Werkstoffkunde: Werkzeugstahl und Wärmebehandlung
Vom Kaltarbeitsstahl zur Pulvermetallurgie — so wählst du den richtigen Stahl für die Aufgabe
Einleitung
Ein Werkzeug ist nur so gut wie der Stahl, aus dem es gemacht ist. Ob du eine Spritzgussform oder ein Stanzwerkzeug baust — die Aufgabe beginnt mit einer Entscheidung: Welcher Werkzeugstahl passt zur Belastung, zur Temperatur und zur Stückzahl, die das Werkzeug aushalten soll? Nach der Ausbildungsverordnung musst du Werkzeugwerkstoffe, Wärmebehandlung und eine eventuelle Oberflächenbeschichtung für eine Fertigungsaufgabe unter Berücksichtigung gegebener Produktions- und Anwendungsparameter wählen können — und das ist eine Entscheidung, die darüber bestimmt, ob das Werkzeug 10.000 oder 10 Millionen Werkstücke aushält.
Vier Stahlfamilien, denen du in der Werkstatt begegnest
- 01Kaltarbeitsstahl — arbeitet bei Raumtemperatur, hohe Härte und Verschleißfestigkeit, typisch für Stempel und Matrizen in Stanzwerkzeugen
- 02Warmarbeitsstahl und Formenstahl — halten erhöhte Temperaturen von geschmolzenem Kunststoff oder Metall aus, werden in Spritzgussformen und Druckgusswerkzeugen eingesetzt
- 03Schnellarbeitsstahl (HSS) — behält die Härte bei hohen Schnitttemperaturen, wird typischerweise für schneidende Werkzeuge wie Bohrer und Fräser verwendet
- 04Pulvermetallurgischer Stahl — aus feinkörnigem Stahlpulver hergestellt, gibt anspruchsvollem, hoch belastetem Stanzwerkzeug zusätzliche Verschleißfestigkeit und Zähigkeit
Kaltarbeitsstahl für Stanzwerkzeuge
Stempel und Matrizen, die Stunde um Stunde Blech schneiden und lochen, müssen enormem Verschleiß standhalten, ohne auszubrechen. Ein typischer Kaltarbeitsstahl mit hohem Chrom- und Kohlenstoffanteil wird in Öl oder Wasser gehärtet und anschließend angelassen, sodass er bei etwa 58-62 HRC auf der Rockwell-Skala landet — hart genug, um eine scharfe Schneide zu halten, aber durch das Anlassen behält der Stahl genug Zähigkeit, um unter den wiederholten Stößen in der Presse nicht spröde zu werden und zu reißen.
Warmarbeitsstahl und Formenstahl für Spritzgussformen
Wenn Kunststoffgranulat geschmolzen und immer wieder bei hoher Temperatur in eine Form gepresst wird, ist die Formoberfläche sowohl Wärme als auch Druck ausgesetzt. Hier werden Warmarbeitsstahl und spezielle Formenstahlqualitäten eingesetzt, die entwickelt wurden, um Temperaturschwankungen ohne Verzug oder Risse zu widerstehen — und die sich zugleich auf die Oberflächengüte polieren lassen, die das fertige Kunststoffteil haben soll.
| Stahlfamilie | Typische Verwendung | Härte im gehärteten Zustand | Merkmale |
|---|---|---|---|
| Kaltarbeitsstahl | Stempel und Matrizen im Stanzwerkzeug | ca. 58-62 HRC | Hohe Verschleißfestigkeit, scharfe Schneide hält lange |
| Warmarbeitsstahl/Formenstahl | Spritzgussformen, Druckgusswerkzeuge | typischerweise niedriger, je nach Typ | Widersteht Temperaturschwankungen, lässt sich hochglänzend polieren |
| Schnellarbeitsstahl (HSS) | Schneidendes Werkzeug: Bohrer, Fräser | typisch hoch, bleibt bei Hitze erhalten | Behält die Härte bei hoher Schnitttemperatur |
| Pulvermetallurgischer Stahl | Hoch belastetes, kompliziertes Stanzwerkzeug | hoch, mit zusätzlicher Zähigkeit | Feinkörniges Gefüge gibt zusätzliche Zähigkeit und Verschleißfestigkeit |
Wärmebehandlung: Härten und Anlassen
Stahl wird nicht von selbst hart — es ist die Wärmebehandlung, die den Unterschied macht. Beim Härten wird der Stahl auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und schnell in Öl oder Wasser abgekühlt, was ihn hart, aber auch spröde macht. Deshalb wird er danach angelassen: eine erneute Erwärmung auf eine niedrigere Temperatur, die Spannungen abbaut und dem Stahl die Zähigkeit gibt, die er braucht, um unter Belastung nicht zu brechen. Für Kaltarbeitsstahl liegt eine typische niedrige Anlasstemperatur bei etwa 160-300 °C, während Warmarbeitsstahl oft bei höheren Temperaturen angelassen wird, um die Betriebswärme in der Form aushalten zu können.
Eine Oberflächenbeschichtung verlängert die Lebensdauer
Auch der beste Werkzeugstahl kann durch eine Oberflächenbeschichtung eine längere Lebensdauer bekommen. PVD-Beschichtungen wie TiN (Titannitrid) und TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid) legen eine dünne, extrem harte Schicht außen auf den Stahl, die Verschleiß und Reibung verringert — besonders wertvoll bei Schneidwerkzeugen und Stempeln, die unter ständiger mechanischer Belastung arbeiten.