mm HG-Futter

Werkstoff: 40CrMnMo7(1.2311, Werkzeugstahl gehärtet auf 63 HRC)

Schnittdaten: vc = 90 m/min n = 1000 min-1

fs = 0,08 mm/Z vf = 800 mm/min

ap = 0,2 mm aa = 16 mm

Kühlung: Luft

Ergebnis: Verschleiß: VB = 0,12 mm

Standweg: L = 103 m

Oberflächengüte: N 6


113

Grundlagen

Unter der Voraussetzung von stabilen Bearbeitungsmaschinen mit ausreichender An-triebsleistung lassen sich hohe Oberflächengüten erzielen.

Hartfräsen von Werkzeugstahl

Werkzeug: GARANT-Feinstkorn-VHM-SchaftfräserDurchmesser 10 mm, 6 SchneidenTiAlN-Monolayer-BeschichtungRundlauftoleranz < 10 µm

Werkstoff: 155CrMoV121(1.2379, Werkzeugstahl gehärtet auf 62 HRC)

Schnittparameter: fz = 0,07 mm/Z vc variabel

ap = 10 mm ae = 0,2 mm

1. Ermittlung der opt. Schnittgeschwindigkeit für die Trockenzerspanung in Abhängigkeitvom Standweg L.

Ergebnis:

vc optimal bei 70 m/min(vgl. Diagramm rechts)

2. Vergleich von Trocken- und Nasszerspanung

Ergebnis:

Trockenbearbeitung optimal

(vgl. Diagramm rechts)


114


4 Schneidstoffe und Beschichtungen

4.1 Einteilung der Schneidstoffe

Allgemein werden an Schneidstoffe (aktiver Teil des Werkzeuges) folgende Anforderun-gen gestellt:

V Große Härte und DruckfestigkeitV Hohe Biegefestigkeit und ZähigkeitV Hohe VerschleißfestigkeitV Hohe Temperaturbeständigkeit

Von der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe ist abhängig, welche der genannten Anforde-rungen den Schwerpunkt bilden. Unterteilt können Schneidstoffe für die spanende Bear-beitung wie folgt werden:

In Tabelle 1.37 sind einige wichtige Eigenschaftskennwerte verschiedener Schneidstoffedargestellt. Der Vergleich macht z.B. deutlich, dass Schnellarbeitsstähle und Hartmetallegegenüber der Schneidkeramik und den superharten Schneidstoffen (CBN, PKD) einewesentlich höhere Biegebruchfestigkeit bei geringerer Härte und Druckfestigkeit besit-zen.

Bild 1.58 Eigenschaften gebräuchlicher Schneidstoffe


115

Grundlagen

Im Folgenden werden wesentliche Schneidstoffe und deren Beschichtungen beschrie-ben. Nähere Angaben über Richtwerte und spezielle Anwendungen sind den Kapiteln 2bis 8 zu den jeweiligen Fertigungsverfahren zu entnehmen. Die theoretischen Zusam-menhänge bezüglich Schnittkräfte, Verschleiß, Standzeiten usw. sind im Abschnitt 2 dar-gestellt.

Eigenschaften Scheidstoffe

Schnell-arbeits-stahl

Hartmetall Schneid-keramik

Superharte Schneid-stoffe (CBN, PKD)

P02–P40 M10–M40 K03–K40

Dichte[g/cm3]

8,0 bis 9,0 6,0 bis 15,0 3,2 bis 4,5 3,12 bis 3,5

Vickershärte

HV30

700 bis 900

1.350 bis 1.650

1.350 bis 1.700

1.300 bis 1.800

1.350 bis 2.100

3.500 2)

Biegebruchfestig-keit

[MPa]

2.500 bis 4.000

800 bis 1.900

1.350 bis 2.100

1.200 bis 2.200

400 bis 950

500 bis 1.100

Druckfestigkeit

[Mpa]

2.800 bis 3.800

5.100 bis 4.600

6.000 bis 4.400

6.200 bis 4.500

3.500 bis 5.5001)

7.600 3)

E-Modul

[GPa]

260 bis 300

440 bis 560

540 bis 580 580 bis 630

300 bis 450

680 bis 840

Wärmeausdeh-nung [10-6K-1]

9 bis 12 7,5 bis 5,5 5,5 5,0 bis 5,5 3,0 bis 8,0 –

1) gilt für Oxydkeramik2) gilt für CBN3) gilt für PKD

Tabelle 1.37 Eigenschaften verschiedener Schneidstoffe bei Raumtemperatur


116


4.1.1 Hochleistungsschnellarbeitsstähle (HSS)Hochleistungsschnellarbeitsstähle sind für Spiralbohrer, Senk- und Reibwerkzeuge, Fräserund Sägeblätter weit verbreitet. Auch für Formdreh- und Stechmeißel wird häufigSchnellarbeitsstahl verwendet. Einsatzbedingungen dafür sind:

V geringe Schnittgeschwindigkeiten V meist Kühlung der Schneide unerlässlichV niedrigere Verschleißfestigkeit gegenüber HartmetallenV hohe Warm- und BiegebruchfestigkeitV preisgünstig

Eine Reihe bevorzugter Qualitäten sind in Tabelle 1.38 dargestellt. Allgemein wird als HSSder Schnellarbeitsstahl S 6-5-2 (1.3343) bezeichnet. Die Bezeichnung HSCO oder HSS/Costeht für den Werkstoff S 6-5-2-5 (1.3243). Die höher legierten Schnellarbeitsstähle wer-den meist als HSS-E bezeichnet. In der nachfolgenden Tabelle werden die Legierungsele-mente und Leistungsmerkmale der einzelnen Hochleistungsschnellarbeitsstähle zusam-mengefasst. Qualitätsverbesserungen lassen sich durch pulvermetallurgische Her-stellungsstufen erzielen (PM-Stähle). Dabei wird der flüssige Stahl durch Düsen zerstäubtund anschließend in Rohlinge gepresst. Es entsteht ein sehr feinkörniges Gefüge mit sehrguten mechanischen Eigenschaften, die das Verschleißverhalten deutlich verbessern.

Schneidstoff Verwendung Legierungsanteile [%]

C W Mo V Co Cr

HSS Allgemeine Anwendung 0,9 6,5 5,0 2,0 – 4,2

HSS mit ca. 5% Co

(HSS/Co5)

Hohe Warmfestigkeit für höhere Schnittgeschwindigkeiten,Bohren: Bearbeitung von hochfesten Werkstoffen

0,9 6,5 5,0 2,0 4,8 4,2

HSS mit Co oder V(HSS/E)

Oberbegriff für HSS/Co5 und HSS/V3,besonders bei Gewindebohren

0,91,2

6,56,5

5,05,0

2,03,0

4,8–

4,24,2

HSS mit 8% Co(HSS/Co8)

Besonders für unterbrochenem Schnitt wie z.B. bei Fräsarbeiten

0,9 6,5 5,0 2,0 8,0 4,2

HSS mit 10% Co bzw. 12,5% Co(HSS/Co10)(HSS/Co12,5)

Extrem hohe Warmfestigkeit für Bear-beitung von rost- und säurebeständi-gen Materialien beim Fräsen

1,2 9,3 3,6 3,2 10,012,5

4,2

Pulvermetallur-gischer HSS-Stahl(PM)

Besonders für die Trockenbearbeitung und für höchste Belastungen beim Frä-sen und Gewindebohren

1,3 6,5 5,0 3,1 8,5 4,2

Tabelle 1.38 Legierungs- und Leistungsgruppen der GARANT-Hochleistungsschnellarbeitsstähle


117

Grundlagen

Eine der Bearbeitungsaufgabe entsprechend angepasste Beschichtung der HSS-Werkzeuge bewirkt eine weitere Leistungssteigerung bezüglich des Standvermögens. InBild 1.59 ist ein Beispiel dafür aufgeführt.

4.1.2 Hartmetalle (HM oder VHM)Für die spanende Formung spielen insbesondere die Sinterhartmetalle, die aus einer Rei-he unterschiedlicher Karbide und einem Bindemetall hergestellt werden, eine wesentli-che Rolle. Man unterteilt Hartmetalle (Kurzbezeichnung HM) üblicherweise nach ISO ent-sprechend der drei Spanungshauptgruppen:

V P für Bearbeitung langspanender Werkstoffe, wie Stahl, Stahlguss, rostfreier Stahlund Temperguss,

V M Sorte für lang- und kurzspanende Werkstoffe, wie austenitischer rostfreier Stahl,hitzebeständige Werkstoffe, Manganstähle, legierte Gusssorten usw.,

V K für Bearbeitung kurzspanender Werkstoffe, wie Grauguss, gehärteter Stahl sowieNichteisen-Werkstoffe wie Aluminium, Bronze, Kunststoffe usw.

Bild 1.59 Einsatz einer TiAIN-Beschichtung beim HSS-Schruppfräsen

Bild 1.60 Mikrostrukturen unterschiedlicher Hartmetallsorten


118


Einsatzbedingungen:

V wesentlich höhere Standzeiten im Vergleich zu HSSV höhere VerschleißfestigkeitV höhere mögliche Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe (erhöhte Zeitspanvolu-

mina)

Die in den konventionellen Hartmetallen enthaltenen Hartpartikel schwanken je nachHersteller in einem Bereich zwischen 1 und 5 µm. Erfordern Bearbeitungsaufgaben schar-fe Schneiden mit höchsten Anforderungen an die Zähigkeit, die Kanten- und Verschleiß-festigkeit des Schneidstoffes, kommen die in der vergangenen Zeit verstärkt entwickel-ten Feinstkornhartmetalle zum Einsatz. Das GARANT-Feinstkorn-Vollhartmetall(Universal-VHM) besteht aus Feinstkornkarbiden mit einer Größe von ca. 0,3 µm. Mit die-sen Feinstkornhartmetallen werden die Bereiche der P- bis K-Sorten überdeckt (vgl. auchBild 1.60). Das Einsatzgebiet dieser Schneidstoffe liegt in der Zerspanung vergüteter undgehärteter Stähle, bei der Gusszerspanung, dem Bearbeiten von Faserverbund- undNichteisenwerkstoffen.

Bild 1.61 Eigenschaften verschiedener Hartmetalle


119

Grundlagen

4.1.3 CermetsCermets sind titankarbidhaltige (TIC, TiCN) Hartmetalle. Es sind Verbindungen aus kera-mischen Partikeln in einem metallischen Binder (CERamic-METal).

Hervorzuhebende Eigenschaften der Cermets sind:

V Hohe Freiflächen- und KolkverschleißfestigkeitV Hohe chemische Stabilität und WarmhärteV Geringe Neigung zur AufbauschneidenbildungV Geringe Neigung zu Oxidationsverschleiß

Mit ihrem langsamen Verschleißverlauf verfügen sie über lange Standzeiten und erzeu-gen ausgezeichnete Genauigkeiten und Oberflächengüten. Anwendung finden sie beihohen Schnittgeschwindigkeiten, niedrigen Vorschüben und gleichmäßigen Schnitttie-fen. Idealerweise sollten die Bearbeitungsbedingungen für einen optimalen Einsatz derCermets relativ stabil sein, d.h. ihr Haupteinsatzfall ist der Schlichtbereich.

Die höhere Zähigkeit der Cermetsorten zum Fräsen gestattet ebenso das Bearbeiten vonrostfreien und austenitischen Stählen. Verglichen mit dem Einsatzspektrum beschichte-ter wolframbasierter Hartmetalle nehmen die Cermets jedoch einen vergleichsweisengeringen Raum ein. Sie sind für gewisse Schlichtoperationen speziell bei „schmierenden”Werkstoffen jedoch eine gute Alternative.

Durch eine Beschichtung wird die Oberflächenhärte und damit der Widerstand gegenAbrieb gesteigert und die Bildung von Aufbauschneiden verringert. Cermets sind nurdurch PVD beschichtbar (vgl. dazu auch weitere Ausführungen zu Beschichtungen).

Das GARANT-Cermet besteht aus Feinstkornkarbiden mit einer Größe von ca. 0,2 bis0,4 µm. Dabei wurde der Anteil des Bindemittels Nickel der Anwendung als Vollcermet-Fräser oder als Wendeplatte prozentual genau angepasst. Insbesondere lassen sichdamit Trockenschnitte im Schlichtbereich realisieren.

Bild 1.62 Gefügebild einer Cermet-Sorte


120


4.1.4 Polykristallines kubisches Bornitrid (PKB oder CBN)Kubisches Bornitrid (CBN) kommt als polykristalliner Schneidkörper in drei unterschiedli-chen Ausführungsformen zur Anwendung:

V als massive WendeschneidplatteV als Belag, aufgesintert auf eine HartmetallunterlageV als Schneidkörper, aufgelötet auf eine Hartmetallunterlage.

Eigenschaften:

V extreme HärteV hohe Warmhärte bis zu Temperaturen von 2000°CV hoher AbrasivverschleißwiderstandV relativ spröde, allerdings zäher und härter als SchneidkeramikV gute chemische Stabilität während der Zerspanung

Die Eigenschaften eines CBN-Schneidstoffes lassen sich durch Ändern der Kristallgröße,des Gehaltes und des Typs des Binders variieren. Ein niedriger CBN-Gehalt in Kombinati-on mit einem keramischen Binder erzeugt eine bessere Verschleißfestigkeit und chemi-sche Stabilität. Dieser Schneidstoff eignet sich besonders zur Endbearbeitung harterStahlwerkstoffe und Gusseisenwerkstoffe.

Ein höherer Gehalt an CBN bewirkt eine höhere Zähigkeit. Sie kommen bevorzugt dortzum Einsatz, wo im Falle einer Grobzerspanung mit hohen mechanischen Schneidenbe-lastungen und mit hohen thermischen Beanspruchungen zu rechnen ist. Sie eignen sichin erster Linie zur Bearbeitung harter Gusssorten und hitzebeständiger Legierungen (Bil-der 1.64 und Tabelle 1.39).

Bild 1.63 Mikrostruktur von kubischem Bornitrid (CBN)


121

Grundlagen

Zu den Einsatzfeldern des CBN gehören Schmiedestähle, gehärtete Stähle und Guss-werkstoffe, hitzebeständige Legierungen sowie kobalt- und eisenbasierte Pulvermetalle.

Es empfiehlt sich, CBN für die Bearbeitung harter Werkstoffe oberhalb von 45 bis 65 HRCeinzusetzen. Sind die Werkstoffe zu weich, ist mit ungewöhnlich hohem Verschleiß zurechnen. Mit CBN-Schneiden können weiterhin ausgezeichnete Oberflächengüten er-reicht werden.

GARANT bietet nachfolgende zwei Sorten von CBN-Schneidstoffen an:

V CBN 720 Extrem verschleißfeste Sorte mit hoher Zähigkeit für einen kontinuierlichen Schnitt

V CBN 725 Verschleißfeste Sorte mit höchster Zähigkeit für einen unterbrochenen Schnitt

Niedriger CBN-Gehalt Hoher CBN-Gehalt

Merkmale

Eigenschaften

CBN-Gehalt < 60%

Niedrige Druckfestigkeit

Niedrige Wärmeleitfähigkeit

CBN-Gehalt 80 bis 95%

Hohe Bruchzähigkeit

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Bevorzugter Einsatz

Fertigbearbeitung:

V gehärteter StahlV GusseisenV Hartbeschichtungen

(auf Co-, Ni- und Fe-Basis)

Grobbearbeitung:

V Gehärteter StahlV SchalenhartgussV Hartbeschichtungen

(auf Co-, Ni- und Fe-Basis)

Fertigbearbeitung:

V SchalenhartgussV Perlitischer Grauguss

Tabelle 1.39 Einsatzfelder verschiedener CBN-Schneidstoffe

Bild 1.64Eigenschaften von CBN-Schneidstoffen


122


4.1.5 Polykristalliner Diamant (PKD)Der Schneidstoff polykristalliner Diamant (PKD) ist das härteste Material. Die außeror-dentliche Härte ermöglicht es, hohem Abrasivverschleiß zu widerstehen. Die Standzeitenfür eine Bearbeitung mit PKD liegen bis zu 100 mal höher im Vergleich zu Hartmetall.Trotz der positiven Effekte sind auch für PKD folgende Einsatzgrenzen vorhanden:

V Temperaturen der Zerspanungszone nicht höher als 600°CV Wegen Affinität nicht einsetzbar zur Bearbeitung von EisenwerkstoffenV Nicht geeignet für zähe hochfeste Werkstückwerkstoffe

Einsatzgebiete sind:

V Nichteisen- und nichtmetallische WerkstoffeV Bearbeitungen, die eine hohe Genauigkeit und hohe Oberflächengüte erfordern

Aufgrund seiner Sprödigkeit erfordert PKD stabile Bearbeitungsbedingungen, steifeWerkzeuge und Maschinen sowie hohe Schnittgeschwindigkeiten. Kühlschmiermittelstellen kein Problem für den Schneidstoff dar. Typisch für eine PKD-Anwendung sind End-bearbeitungsoperationen.

In Bild 1.65 wird ein Kostenvergleich für die Graphitzerspanung mittels verschiedenerSchneidstoffe gezeigt. Der Einsatz von PKD-Werkzeugen ermöglicht eine 10fach höhereStandzeit gegenüber dem Hartmetall-Werkzeug. Desweiteren weisen die Werkzeuge mitDiamantbeschichtung keine Unwuchten durch eingelötete Schneiden auf und garantie-ren somit eine erhöhte Rundlaufgenauigkeit der Schaftfräser.

Verdeutlicht wird, dass stets nur durch die gewissenhafte Bewertung der konkreten Ein-satzbedingungen und Randbedingungen ein kostenoptimaler Schneidstoff ausgewähltwerden kann.

Werkstück:Graphit V 14 66

Werkzeug:VHM-SchlichtfräserD = 6 mm

Schnittwerte:vc = 600 m/minfz = 0,06 mm/Zae = 1 mmap = 5 mm

Bild 1.65Zerspanung von Graphit


123

Grundlagen

4.2 Beschichtungen

Beschichtungen beeinflussen den Zerspanungsvorgang wesentlich. Durch eine gewis-senhafte, der Bearbeitungsaufgabe angepaßte Auswahl der Beschichtung der Werkzeug-schneide lassen sich folgende Vorteile erzielen:

V StandzeitverlängerungV Geringere SchnittkräfteV Höhere Schnitt- und VorschubgeschwindigkeitenV Verbesserte OberflächenqualitätenV Verbesserte TrockenbearbeitungV Verbesserte Hartbearbeitung bis 65 HRC

4.2.1 BeschichtungsverfahrenHartstoffschichten können sowohl chemisch als auch physikalisch aufgebracht werden.Verfahrensvarianten sind das

V CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) sowie dasV PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition).

Das CVD-Verfahren (Chemische Abschei-dung aus der Gasphase) wird für die Be-schichtung z.B. von Hartmetallen in großemUmfang eingesetzt. Für die Herstellungmehrlagiger Schichten ist es besonders ge-eignet, da die unterschiedlichen Schichtzu-sammensetzungen über die Gasphaseleicht eingestellt werden können. Sie wer-den in unterschiedlicher Dicke, Kombinati-on und Reihenfolge auf die Oberfläche auf-getragen.

Der Vorteil des PVD-Verfahrens (Physikalische Abscheidung im Vakuum) gegenüber demCVD-Verfahren liegt in der Abscheidung hochschmelzender Stoffe bei niedrigen Tempe-raturen und einer damit verbundenen Substratschonung. Ein weiterer Vorteil liegt in dergeringeren Schichtdicke. Damit verbunden ist die Einhaltung einer relativ scharfenSchneidkante (geringer Schneidkantenradius), wie sie besonders in der Fein- und Präzisi-onsbearbeitung gefordert werden. Nachfolgend sind die Merkmale der Beschichtungs-verfahren gegenübergestellt.

Bild 1.66 Beschichtungsverfahren


124


4.2.2 SchichtenIn Tabelle 1.40 sind verschiedene Eigenschaften von Hartstoffschichten gegenüberge-stellt. Die Auswahl der entsprechenden Schicht ist dabei stets der jeweiligenBearbeitungsaufgabe anzupassen.

Wichtige Eigenschaften der verschiedenen Schichten sind der nachfolgenden Tabelle zuentnehmen. Verfahrensspezifische Richtwerte sind den Kapiteln 2 bis 8 zu entnehmen.

Noch umfangreicher kann den Anforderungen der Bearbeitungsaufgabe entsprochenwerden durch den Einsatz von Mehrlagenbeschichtungen.

Härte [HV] Wärmeleitzahl[kW/mK]

Maximale Anwendungstemperatur [°C]

TiN

TiCN

TiAIN

Diamant

Tabelle 1.40 Eigenschaften beschichteter Spezialwerkzeuge

Schichttyp Eigenschaften

TiN Kolk- und Diffusionsbeständigkeit,

TiAlN Warmhärte, Oxydationswiderstand

TiCN Härte, Zähigkeit

Diamant Härte, Verschleißfestigkeit

Tabelle 1.41 Herausragende Eigenschaften verschiedener Schichten

2.200 0,07 600

3.000 0,1 450

3.300 0,05 800

10.000 2,0 600


125

Grundlagen

4.3 Schneidstoffübersicht

Als GARANT-Schneidstoffe kommen sowohl Hochleistungsschnellarbeitsstähle (HSS undPM) als auch verschiedene Hartmetalle bzw. Cermets (beschichtet und unbeschichtet)sowie CBN-Schneidstoffe für Dreh- und Fräsverfahren zum Einsatz. In den nachfolgendenAusführungen wird insbesondere auf die verschiedenen GARANT-Hartmetall-Schneid-stoffe für Dreh- und Fräsverfahren näher eingegangen. Ausführungen zu den GARANT-HSS-Schneidstoffen sind dem Abschnitt 4.1.1 und zu den CBN-Schneidstoffen dem Ab-schnitt 4.1.4 dieses Kapitels zu entnehmen.

Für das Drehen können folgende GARANT-Hartmetall-Schneidstoffe zur Anwendungkommen (vgl. Tabelle 1.42 und Bild 1.67):

Beschichtetes Hartmetall

P05/P10/K05/K10

Extrem verschleißfeste Sorte für kontinuierlichen Schnitt für Stahl und Grauguss bei höchs-ten Schnittgeschwindigkeiten geeignet(TiN/Al2O3/TiCN, Mehrlagenbeschichtung).

P10/20/K10/20

Genereller Einsatz für nicht- bzw. leicht unterbrochenen Schnitt (Querbohrung) für Stahl bei höheren Schnittgeschwindigkeiten, als Universalsorte auch in Guss gut einsetzbar.(TiN/Al2O3/TiCN, Mehrlagenbeschichtung).

P30/40 Anwendung bei mittlerer bis grober Zerspanung von Stahl bei hohen Schnittgeschwindig-keiten. Für unterbrochene Schnitte durch höchste Zähigkeit sehr gut einsetzbar. Auch für rost-freie Stähle (VA) geeignet (TiN/Al2O3/TiCN, Mehrlagenbeschichtung).

P10/20/ Spezielle Sorte für rostfreie Stähle (VA). Höchste Verschleißfestigkeit im kontinuierlichen Schnitt (TiN/Al2O3/TiCN, Mehrlagenbeschichtung mit geringer Schneidkantenverrundung).

P30/40/ Spezielle Sorte für rostfreie Stähle (VA)und zum Gewindedrehen durch geringe Schneidkan-tenverrundung und hohe Zähigkeit (PVD-TiN-Mehrlagenbeschichtung).

P20/30/ Spezielle Sorte zum Gewindedrehen (PVD-TiAlN-Mehrlagenbeschichtung)Premiumsorte universeller Einsatz.

Cermet

P10/20 Beschichtetes Cermet zum Schlichten und Fertigdrehen von Stahl bei mittleren Schnittge-schwindigkeiten. Auch für leicht unterbrochenen Schnitt (Querbohrung) geeignet.

P10/K10

Unbeschichtetes Cermet zum Feinstschlichten und Schlichten von Stahl und Guss bei höchsten Schnittgeschwindigkeiten. Nur für kontinuierlichen Schnitt geeignet.

Unbeschichtetes Hartmetall

K10 Speziell für die Aluminiumbearbeitung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten durch hervor-ragende Verschleißfestigkeit und höchste Schneidkantenstabilität.

P25/P35 Universeller Einsatz für mittlere Zerspanung in Stahl (kostengünstige Alternative durch sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis).

Tabelle 1.42 Einsatzmöglichkeiten von GARANT-Hartmetall-Schneidstoffen zum Drehen

HB 7005

HB 7010

HB 7035

HB 7120

HB 7135

HB 7020

CB 7035

CU 7033

HU 70AL

HU 7020


126


Für das Fräsen können die im Bild 1.68 dargestellten und in Tabelle 1.43 erläuterten Hart-metall-Schneidstoffe zur Anwendung kommen.

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Bild 1.67 GARANT-Hartmetall-Schneidstoffe nach ISO zum Drehen

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Bild 1.68 GARANT-Hartmetall-Schneidstoffe nach ISO zum Fräsen


127

Grundlagen

GARANT-Schneidstoffe

Beschichtetes Hartmetall

K20/300 Spezielle Sorte für Aluminium und weitere NE-Metalle sowie Kunststoffe. Feinstkornsorte, TiAlN/TiN-PVD-Beschichtung.

P20/30M10/200

Universalsorte für Trockenbearbeitung und höchste Schnittgeschwindigkeiten. Feinst-kornsorte mit aufwendiger hochverschleißfester TiC/TiN-CVD-Mehrlagenbeschichtung.

P25M10/20

Universalsorte für Nass- und Trockenbearbeitung und hohe Schnittgeschwindigkeiten. TiC/TiN- Mehrlagenbeschichtung.

P30/40M20/35

Zähe Sorte auch für Nassbearbeitung und moderaten Schnittgeschwindigkeiten. Ideal bei schwierigen, labilen Verhältnissen und rostfreien Stählen. Feinstkornsorte, TiAlN/TiN-PVD-Mehrlagenbeschichtung.

P05K05

Hochverschleißfeste Sorte für Hartbearbeitung bis 60 HRC (trocken oder Minimalmengen-schmierung). Feinstkornsorte mit dicker TiAlN-CVD-Beschichtung.

P10K10/20

Verschleißfeste Sorte für die Gussbearbeitung. TiAlN-CVD-Beschichtung.

P20K20/30

Verschleißfeste Sorte für hochlegierte Werkzeugstähle und Nickellegierungen für Nass- und Trockenbearbeitung (auch für Gussbearbeitung). TiAlN-CVD-Beschichtung.

P30/40M20

Sehr zähe Sorte für Nass- und speziell zur Trockenbearbeitung von niederfesten Werkstoffen. TiAlN-CVD-Beschichtung.

P30/40M20

Zähe Universalsorte für Nass- und zur Trockenbearbeitung. TiCN-Mehrlagenbeschichtung.

Unbeschichtetes Cermet

P15M10

Sehr zähes und hochfestes Cermet für die Trockenbearbeitung bei geringen Schnitttiefen.

Unbeschichtetes Hartmetall

K10/20 Speziell für Aluminium, NE-Metalle und Kunststoffe. Oft in hochglanzpolierter Ausführung.

K10/20 Zähe Sorte für niedrige Schnittgeschwindigkeiten.

Beschichtetes HSS-Stahl

Hochzäher HSS-Stahl mit TiN-Beschichtung als Problemlöser.

SECO Minimaster Hartmetall-Sorten

P25K20

Zähe Feinstkornsorte für Stahl, gehärtetem Stahl bis 65 HRC, Grauguss, rostfreie Stähle und Superlegierungen. TiCN/TiN-PVD-Beschichtung.

P30K30

Zähe Feinstkornsorte für Stahl, Grauguss, rostfreie Stähle und Superlegierungen. TiCN/TiAlN/TiN-PVD-Beschichtung.

P30 Zähe Sorte für Stahl, Grauguss und leicht zerspanbaren, rostbeständigem Stahl, TiCN/TiN-PVD-Beschichtung.

Tabelle 1.43 Einsatzmöglichkeiten von Hartmetall-Schneidstoffen zum Fräsen

HB 7510

HB 7520

HB 7525

HB 7535

HB 7705

HB 7710

HB 7720

HB 7735

HB 7835

CU 7725

HU 7710

HU 7730

HSS-TiN

F 30 M

F 40 M

T 60 M


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Teil 01 Grundlagen