Schnellarbeitsstahl

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HS-Bohrer mit einer Beschichtung aus Titannitrid („goldfarben“)

Schnellarbeitsstahl ist ein hochlegierter Werkzeugstahl der häuptsächlich als Schneidstoff genutzt wird also für Fräswerkzeuge, Bohrer und Räumwerkzeuge. Die Bezeichnung bezieht sich auf die gegenüber gewöhnlichen Werkzeugstahl drei- bis viermal höheren Schnittgeschwindigkeiten. Während gewöhnlicher Werkzeugstahl bereits ab etwa 200 °C seine Härte verliert, behält Schnellarbeitsstahl bis etwa 600 °C seine Härte. Die gebräuchlichen Kurzbezeichnungen beginnen mit HSS oder HS, abgeleitet von der englischen Bezeichnung High Speed Steel (Hochgeschwindigkeitsstahl). Weitere Bezeichnungen sind (Hochleistungs-)Schnellschnittstahl, Hochleistungsschnellarbeitsstahl und Hochleistungsschnittstahl sowie Varianten davon mit Bindestrichen.

Schnellarbeitsstahl verdrängte nach seiner Entwicklung 1906 sehr rasch den gewöhnlichen Werkzeugstahl (Kaltarbeitsstahl) und hat diesen inzwischen fast vollständig ersetzt. Von allen in der modernen, industriellen Zerspantechnik genutzten Schneidstoffen verfügt Schnellarbeitsstahl zwar über die höchste Bruchfestigkeit und beste Schleifbarkeit, aber die geringste Warmhärte und Verschleißfestigkeit, sodass mit allen anderen Schneidstoffen noch höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich sind. Die wichtigsten Legierungselemente sind Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Chrom und Kobalt deren Anteil bis über 30 % ausmachen kann. Seine Härte erhält Schnellarbeitsstahl, wie alle anderen Werkzeugstähle auch durch sein martensitisches Grundgefüge das aus Eisen und Kohlenstoff besteht. Die übrigen Legierungselemente sorgen für eine bessere Verschleißbeständigkeit und für die Beständigkeit des Martensits von Temperaturen bis 600 °C. Die hohe Warmhärte- und -festigkeit gegenüber gewöhnlichem Werkzeugstahl, beruht auf der Wärmebehandlung: Zunächst wird er bei über 1200 °C geglüht und danach abgeschreckt um das martensitische Grundgefüge zu erzeugen. Anschließend erfolgt mehrmaliges Anlassen bei etwa 550 °C bei dem die Sprödigkeit zurückgeht und aus dem Martensit winzige Carbide (Wolfram-/Molybdän-/Vanadium-Kohlenstoff-Verbindungen) ausscheiden, die für die Warmhärte und -festigkeit verantwortlich sind.

Anwendungen, Vergleich mit gewöhnlichem Werkzeugstahl und anderen Schneidstoffen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus Schnellarbeitsstahl werden verschiedene Zerspanungswerkzeuge hergestellt. Darunter sind Drehmeißel, Fräswerkzeuge, Bohrer und Räumwerkzeuge. Die letzten beiden bestehen besonders häufig aus Schnellarbeitsstahl; für Drehmeißel und Fräswerkzeuge sind andere Schneidstoffe weiter verbreitet, vor allem das Hartmetall das von allen Schneidstoffen dem Schnellarbeitsstahl am ähnlichsten ist. HSS-Werkzeuge werden bevorzugt bei komplizierteren Werkzeugformen, wie bei Profilwerkzeugen, da sie sich sehr gut Schleifen lassen. Gewöhnlicher Werkzeugstahl (Kaltarbeitsstahl) wird nur noch bei Werkzeugen angewandt die keine hohen Schnittgeschwindigkeiten erreichen können wie Feilen und Raspeln, sowie bei Werkzeugen für die Holzbearbeitung. Ansonsten wurde Kaltarbeitsstahl vollständig von Schnellarbeitsstahl verdrängt. Vorteile der HSS-Werkzeuge gegenüber Hartmetall-Werkzeugen liegen im niedrigeren Preis, der guten Schleifbarkeit die komplizierte Werkzeugformen ermöglicht und auch das Nachschleifen stumpfer Werkzeuge erlaubt, sowie in der höheren Festigkeit: HSS-Werkzeuge sind weniger bruchempfindlich bei stoßartiger Belastung.

Kaltarbeitsstahl verliert bereits bei Temperaturen ab 200 °C seine Härte und wird somit als Schneidstoff unbrauchbar. Der Effekt begrenzt die Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung von Stahl auf etwa 5 m/min. Schnellarbeitsstahl behält seine Härte bis etwa 600 °C was Schnittgeschwindigkeiten bis etwa 80 m/min erlaubt. Werkzeuge aus Hartmetall, Schneidkeramiken und Bornitrid eignen sich für Temperaturen von über 1000 °C. In der industriellen Praxis wird die Schnittgeschwindigkeit nicht mehr durch die Temperatur begrenzt sondern durch den Verschleiß. HSS-Werkzeuge können beschichtet werden mit Titannitrid und anderen Stoffen die die Verschleißfestigkeit erhöhen, was vor allem die Standzeit der Werkzeuge erhöht und etwas höhere Schnittgeschwindigkeiten erlaubt.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nachdem Ende des 19. Jahrhunderts der Bedarf nach einem Schneidstoff der höhere Schnittgeschwindigkeiten als Werkzeugstahl ermöglicht immer größer wurde, entwickelten Taylor und White bis 1906 den Schnellarbeitsstahl, der sich rasch durchsetzte. Ab den 1930ern und verstärkt seit den 1960er Jahren wurde der seinerseits durch das Hartmetall und andere Schneidstoffe verdrängt, aber nie vollständig ersetzt. Die genauen metallurgischen Zusammenhänge zur Erklärung der hohen Warmhärte von Schnellarbeitsstahl konnten erst Mitte des 20. Jahrhunderts geklärt werden.

Ausgangssituation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Laufe der industriellen Revolution wurden immer häufiger Werkstoffe aus Stahl zerspant, während zuvor vorwiegend Holz und weichere Metalle wie Kupfer und Zinn bearbeitet wurden. Stahl ist wesentlich fester als diese Werkstoffe und führte zu viel höherem Verschleiß der Werkzeuge die aus gewöhnlichem Werkzeugstahl bestanden, sodass die wirtschaftlich sinnvollen Schnittgeschwindigkeiten bei nur 5 m/min lagen. Werkzeugstahl war seit langem bekannt, bestand nur aus Eisen und Kohlenstoff und konnte bereits bei 750 °C bis 835 °C gehärtet werden, verlor aber seine Härte bereits ab etwa 200 °C. Die erste Verbesserung gelang 1868 Robert Mushet mit einem Werkzeugstahl der mit 6 bis 10 % Wolfram, 1,2 bis 2 % Mangan und 0,5 % Chrom legiert war. Zum Härten konnte er an Luft gekühlt werden statt im Wasserbad, was als Selbsthärtung bezeichnet wurde. Bei der Härtung im Wasser kam es immer wieder zu Brüchen der Werkstücke. Mit Mushets Werkzeugstahl konnten Schnittgeschwindigkeiten bis 7 m/min erreicht werden.

In den 1860ern wurde es mit Entwicklung des Siemens-Martin-Verfahrens und des Bessemer-Verfahrens möglich Temperaturen von über 1800 °C zu erzeugen. Damit wurde es zum ersten mal in der Geschichte möglich Stahl zu schmelzen was seinen Reinheitsgrad verbesserte. Bei noch höheren Temperaturen schmelzende Metalle wie Wolfram (über 3300 °C) konnten mit der damals neuen Elektrochemie erzeugt werden, sodass sie als Legierungselemente zur Verfügung standen. Zu wirtschaftlichen Kosten waren sie erst zur Jahrhundertwende verfügbar nach dem Ausbau der elektrischen Energieversorgung.

Entwicklung durch Taylor und White[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um die Jahrhundertwende begann der amerikanische Ingenieur Taylor nach Möglichkeiten zu suchen die Produktion wirtschaftlicher zu gestalten. Er entwickelte daraus unter anderem Organisationsprinzipien die als Taylorismus oder Scientific Management bekannt sind. Er erforschte auch etwa 10 Jahre lang die Zerspantechnik und schrieb 1906 sein Buch On the Art of Cutting Metals (wörtlich: Über die Kunst/Technik Metall zu schneiden) in dem er erstmals allgemeine Zusammenhänge der Zerspantechnik erläuterte, darunter auch die nach ihm benannte Taylor-Gerade die einen Zusammenhang angibt zwischen Standzeit der Werkzeuge und der Schnittgeschwindigkeit, sowie Zusammenhänge zwischen der Werkzeuggeometrie, dem Vorschub, der Schnitttiefe und Kühlschmierstoffen. Gemeinsam mit dem Metallurgen Maunsel White ermittelte er in standardisierten Versuchen für verschiedene Werkzeug-Werkstoffe diejenigen Schnittgeschwindigkeiten die zu einer Standzeit von 20 Minuten führten. Danach wandten sie sich der Wärmebehandlung und Zusammensetzung der Werkzeuge zu. Sie variierten für verschiedene chemische Zusammensetzungen jeweils die Höhe der Glühtemperatur die bis zur Schmelztemperatur reichen konnte, sowie die Höhe der Temperaturen bei der sie anschließen durch Anlassen weiterbehandelt wurden und bestimmten danach die Schnittgeschwindigkeiten für die 20-Minuten-Standzeit. 1906 lag die beste bekannte Zusammensetzung bei 0,67 % C, 18,91 % W, 5,47 % Cr, 0,11 % Mn, 0,29 % V und Eisen als Rest. Die günstigste Wärmebehandlung lag bei Glühen bei 1250-1290 °C, also knapp unter der Solidustemperatur bei der das Material zu schmelzen beginnt, anschließendem Abschrecken in flüssigem Blei (620 °C) und dann weiteres Abkühlen auf Raumtemperatur. Danach wurden sie bei knapp unter 600 °C angelassen. Die Werkzeuge behielten bis etwa 600 °C ihre Härte und ermöglichten bei der Zerspanung von Stahl Schnittgeschwindigkeiten bis 30 m/min. Diesen Schnellarbeitsstahl stellte Taylor auf der Weltausstellung von 1906 der Öffentlichkeit vor.

Erforschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Taylor und White war klar, dass sie einen vollkommen neuen Mechanismus zur Härtung von Stahl entdeckt hatten, die genaue Funktion konnte jedoch erst in den 1950ern geklärt werden durch den Einsatz von Elektronenmikroskopen. Beim Anlassen scheiden zwischen 400 C und 600 °C winzige Partikel aus dem Grundgefüge aus, die Durchmesser von nur 0,05 µm haben und somit unter gewöhnlichen, optischen Mikroskopen nicht sichtbar sind. Schnellarbeitsstähle waren somit die ersten Werkstoffe, die durch Ausscheidungshärtung behandelt wurden, und waren damit den entsprechenden Aluminiumlegierungen um etwa 10 Jahre voraus.

Verbreitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach der Weltausstellung von 1906 war Taylor ein weltberühmter Mann. Er demonstrierte dort das Drehen von Stahl bei Schnittgeschwindigkeiten die so hoch waren, dass die Schneiden seiner Werkzeuge rot zu glühen begannen und dennoch nicht versagten. Schätzungen zu Folge wurden allein in den USA in den nächsten Jahren HSS-Werkzeuge im Wert von insgesamt 20 Millionen Dollar verkauft, was dank der höheren Schnittgeschwindigkeiten zu Produktionssteigerungen im Wert von 8.000 Millionen Dollar führte. Die damaligen Werkzeugmaschinen waren jedoch nicht auf die hohen Belastungen ausgelegt. In Versuchen der damals berühmten Firma Ludwig Loewe waren die Maschinen nach wenigen Wochen vollkommen unbrauchbar. In Europa wurde der Schnellarbeitsstahl zunächst bei gewöhnlichen Schnittgeschwindigkeiten genutzt, wo er zu deutlich höheren Standzeiten führte als bei Nutzung von Werkzeugstahl. Die Maschinenhersteller boten zwar bald Maschinen an die auf die höheren Schnittgeschwindigkeiten ausgelegt waren, da die alten jedoch bei sachgemäßem Umgang sehr langlebig waren verlief die Umstellung zunächst schleppend. Erst als in den 1920ern eine neue Generation angeboten wurde die auch über elektrische Antriebe und Steuerungen verfügte statt der bislang gebräuchlichen mechanischen Steuerungen und Antriebe mit Dampfmaschinen, wurden die hohen möglichen Schnittgeschwindigkeiten ausgeschöpft.

In den 1930er wurde das Hartmetall als neuer Schneidstoff entwickelt mit dem etwa dreimal höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich waren als mit HSS. Die Nutzung verlief zunächst schleppend aus Kostengründen und weil die Maschinen abermals nicht auf die noch höheren Belastungen ausgelegt waren. Ab den 1960ern wurde Hartmetall zum industriellen Standard konnte den Schnellarbeitsstahl aber ebenso wenig vollständig verdrängen wie die später entwickelten Schneidkeramiken, Borinitrid- und Diamant-Werkzeuge. Bis zum 21. Jahrhundert wurde Schnellarbeitsstahl noch weiter verbessert, die Steigerungen bei der Schnittgeschwindigkeit fallen jedoch gering aus. Mit wesentlichen Verbesserungen wird nicht gerechnet.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

HS-Werkstoffe zeichnen sich durch große Härte, Anlassbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und eine Warmfestigkeit bis 600 °C aus. Beschichtungen aus Titannitrid steigern diese Härte und Verschleißfestigkeit an der Werkzeugoberfläche (insbesondere Schneiden, Spanleitstufen) erheblich und erhöhen nebenbei die Korrosionsbeständigkeit. Sie werden hauptsächlich in der spanenden Fertigung auf Werkzeugmaschinen als Schneidstoff für Werkzeuge verwendet. Aufgrund ihrer Eigenschaften ermöglichen sie höhere Schnittgeschwindigkeiten als niedrig legierte Werkzeugstähle, größere Spanräume und damit ein höheres Spanvolumen pro Zeiteinheit. Gegenüber modernen Hartmetall- oder Keramik-Schneidplatten sind die Schnittgeschwindigkeiten bei HS-Werkzeugen zwar wesentlich niedriger, aber sie sind weit unempfindlicher gegen Stöße und Schwingungen, die bei den härteren Schneidwerkstoffen teils sehr rasch zu Brüchen (z. B. an der Schneide) führen. Die geringere Bruchempfindlichkeit erlaubt des Weiteren kleinere Keilwinkel, was eine geringere Rauhtiefe nach sich zieht.

Arten von Schnellarbeitsstählen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • HSS-R: Formgebung durch Rollieren.
  • HSS-G: Formgebung durch Schleifen (G für geschliffen). Für geringe Toleranzen geeignet.
  • HSS-E: Formgebung wie HSS-G, aber zusätzlich mit Kobalt legiert. Dieser höherwertige und warmfeste Werkstoff wird für die Bearbeitung von Materialien mit höherer Festigkeit und bei langen Schnittkanälen mit entsprechend starker Erwärmung eingesetzt.

Die Bezeichnung von HS-Stählen ist derzeit in der Norm EN ISO 4957 festgelegt. Sie besteht aus den Buchstaben HS (nach der abgelösten Vorgängernorm DIN 17350: S) und folgend, mit Bindestrich getrennt, die durchschnittlichen prozentualen Anteile der Legierungsbestandteile Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V) und Kobalt (Co). Für Merksätze siehe Artikel Stahlsorte#Schnellarbeitsstähle.

Beispiel: HS 12-1-4-5 enthält ca. 12 % Wolfram, 1 % Molybdän, 4 % Vanadium und 5 % Kobalt.

Nach den Legierungsbestandteilen Wolfram und Molybdän werden die Schnellarbeitsstähle allgemein in vier Gruppen unterteilt mit:

  •   2 % W und ca. 1 % Mo
  • 12 % W und ca. 1 % Mo
  •   6 % W und ca. 5 % Mo
  • 18 % W und ca. 9 % Mo

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schnellarbeitsstähle werden nach der mechanischen Vorbearbeitung bei etwa 1200 °C bis 1300 °C austenitisiert, um bei diesen hohen Temperaturen die stabilen Carbidbildner in Lösung zu bringen. Beim Abschrecken kommt es zu einer umfangreichen Umwandlung in Martensit bei verbleibendem, stark mit Kohlenstoff übersättigtem Restaustenit. Nach dem Härten werden diese Stähle mehrmals bei etwa 550 °C angelassen. Dabei werden durch die nur träge verlaufenden, diffusionskontrollierten Vorgänge zum einen Sondercarbide ausgeschieden, die eine Ausscheidungshärtung mit sich bringen, und zum anderen gleichzeitig der Kohlenstoffgehalt im Restaustenit schrittweise gesenkt, um diese weiche Phase auch noch möglichst vollständig in Martensit umzuwandeln.

Wirtschaftliche Bedeutung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

HS-Schneidwerkzeuge werden gewöhnlich eingesetzt als Bohrer (Spiralbohrer, Zentrierbohrer), Gewindeschneidwerkzeuge, Sägeblätter, Fräswerkzeug und Drehmeißel, aber auch als Walzenwerkstoffe.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]