Was ist Stahl als eine Eisenlegierung?

Eines der wichtigsten Elemente auf unserem Planeten ist Eisen. Es ist ein Symbol für etwas Haltbares, Starkes, Widerstandsfähiges. Man sagt starken Persönlichkeiten nach, dass sie ein eisernes Herz und einen eisernen Charakter haben. Wenn eine Diskussion unsicher wird, sind eiserne Argumente oder eiserne Beweise gefragt. Auch im menschlichen Körper spielt Eisen eine unschätzbare Rolle; es ist der Hauptbestandteil des Hämoglobins. Vor mehr als 2.500 Jahren empfahlen die Griechen, bei Blutarmut Eisennägel in saure Äpfel zu schlagen und die Früchte einige Stunden nach dem Entfernen der Nägel zu essen.

Die Schmelztemperatur dieses Elements liegt bei 1539 Grad Celsius, während der Siedepunkt bei 3000 liegt. Eisen ist das vierthäufigste Element der Welt. Es kommt normalerweise in Erzen in Form von Oxiden vor. Anfangs wurde Eisen aus den gefundenen Meteoriten gewonnen - daher der Name, der auch heute noch verwendet wird. In der sumerischen und altägyptischen Sprache bedeutete "Eisen" "Metall des Himmels".

In der CNC-Bearbeitung wird Eisen etwas anders verstanden, obwohl die Eigenschaften seiner Härte und Beständigkeit jedem Technologen bekannt sind.

Wie verstehen wir das Konzept der Eisenlegierungen?

Eisenlegierungen sind metallische Werkstoffe, die durch die Verschmelzung von Kohlenstoff mit Eisen entstehen. Kohlenstoff kann in ihnen als reiner Kohlenstoff - Graphit, einer festen Lösung im Kristallgitter von Ferrit oder Austenit - oder als Eisenkarbid, wie Fe3C, genannt Zementit, vorkommen. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit weniger als 2 % Kohlenstoff werden als Stähle bezeichnet, während Legierungen mit mehr als 2 % Kohlenstoff als Eisenguss bezeichnet werden. Während Eisenguss eine mäßige Zugfestigkeit hat, ist Stahl dehnbar. Um die Festigkeit von Stahl zu erhöhen, wird er oft wärmebehandelt (vergütet), was die Verarbeitbarkeit des Materials verringert.

Was für Stahlarten gibt es denn?

Das Hauptkriterium für die Einteilung der Stähle ist der Gehalt an Legierungselementen, die strukturelle Komponente oder die mechanische Eigenschaft. Nach der chemischen Zusammensetzung der Legierungen wird unterschieden zwischen:

• unlegierten Stählen - von denen einige für die Wärmebehandlung bestimmt sind,
• niedrig legierten Stählen (Gehalt an jedem Legierungselement unter 5%) - ihre Hauptmerkmale sind erhöhte Härtbarkeit, Hitzebeständigkeit und Anlaßbeständigkeit,
• hochlegierte Stähle (Gehalt an jedem einzelnen Legierungselement größer als 5%) - durch das Vorhandensein von mehr Legierungselementen sollen besondere Eigenschaften erreicht werden.

Die für den Benutzer so wichtigen Eigenschaften von Stählen lassen sich nach ihren Anwendungsbereichen unterteilen. Diese Unterteilung ist in der Zerspanungsbranche sehr verbreitet. Wir unterscheiden dabei zwischen:

• Automatenstähle - werden meist für die Herstellung von Kleinteilen, Schrauben, Beilagscheiben verwendet, in Form von gezogenen oder abgeschälten Stangen geliefert und für Drehautomaten verwendet. Ihre Bearbeitung zeichnet sich durch die Bildung von kurzen und spröden Spänen, einen geringeren Werkzeugverschleiß, eine geringere Neigung zu Ablagerungen an den Schneidkanten und vor allem eine hohe Qualität der bearbeiteten Oberflächen aus,
• Stähle zum Aufkohlen - Produkte aus diesen Stählen behalten nach dem Aufkohlen eine hohe Kernduktilität und Oberflächenhärte; ihre Bearbeitung sollte mit hohen Schnittgeschwindigkeiten erfolgen, um das Einwachsen an der Schneide (vor allem bei Sinterkarbidwerkzeugen) zu verringern und den Vorschub zu reduzieren; sie werden am häufigsten bei der Herstellung von Zahnrädern, Wellen und Getrieben verwendet,
• Stähle zum Vergüten - Stähle zum Vergüten, die in der Regel nach dem Schruppen und vor dem Schlichten verwendet werden, ihre Bearbeitbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt der Legierung ab, ihre Bearbeitung zeichnet sich durch niedrige Schnittgeschwindigkeiten und geringen Werkzeugverschleiß aus,
• Nitrierstähle - die Hauptlegierungselemente sind Al, Cr, Mo, die harte Nitride bilden und deren Kombination einen Härtegradienten zur Oberfläche hin bewirkt, wodurch diese Stähle ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktspannungen beibehalten; aufgrund der hohen Oberflächenhärte wird die Behandlung des Materials vor dem Nitrieren durchgeführt,
• Werkzeugstähle - Stähle, die für die Herstellung von Werkzeugen, die Materialbearbeitung, die Bearbeitung, die Handhabung und das Messen von Werkstücken geeignet sind; sie zeichnen sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Konstanz von Form und Abmessungen des hergestellten Werkstücks aus; diese Eigenschaften werden bei Werkzeugen mit geringer Verantwortung durch einen hohen Kohlenstoffgehalt und eine geeignete Wärmebehandlung und bei Werkzeugen mit Verantwortung durch die Verwendung geeigneter Legierungszuschläge in Verbindung mit einer geeigneten Wärmebehandlung erreicht,
• rostfreie Stähle - eine Gruppe von Stählen mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die z.B. gegen Korrosion durch Witterungseinflüsse (Gaskorrosion), verdünnte Säuren und alkalische Lösungen (Korrosion in Flüssigkeiten) beständig sind; die rostfreien Eigenschaften werden durch die Zugabe geeigneter Legierungszusätze zum Stahl erreicht,
• säurebeständige Stähle - Stähle, die gegen die Einwirkung von Säuren mit geringerer Stärke als Schwefelsäure beständig sind. Die Säurebeständigkeit wird durch die Stabilität von Austenit unter normalen Bedingungen erreicht, die durch hohe Gehalte an Chrom (17-20%) und Nickel (8-14%) und andere Legierungszusätze wie Mangan, Titan, Molybdän und Kupfer erreicht werden kann; sie werden nach dem Polieren verwendet.

Was sind die Faktoren für die Zerspanbarkeit von Stählen?

Die Zerspanbarkeit von Stählen ist ein Ergebnis der verwendeten Bearbeitungstechnologie, des Werkzeugmaterials und der Schnittparameter. Außerdem gibt es einen Faktor, der mit den mechanischen Eigenschaften, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung zusammenhängt, nämlich der Gehalt an Legierungselementen. Diese werden absichtlich hinzugefügt, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften zu beeinflussen. Zu den Legierungselementen gehören:

• Chrom - verbessert die Härtbarkeit des Stahls und damit die Zerspanbarkeit, indem es die Struktur und Festigkeit verändert,
• Nickel - verbessert die Festigkeit des Stahls, führt aber auch zu einer geringeren Zerspanbarkeit,
• Silizium - bildet harte Siliziumoxideinschlüsse, die den Werkzeugverschleiß erhöhen,
• Phosphor - beeinflusst die Entstehung von kurzen Spänen; bei einem Gehalt von über 0,1 % wirkt sich Phosphor ebenfalls günstig auf die Zerspanbarkeit aus; bei höheren Gehalten wird eine bessere Oberflächenqualität erzielt, allerdings mit erhöhtem Werkzeugverschleiß,
• Schwefel - beeinflusst den Spanbruch und die Gratbildung bei der Zerspanung,
• Mangan - verbessert die Härtbarkeit und erhöht die Festigkeit des Stahls,
• Blei - beim Schneiden bildet sich eine Schutzschicht aus Blei zwischen dem Werkzeug und dem Material, die den Werkzeugverschleiß und die Schnittkräfte verringert und die Entstehung von kurzen Spänen beeinflusst.

Stahl als wichtiger Werkstoff für die Bearbeitung

Stahl ist ein Werkstoff, der eine sehr komplexe Bearbeitungsstrategie und die Kombination einzelner Faktoren bei der richtigen Wahl der Werkzeuge und Schnittparameter erfordert. Es gibt jedoch viele Lösungen für die Verwendung von Stahl in der Serienherstellung. Jede Schneidtechnologie für Stahl muss je nach Legierung einzeln betrachtet und die entsprechende Bearbeitungsstrategie ausgewählt werden, um das Risiko von Unregelmäßigkeiten zu minimieren. Dazu sind natürlich Kenntnisse der Metallurgie und ein Verständnis des Prozesses im Hinblick auf die Eigenschaften des Werkstoffs hilfreich.

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