Warmarbeitsstahl vs. Kaltarbeitsstahl: Welcher ist der Richtige für mich?

In der verarbeitenden Industrie wird das Produkt häufig mit Werkzeugen aus Stahl geformt und zusammengesetzt. Solche Werkzeuge reichen von vertrauten und unspezialisierten Werkzeugen wie Bohrern und Schraubendrehern bis hin zu spezielleren Geräten wie Matrizen zum Gießen von geschmolzenem Metall oder zum Formen von Teilen wie Autoverkleidungen (im Maschinenbau bedeutet „Formen“ Schmieden oder Stanzen). Es gibt viele Arten von Werkzeugstahl. Werkzeugstahl zum Schneiden von Metall wird normalerweise aus der Familie der sogenannten Schnellarbeitsstähle (HSS) ausgewählt, die diesen Namen tragen, weil sie bis zu 600 Grad Celsius (C) hart und verschleißfest bleiben. HSS kann Metalle mit hoher Geschwindigkeit schneiden, verglichen mit Werkzeugen aus gewöhnlichem Stahl, der bei etwa 200 °C zu erweichen beginnt. Eine ähnliche Unterscheidung besteht zwischen den Arten von Stählen, die zum Gießen oder Formen von Metall verwendet werden. Bei diesen Vorgängen sprechen Ingenieure von Warmarbeitsstahl und Kaltarbeitsstahl. Warmarbeitsstahl wird für Matrizen verwendet, die geschmolzene Metalle wie Aluminium und Zink an Ort und Stelle halten, bis die Flüssigkeit erstarrt, oder zum Umformen von Metall über 200 Grad C (ca.), während Kaltarbeitsstahl zum Umformen von Metall darunter verwendet wird Temperatur.

Einführung

In der verarbeitenden Industrie haben die Begriffe „Werkzeug“ und „Werkzeugstahl“ eine besondere technische Bedeutung. Sie werden verwendet, um einen Teil der Fertigungsmaschinerie zu beschreiben, der mit dem Produkt in Kontakt kommt, sowie den Stahl, aus dem dieser Teil besteht, wenn er aus Stahl besteht (was normalerweise der Fall ist).

Die so definierten Werkzeuge können zum Schneiden, Gießen oder Formen verwendet werden.

Zuschneiden ist die Aktion, die von einem Bohrer oder dem Einschneidewerkzeug einer Drehmaschine ausgeführt wird. Dabei handelt es sich auch um die Aktion, die durch die Mehrpunktbestückung einer Fräsmaschine oder eines Sägeblatts ausgeführt wird.

Casting ist die Aktion, geschmolzenes Metall oder ein anderes geschmolzenes Material an Ort und Stelle zu halten, bis es erstarrt.

Bildung ist der Vorgang des Schmiedens, Biegens oder Prägens eines massiven Werkstücks, sodass seine Form ohne Materialverlust verändert wird.

Manchmal werden diese Aktionen kombiniert, beispielsweise wenn eine Presse einen Kreis in ein Metallblech schneidet und ihn gleichzeitig zum Boden eines Topfes formt.

In diesem technischen Sprachgebrauch werden die Maschine, die das Werkzeug hält, und die Materialien, aus denen die Maschine, die das Werkzeug hält, hergestellt sind, im Allgemeinen getrennt vom Werkzeug selbst bezeichnet.

Die Geschichte der Werkzeugstähle

Die allerersten Werkzeugstähle wurden wahrscheinlich zur Herstellung traditioneller Instrumente wie Hämmer, Ambosse, Messer und Äxte verwendet. Diese waren zunächst kaum von gewöhnlichem Eisen zu unterscheiden, das mit den primitivsten Techniken hergestellt wurde.

Doch im Laufe der Zeit lernten traditionelle Schmiede, die Eigenschaften von Eisen zu verändern, um es für bestimmte Zwecke härter und für andere härter zu machen. Diese modifizierten Eisenformen wurden zu den ersten echten Stahlformen.

In den Anfängen der Stahlherstellung vor mehr als dreitausend Jahren entdeckten Schmiede, dass man Eisen einer bestimmten Zusammensetzung durch Erhitzen und anschließendes Eintauchen in Öl oder Wasser härter machen konnte, als wenn man es einfach auf natürliche Weise abkühlen ließ. Mit „einer bestimmten Zusammensetzung“ meine ich Eisen, das im heißen Zustand etwa ein Gewichtsprozent gelösten Kohlenstoff enthielt. Ein plötzliches Abschrecken würde verhindern, dass der Kohlenstoff aus der Lösung austritt und vergleichsweise große Eisencarbidpartikel in einer Matrix aus relativ reinem und weichem Eisen bildet. Stattdessen fixierte der Abschreckprozess die Kohlenstoffatome in einer gespannten Matrix aus Eisen und Kohlenstoff namens Martensit, die schwieriger zu verformen ist.

Natürlich war die ganze Chemie damals noch nicht bekannt. Stattdessen arbeiteten die Schmiede von einst nach verschiedenen Faustregeln. In der englischen Sprache entsteht daraus der Ausdruck „schwarze Kunst“. Die Arbeit der Schmiede war eher eine Kunst als eine Wissenschaft, sie war in physischer Hinsicht schmutzig und schwarz, und außerdem wusste niemand wirklich, was die Schmiede taten. Standen sie im Bunde mit Dämonen aus dem ähnlich feurigen Abgrund der Hölle? Aus all diesen Gründen wurde die Arbeit des Schmieds als „schwarze Kunst“ bezeichnet, ein Begriff, der heute für alle anderen ähnlich mysteriösen Prozesse verwendet wird.

Public Domain-Bild eines traditionellen Schmieds (1606 n. Chr.) über Wikimedia Commons

Im Laufe der Zeit wurde die Kunst des Schmiedens ausgefeilter und geschickter, wenn auch immer noch eine Kunst. Stücke aus härtestem Stahl wurden dort platziert, wo sich die Schneide einer Klinge befinden würde, und mit Teilen aus weicherem, aber härterem Stahl kombiniert, um den Großteil der Klinge zu bilden. Eine weitere Methode der anfänglichen Vorbereitung umfasste die Ausscheidung von Karbiddendriten in einem einzelnen Stahlblock. Zunächst stellte sich jedoch heraus, dass der Verbundwerkstoff dann viele Male geschlagen, erhitzt und gefaltet wurde, um potenziell versprödende Verunreinigungen und Gasblasen aufzubrechen und Klingen mit zähen Körpern und harten Kanten zu bilden. Diese Techniken, zu denen namentlich auch die Japaner gehörten Mokume-Gane Methode und der Nahe Osten Damaskus Mit dieser Methode wurde Stahl mit wirbelnden Mustern hergestellt, die insbesondere beim Ätzen die darunter liegende Struktur sichtbar machten. Dennoch gab es kaum ein wissenschaftliches Verständnis dafür, was wirklich vor sich ging, im Gegensatz zu einem eher intuitiven und künstlerischen Verständnis.

Ein japanisches Schwert, hergestellt in der Mokume-Gane-Technik auf einem Hintergrund aus Kettenhemd. Foto von „Dafannin“, 12. Mai 1986, CC BY-SA 4.0  Wikimedia Commons.

Im späten 1700. und frühen 1800. Jahrhundert wurde es wissenschaftlicher. Das Aufkommen der modernen Chemie machte deutlich, dass der damalige Stahl eine Legierung, ja sogar eine Zusammensetzung aus Eisen und anderen Elementen war; dass der Hauptzusatzstoff Kohlenstoff war; und dass der Kohlenstoff in weichem Stahl, hartem Stahl und Gusseisen unterschiedliche Formen annahm (wobei die Kohlenstoffkonzentration etwa vier Gewichtsprozent betrug).

Durch die kontrollierte Erhöhung des Kohlenstoffanteils im Stahl wurde es möglich, besonders harte, wenn auch etwas spröde Stähle herzustellen, die sich gut zum Schneiden anderer Stahlformen eigneten. So entstanden die ersten Werkzeugstähle moderner Art.

Diese frühen Werkzeugstähle kombinierten eine überwiegend martensitische (abschreckgehärtete) Matrix mit zusätzlichen Einschlüssen von Eisenkarbid.

Allerdings hatten sie den Nachteil, dass sie oberhalb von 200 Grad Celsius erweichten, was die Geschwindigkeit einschränkte, mit der sie zum Schneiden anderer Stähle verwendet werden konnten.

Im Jahr 1868 entwickelte der schottische Ingenieur Robert Mushet, selbst Sohn eines der ersten Eisenmeister, der die Bedeutung von Kohlenstoff erkannte, eine Stahlform, die bei höheren Temperaturen hart blieb.

Die neue Legierung, bekannt als Mushet-Stahl, enthielt nicht nur die üblichen Mengen an Kohlenstoff, sondern auch noch größere Mengen an Mangan und Wolfram. Mushet-Stahl hatte außerdem die ungewöhnliche Eigenschaft, dass er nicht in einer Flüssigkeit abgeschreckt werden musste. Es handelte sich um den ersten „lufthärtenden“ Stahl: ein Stahl, der durch einfaches Abkühlen von der Rotglut in einem Luftstrahl auf martensitische Niveaus aushärtete.

Zu Beginn des 1900. Jahrhunderts wurden die Eigenschaften von Mushet-Stahl durch den amerikanischen Ingenieur Frederick Winslow Taylor und seine Kollegen noch weiter verbessert. Das Ergebnis wurde als Schnellarbeitsstahl (HSS) bekannt. HSS bleibt bis zu 500 oder sogar 600 Grad Celsius angenehm hart – daher der Name, denn damit lassen sich andere Stähle noch schneller schneiden als Mushet-Stahl. Neben Eisen und Kohlenstoff, die allen Stahlarten gemeinsam sind, enthalten die meisten HSS-Legierungen weiterhin große Mengen Wolfram sowie Chrom, das das Mangan der ursprünglichen Mushet-Formulierung ersetzt hat.

Heutzutage werden Hartmetallspitzen häufig für die anspruchsvollsten Metallschneidanwendungen verwendet, obwohl Schnellarbeitsstähle nach wie vor das bevorzugte Material für die Herstellung von Sägeblättern und Spiralbohrern sind, bei denen der Einsatz von Hartmetallspitzen normalerweise unpraktisch wäre in kleineren Durchmessern und feineren Zahngrößen.

Aber wie sieht es mit Gießen und Umformen aus?

Bisher habe ich Verbesserungen bei Werkzeugstählen beschrieben, die zum Schneiden von Gegenständen verwendet werden, von frühen Klingen bis hin zu modernen HSS-Industriewerkzeugen. Die moderne Unterscheidung zwischen Kaltarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl gilt jedoch tatsächlich für Stähle, die zum Gießen und Umformen verwendet werden.

Warmarbeitsstähle werden für Prozesse verwendet, bei denen die Temperatur des Werkzeugs 200 Grad Celsius (392 Grad Fahrenheit) überschreitet.

Kaltarbeitsstähle werden für Prozesse verwendet, bei denen die Temperatur des Werkzeugs unter 200 Grad Celsius bleibt.

Da es viele verschiedene Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt, ist die 200-Grad-Celsius-Trennlinie nicht absolut fest und fest, es handelt sich jedoch um eine konventionelle Trennlinie, auf die in der Literatur häufig Bezug genommen wird.

Bei allen Arten von Werkzeugstahl sind Bruch, Verformung (insbesondere dauerhafte oder „plastische“ Verformung), Oberflächenverschleiß und die Entwicklung von Oberflächenermüdungsrissen durch zyklische Beanspruchung die Hauptursachen für das Versagen. Zyklische Belastungen sind sowohl mechanischen als auch thermischen Ursprungs; Bei Warmarbeitsstählen sind thermische Spannungen ein besonders ernstes Problem.

Kaltarbeitsstähle

Kaltarbeitsstähle sind im Allgemeinen Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, die typischerweise etwa ein bis eineinhalb Gewichtsprozent Kohlenstoff enthalten. Die gebräuchlichsten Typen sind ölhärtende Sorten mit niedriger Legierung, lufthärtende Sorten mit mittlerer Legierung und Sorten mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromgehalt.

Ölhärtende niedriglegierte Sorten sind am günstigsten. Abgesehen von der Tatsache, dass sie weniger Verunreinigungen enthalten, ähneln sie ansonsten weitgehend den altmodischen Formen von Werkzeugstahl, die vor Mushet-Stahl verwendet wurden.

Lufthärtende mittlere Legierungssorten härten mit weniger Verzug als Stähle, die abgeschreckt werden müssen. Sie können auch in dickeren Abschnitten als ölvergüteter Stahl gehärtet werden, bis zu 100 Millimeter oder mehr.

Am verschleißfeststen sind Sorten mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromgehalt, die je nach ihrer genauen Zusammensetzung entweder durch Ölabschrecken oder Lufthärten gehärtet werden.

Kaltarbeitsstähle werden typischerweise für eine Vielzahl alltäglicher industrieller Anwendungen verwendet, darunter:

• Druckguss von Kunststoffen
• Matrizen zum Formen dünner Metallbleche, beispielsweise gebogener Karosseriebleche von Automobilen
• Drehfutter und Spitzen
• Rollers
• Rollformwerkzeuge für Schraubengewinde und Rändelung
• Räumnadeln, Reibahlen, Gewindebohrer und Dorne
• Räder und Halter für die Arbeit mit Draht und Kaltrohren
• Scheren, Klingen und andere Schneidwerkzeuge für Anwendungen, bei denen der Schnitt kurz ist und wenig Wärme erzeugt wird
• Gauges
• Stanz-, Zieh- und Lochmatrizen

Warmarbeitsstähle

Wie Mushet-Stahl und die ersten Schnellarbeitsstähle enthalten auch Warmarbeitsstähle traditionell große Mengen Wolfram als Legierungselement. Es gibt jedoch auch Warmarbeitsstähle mit Chrom als Hauptlegierungselement und andere Güten mit Molybdän als Hauptlegierungselement.

Neben dem Hochgeschwindigkeitsschneiden und -bohren von Metall werden Warmarbeitsstähle typischerweise für Folgendes verwendet:

• Druckguss von Metallen
• Extrusion
• Schmieden
• Herstellung von Glasprodukten

Materialauswahl für den Guss

Gussverfahren, bei denen Werkzeugstahl verwendet wird, werden als Druckguss bezeichnet. Dabei dient das Werkzeug als Matrize und verleiht dem Endprodukt eine detaillierte oder vergleichsweise präzise Form auf eine Art und Weise, die originalgetreuer und wiederholbarer ist, als dies beim Eingießen möglich ist Sandformen.

Der Ursprung des Druckgusses liegt vermutlich im 1400. Jahrhundert n. Chr. beim Gießen von Buchstaben für bewegliche Lettern in offenen Matrizen in der Form jedes einzelnen Buchstabens. Im modernen Sinne wird das Metall unter Druck in eine Form aus zwei gegenüberliegenden Werkzeugen eingespritzt, die es präzise ausfüllt.

Gesenkwerkzeuge für Kunststoffe werden üblicherweise aus speziellen Kaltarbeitsstählen, sogenannten P-Stählen, aus Aluminium oder aus Beryllium-Kupfer-Legierungen hergestellt. Zu den Vorteilen von Kupfer und Aluminium bei dieser Verwendung gehört eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit und damit eine schnellere und gleichmäßigere Abkühlung als bei Stahl.

Andererseits halten Stahlformen länger (bis zu Millionen von Zyklen) und können der Erosion durch sich schnell bewegende Kunststoffstrahlen besser widerstehen, insbesondere wenn sie abrasive Verbundverstärkungen wie Glasfasern enthalten. Auch einige Oberflächengüten lassen sich nur mit Stahl zuverlässig erzielen.

Materialauswahl für Umformprozesse

Metallumformprozesse, bei denen Kaltarbeitsstahl verwendet wird, erfordern im Allgemeinen keinen sehr hohen Grad an Massenverformung des Metalls. Das Aufbringen von Schraubengewinden auf die Oberfläche einer Stange durch Walzen oder das Pressen eines flachen Metallblechs in die komplexen Kurven eines Automobilkarosserieblechs sind typisch für Kaltumformprozesse in diesem Sinne.

Kaltwalzen eines Schraubengewindes. Grafik von „Tosaka“, 12. Oktober 2009, CC BY 3.0  Wikimedia Commons.

Kaltumformprozesse führen häufig zu Verbesserungen der Metallqualität durch Neuorientierung der kristallinen Struktur des Metalls Arbeitshärtung, obwohl die Auswirkung auf die Kristallstruktur normalerweise auf die Oberfläche beschränkt und weniger dramatisch ist als beim Schmieden, das ich im nächsten Abschnitt bespreche.

Bei allen drastischeren Prozessen der Metallumformung handelt es sich um Warmbearbeitung (über 200 Grad Celsius). Dazu gehören wie bereits erwähnt:

• Extrusion und
• Schmieden

Wie bereits erwähnt, ist die Herstellung von Glasartikeln eine weitere wichtige Anwendung für Warmarbeitsstahl.

Extrusion ist der Prozess, bei dem ein erwärmtes und erweichtes Material durch eine Matrize gedrückt wird, um einen langen Artikel mit konstantem Querschnittsprofil zu formen. Die bekanntesten Beispiele für extrudierte Artikel sind Kunststoff- und Aluminiumprofile, die recht komplizierte Formen haben können. Kunststoffabschnitte können durch Matrizen aus Kaltarbeitsstahl extrudiert werden, Aluminiumabschnitte müssen jedoch durch Matrizen aus Warmarbeitsstahl extrudiert werden.

Eine besondere Kategorie des Strangpressens ist das Stauchstrangpressen, mit dem beispielsweise der Körper von Aluminiumdosen und Pillentuben geformt wird. Beim Stauchextrudieren wird eine Matrize in ein leeres Metallstück gedrückt, das dann um die Matrize herum nach hinten fließt, um die Dose oder das Rohr zu formen. Es ist wirklich bemerkenswert, dass mit dieser Methode Dosen und Tuben mit so dünnen, aber gleichmäßigen Wänden geformt werden können.

Nahtlose Rohre werden auch durch Extrusion hergestellt. Ein massiver Barren wird erhitzt und dann in der Mitte durchstochen. Anschließend wird es über einen Dorn gelegt und erhält durch Extrusion seine endgültige Größe und Wandstärke.

Schmieden ist der Prozess, bei dem ein Stück heißes, oft glühendes Metall mit einem Industriehammer in seine endgültige Form geschlagen wird, worauf nur noch geringfügige Bearbeitungsvorgänge (Schneiden) folgen. Ein gutes Beispiel für ein Produkt, das normalerweise durch Schmieden hergestellt wird, ist ein Schraubenschlüssel. Der Hammer kann mechanisch in beide Richtungen angetrieben werden oder er kann mechanisch angehoben und durch die Schwerkraft fallen gelassen werden („Gesenkschmieden“).

Schmieden von Stahlreifen für Eisenbahnräder. Foto von Rainer Halama, 19 Juni 2010, CC BY-SA 3.0  Wikimedia Commons.

Das Schmieden ist ein direkter industrieller Abkömmling älterer Schmiedetechniken wie Mokume-Gane und Damaskus. Es hat einen ähnlichen Effekt, nämlich die Zerstreuung und den Verschluss glasartiger Verunreinigungen und Gasblasen sowie der großen Kristalle oder „Körner“, die sich normalerweise im gegossenen Metall befinden – ähnlich den Pailletten auf einem verzinkten Eisenzaun , selbst eine Art Metallkristall – der zerstört und durch kleinere ersetzt werden muss und in vielen Fällen auch in Richtung der Außenkrümmungen der endgültigen Form verformt werden muss.

Wie zu erwarten ist, ist eine feine Kornstruktur einer groben überlegen; und eine feine Kornstruktur, bei der die Körner auch der Form des Produkts folgen, verbessert die mechanischen Eigenschaften des Endartikels noch weiter, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass der Artikel unter starker Belastung an einer Ecke reißt, weitaus geringer ist als sonst.

Auf der Website von gibt es eine sehr gute Illustration formfolgender Kristalle dropforging.net. Die wesentliche Ähnlichkeit zu den Produkten der höchstbegabten Schmiede früherer Zeiten ist offensichtlich, nur dass es sich in diesem Fall eher um einen Industrieartikel als um ein Schwert handelt.

Viele der „schwerwiegendsten“ mechanischen Artikel, Gegenstände, die schwere Lasten tragen und deren Bruch schwerwiegende oder zumindest sehr ärgerliche Folgen hätte, sind gefälscht. Neben Schraubenschlüsseln, die an den Stellen höchster Beanspruchung in der Nähe der Mutter abbrechen könnten, gehören zu den geschmiedeten Artikeln auch die Kurbelwellen von Motoren und die Pleuelstangen, die die Kolben mit der Kurbelwelle verbinden, wenn sie auf andere Weise hergestellt wurden, aber auch die Kolben selbst werden in der Regel gegossen. (Geschmiedete Kolben werden jedoch in Rennmotoren verwendet und erfreuen sich im allgemeinen Gebrauch immer größerer Beliebtheit).

Es gibt zwei Hauptarten des Schmiedens: Freiformschmieden und Gesenkschmieden. Offenes Schmieden bringt Metall in eine raue Form und verbessert seine allgemeine innere Struktur, verleiht ihm aber ansonsten keine besonders bestimmte Form oder Maserung. Beim Gesenkschmieden entstehen klarere Formen und Maserungsmuster.