Werkstoffe für Stanzwerkzeuge: Ein umfassender Überblick

Zu den Materialien, die für die Herstellung von Stanzwerkzeugen verwendet werden, gehören Stahl, Hartmetall, stahlgebundenes Hartmetall, Legierungen auf Zinkbasis, Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, Aluminiumbronze und Polymerwerkstoffe.

Gegenwärtig wird für die Herstellung von Stanzwerkzeugen hauptsächlich Stahl verwendet. Zu den üblicherweise verwendeten Werkstoffen für die Arbeitsteile der Matrizen gehören Kohlenstoff-Werkzeugstahl, niedrig legierter Werkzeugstahl, Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem oder mittlerem Chromgehalt, legierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, Schnellarbeitsstahl, unlegierter Stahl, Hartlegierung und stahlgebundene Hartlegierung.

Häufig verwendete Materialien für Stanzwerkzeuge

1. Kohlenstoff-Werkzeugstahl

Kohlenstoff-Werkzeugstähle wie T8A und T10A werden aufgrund ihrer hervorragenden Bearbeitbarkeit und Kosteneffizienz häufig im Formenbau eingesetzt. Diese Stähle enthalten in der Regel 0,7% bis 1,3% Kohlenstoff und bieten ein gutes Gleichgewicht von Härte und Zähigkeit nach der Wärmebehandlung. Ihre günstigen Verarbeitungseigenschaften ermöglichen eine effiziente Bearbeitung, Schleifen und Polieren, so dass sie sich für eine breite Palette von Formenanwendungen eignen.

Kohlenstoff-Werkzeugstähle haben jedoch Einschränkungen, die bei der Konstruktion und Herstellung von Formen berücksichtigt werden müssen:

1. Begrenzte Härtbarkeit: Die Härtetiefe ist begrenzt, so dass sie für große Formen oder solche mit komplexen Geometrien, die eine durchgängig gleichmäßige Härte erfordern, weniger geeignet sind.
2. Schlechte Warmhärte: Bei hohen Temperaturen (über 200 °C) nehmen diese Stähle deutlich an Härte ab, was ihre Verwendung bei Hochtemperatur-Formprozessen einschränkt.
3. Instabilität der Dimensionen: Während der Wärmebehandlung kann es zu erheblichen Verformungen kommen, die eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich machen und die Genauigkeit der Form beeinträchtigen können.
4. Geringere Belastbarkeit: Im Vergleich zu moderneren Werkzeugstählen weisen Kohlenstoff-Werkzeugstähle eine geringere Festigkeit und Verschleißfestigkeit auf, was in der Großserienproduktion zu einer kürzeren Lebensdauer der Formen führen kann.

Trotz dieser Nachteile sind Kohlenstoff-Werkzeugstähle nach wie vor eine praktikable Option für viele Formanwendungen, insbesondere für kleine Produktionsserien, Niedrigtemperatur-Formprozesse oder wenn ein häufiger Austausch der Form wirtschaftlich machbar ist. Um einige Einschränkungen abzumildern, können Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren oder Hartverchromen angewendet werden, um die Verschleißfestigkeit und Oberflächenhärte zu erhöhen.

2. Niedrig legierter Werkzeugstahl

Niedrig legierter Werkzeugstahl ist eine fortschrittliche Variante von Kohlenstoff-Werkzeugstahl, der mit sorgfältig ausgewählten Legierungselementen hergestellt wird, um seine mechanischen und metallurgischen Eigenschaften zu verbessern. Diese Stahlklasse enthält in der Regel 1-5% an Legierungselementen, die seine Leistungsmerkmale im Vergleich zu reinen Kohlenstoff-Werkzeugstählen erheblich verbessern. Die Zugabe von Elementen wie Chrom, Wolfram, Mangan, Vanadium, Nickel und Molybdän in präzisen Anteilen führt zu einem Werkstoff, der bei der Wärmebehandlung eine hervorragende Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit aufweist.

Im Gegensatz zu Kohlenstoffwerkzeugstahl bietet niedrig legierter Werkzeugstahl mehrere entscheidende Vorteile:

1. Geringere Verformung beim Abschrecken: Die Legierungselemente begünstigen eine gleichmäßigere Abkühlung über den gesamten Stahlquerschnitt, wodurch innere Spannungen und Verformungen während des Abschreckens minimiert werden.
2. Geringere Anfälligkeit für Rissbildung: Die verbesserte Härtbarkeit ermöglicht langsamere Abkühlungsgeschwindigkeiten, wodurch das Risiko von Wärmeschocks und nachfolgenden Rissen verringert wird.
3. Verbesserte Härtbarkeit: Legierungselemente erhöhen die Fähigkeit des Stahls, bei niedrigeren Abkühlungsraten Martensit zu bilden, wodurch auch bei größeren Querschnitten hohe Härtegrade erreicht werden können.
4. Hervorragende Verschleißfestigkeit: Die Bildung komplexer Karbide mit Legierungselementen verbessert die Widerstandsfähigkeit des Stahls gegenüber abrasiven und adhäsiven Verschleißmechanismen erheblich.
5. Bessere Hochtemperatureigenschaften: Viele niedrig legierte Werkzeugstähle behalten ihre Härte und Festigkeit bei hohen Temperaturen besser bei als Kohlenstoff-Werkzeugstähle.

Im Formenbau werden in der Regel mehrere niedrig legierte Stahlsorten verwendet, die jeweils auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind:

• CrWMn: Diese Sorte kombiniert Chrom für Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit, Wolfram für Warmhärte und Mangan für Festigkeit und Zähigkeit.
• 9Mn2V: Der hohe Mangangehalt sorgt für eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, während Vanadium zu einem feinen Korngefüge und zur Sekundärhärtung beiträgt.
• 7CrSiMnMoV (Code CH-1): Eine vielseitige Sorte, die eine gute Balance zwischen Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit bietet und für große Formen und Gesenke geeignet ist.
• 6CrNiSiMnMoV (Code GD): Diese Premiumsorte enthält Nickel für eine verbesserte Zähigkeit und Duktilität und eignet sich daher ideal für komplexe Formgeometrien und Anwendungen, die eine hohe Schlagfestigkeit erfordern.

Bei der Auswahl eines niedrig legierten Werkzeugstahls für den Formenbau müssen Faktoren wie die Größe der Form, die Komplexität, das Produktionsvolumen und die Betriebsbedingungen sorgfältig berücksichtigt werden, um Leistung und Langlebigkeit zu optimieren.

3. Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromanteil

Werkzeugstähle mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt, wie Cr12, Cr12MoV und Cr12Mo1V1 (AISI D2), werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften in der Werkzeugindustrie häufig verwendet. Diese Werkstoffe weisen eine ausgezeichnete Härtbarkeit, eine hervorragende Verschleißfestigkeit und minimale Maßänderungen nach der Wärmebehandlung auf. Ihre Belastbarkeit steht der von Schnellarbeitsstählen in nichts nach und macht sie ideal für hochbeanspruchte Anwendungen in der Metallumformung und Zerspanung.

Die überragende Verschleißfestigkeit dieser Stähle ist auf ihren hohen Kohlenstoffgehalt (in der Regel 1,4-2,2%) und den hohen Chromgehalt (11-13%) zurückzuführen, die bei der Wärmebehandlung harte Karbide bilden. Diese Karbide, vor allem Chromkarbide, tragen zu der hervorragenden Abriebfestigkeit und Kantenstabilität des Stahls bei.

Eine besondere Herausforderung bei diesen Stählen ist jedoch ihre Neigung zur Karbidseigerung während der Erstarrung und der Erstverarbeitung. Diese Entmischung kann zu anisotropen mechanischen Eigenschaften und einer geringeren Gesamtleistung führen. Um dieses Problem zu entschärfen, setzen die Hersteller eine Reihe von thermomechanischen Behandlungen ein, darunter wiederholte Stauch- und Ziehvorgänge. Dieser Prozess, der axiales Stauchen und radiales Ziehen umfasst, trägt dazu bei, Karbidnetzwerke aufzubrechen, die Mikrostruktur zu verfeinern und eine gleichmäßigere Karbidverteilung im gesamten Material zu erreichen.

Die Optimierung der Karbidverteilung durch diese Verfahren erhöht die Leistung des Stahls erheblich und verbessert seine Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und allgemeine Konsistenz. Dies ist besonders wichtig für Präzisionswerkzeuganwendungen, bei denen Maßhaltigkeit und gleichmäßige Verschleißeigenschaften von größter Bedeutung sind.

Bei der Auswahl und Verarbeitung dieser Werkzeugstähle müssen die spezifischen Anwendungsanforderungen, die Wärmebehandlungsprotokolle und der mögliche Bedarf an fortschrittlichen Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren oder PVD-Beschichtungen berücksichtigt werden, um die Leistung in anspruchsvollen Umgebungen weiter zu verbessern.

4. Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und mittlerem Chromgehalt

Werkzeugstähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und mittlerem Chromgehalt, wie Cr4W2MoV, Cr6WV und Cr5MoV, werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig im Formenbau eingesetzt. Diese Legierungen enthalten in der Regel 0,5-1,5% Kohlenstoff und 4-6% Chrom und bieten ein optimales Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit. Ihre Zusammensetzung führt zu einem Mikrogefüge, das durch fein verteilte Karbide in einer angelassenen Martensitmatrix gekennzeichnet ist.

Zu den wichtigsten Vorteilen dieser Stähle gehören:

1. Gleichmäßige Karbidverteilung: Der moderate Chromgehalt fördert eine homogene Verteilung der feinen Karbide und erhöht die Verschleißfestigkeit, ohne die Bearbeitbarkeit zu beeinträchtigen.
2. Minimaler Wärmebehandlungsverzug: Die ausgewogenen Legierungselemente tragen zur Dimensionsstabilität während der Wärmebehandlung bei, was für die Einhaltung enger Toleranzen bei der Formenherstellung entscheidend ist.
3. Ausgezeichnete Härtbarkeit: Das Vorhandensein von Chrom, Molybdän und Vanadium sorgt für eine tiefe und gleichmäßige Härtung, auch bei größeren Querschnitten.
4. Verbesserte Zähigkeit: Im Vergleich zu kohlenstoffreichen Chromstählen weisen diese Legierungen eine höhere Schlagfestigkeit und eine geringere Anfälligkeit für Ausbrüche auf.
5. Thermische Stabilität: Die Kombination von Legierungselementen bietet eine gute Beständigkeit gegen Erweichung bei erhöhten Temperaturen, was für die Warmumformung wichtig ist.
6. Polierbarkeit: Die feinen, gleichmäßig verteilten Karbide ermöglichen eine hervorragende Oberflächengüte, die für viele Formgebungsvorgänge entscheidend ist.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Werkzeugstähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und mittlerem Chromgehalt besonders gut für Spritzgießformen, Druckgussformen und andere Werkzeuganwendungen, die eine Kombination aus Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Maßhaltigkeit erfordern. Bei ordnungsgemäßer Wärmebehandlung können diese Stähle eine Härte von 58-62 HRC erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Zähigkeit für die meisten Werkzeuganwendungen aufweisen.

5. Schnellarbeitsstahl

Schnellarbeitsstahl (HSS) ist die erste Wahl unter den Matrizenstählen und bietet eine unvergleichliche Härte, Verschleißfestigkeit und Druckfestigkeit. Seine außergewöhnliche Belastbarkeit macht ihn ideal für hochbelastete Anwendungen im Werkzeug- und Formenbau. Die am häufigsten verwendeten HSS-Sorten im Formenbau sind:

1. W18Cr4V (Code 8-4-1): Diese wolframhaltige Sorte bietet eine ausgezeichnete Härte und Verschleißfestigkeit.
2. W6Mo5Cr4V2 (Code 6-5-4-2, auch bekannt als AISI M2): Eine kostengünstigere Option mit geringerem Wolframgehalt, die Leistung und Wirtschaftlichkeit in Einklang bringt.
3. 6W6Mo5Cr4V (Code 6W6 oder kohlenstoffarmes M2): Eine modifizierte Version von M2 mit reduziertem Kohlenstoff- und Vanadiumgehalt, die entwickelt wurde, um die Zähigkeit zu erhöhen, ohne die Verschleißfestigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.

Zur Optimierung des Mikrogefüges und der mechanischen Eigenschaften erfordert Schnellarbeitsstahl eine sorgfältige Wärmebehandlung und profitiert häufig von Schmiedeverfahren. Das Schmieden verbessert die Karbidverteilung, verfeinert die Kornstruktur und erhöht die Gesamtleistung. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, das volle Potenzial des Werkstoffs in Bezug auf Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität bei Formanwendungen auszuschöpfen.

Die Auswahl der geeigneten HSS-Sorte hängt von den spezifischen Anforderungen an die Form, dem Produktionsvolumen und den Kosten ab. HSS bietet zwar eine überlegene Leistung, aber es ist wichtig, die höheren Kosten gegen die erwartete Lebensdauer des Werkzeugs und die Produktivitätsverbesserungen bei der Werkzeugkonstruktion und den Fertigungsprozessen abzuwägen.

6. Basis Stahl

Basisstähle stellen eine fortschrittliche Klasse von Werkzeugstählen dar, die durch sorgfältige Änderung der Zusammensetzung von Schnellarbeitsstählen (HSS) durch präzise Legierungs- und Kohlenstoffgehaltsanpassung entwickelt wurden. Durch diese metallurgische Optimierung werden ihre allgemeinen Leistungsmerkmale verbessert. Diese Stähle behalten die Kerneigenschaften von HSS bei und bieten gleichzeitig eine verbesserte Verschleißfestigkeit, Härte, Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit.

Die einzigartige Kombination von Eigenschaften der Basisstähle macht sie besonders geeignet für Anwendungen in der Kaltumformung. Sie bieten ein ausgewogenes Profil aus hoher Festigkeit und Zähigkeit, das entscheidend ist, um den zyklischen Belastungen und Stößen, die bei Metallumformungsprozessen auftreten, standzuhalten. Vor allem aber sind Basisstähle eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Schnellarbeitsstählen, da sie vergleichbare Leistungen bei geringeren Materialkosten bieten.

Mehrere Grundstahlsorten haben sich im Formenbau durchgesetzt:

1. 6Cr4W3Mo2VNb (Code 65Nb): Diese Sorte weist eine komplexe Legierungszusammensetzung auf, die Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Niob enthält. Das Vorhandensein von Niob verbessert die Kornfeinung und Ausscheidungshärtung und trägt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit und Warmhärte bei.
2. 7Cr7Mo2V2Si (Code LD): Mit einem höheren Chrom- und Molybdängehalt bietet diese Sorte eine ausgezeichnete Härtbarkeit und Rotgusshärte. Der Zusatz von Silizium verbessert die Oxidationsbeständigkeit, wodurch sie für Anwendungen mit erhöhten Temperaturen geeignet ist.
3. 5Cr4Mo3SiMnVAL (Code 012AL): Diese aluminiumhaltige Sorte kombiniert die Vorteile von Chrom, Molybdän und Vanadium mit der kornverfeinernden Wirkung von Aluminium. Das Ergebnis ist ein Stahl mit hervorragender Zähigkeit und Maßhaltigkeit.

Diese Basisstahlsorten bieten den Werkzeugherstellern eine Reihe von Optionen, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen und Faktoren wie Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Kosteneffizienz bei der Kaltumformung auszugleichen.

7. Hartmetalle und stahlgebundene Hartmetalle

Sinterkarbide, insbesondere Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co)-Verbundwerkstoffe, bieten im Vergleich zu herkömmlichen Formenstählen eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit. Diese Eigenschaften machen sie zu einem unschätzbaren Wert bei Anwendungen mit hohem Verschleiß in der Gießereiindustrie. Ihre relativ geringere Biegefestigkeit und Zähigkeit erfordern jedoch eine sorgfältige Abwägung bei der Konstruktion und Anwendung von Werkzeugen.

Die Leistung von Hartmetallen kann durch Anpassung des Kobaltgehalts maßgeschneidert werden:

1. Niedriger Kobaltgehalt (in der Regel 6-10%):

• Erhöht die Härte und Verschleißfestigkeit
• Ideal für Formen, die abrasiven Materialien mit minimaler Stoßbelastung ausgesetzt sind
• Anwendungen: Spritzgießen von glasgefüllten Polymeren, Pulververdichtungswerkzeuge

1. Hoher Kobaltgehalt (in der Regel 15-30%):

• Verbessert Zähigkeit und Schlagfestigkeit
• Geeignet für Werkzeuge, die höheren Stoßbelastungen oder komplexen Geometrien ausgesetzt sind
• Anwendungen: Stanzwerkzeuge für hochfeste Stähle, Kaltschmiedegesenke

Zu den jüngsten Entwicklungen in der Sinterkarbidtechnologie gehören:

• Ultrafeine und nanokörnige Karbide für erhöhte Verschleißfestigkeit
• Gradientenstrukturen, die zähe Kerne mit verschleißfesten Oberflächen kombinieren
• Keramik-Karbid-Verbundwerkstoffe (z. B. TiCN-WC-Co) für extreme Verschleißbedingungen

Bei der Auswahl von Sinterkarbiden für Formgebungsanwendungen ist Folgendes zu beachten:

• Spezifische Verschleißmechanismen im Prozess
• Zu erwartende Stoßbelastungen und Spannungsverteilungen
• Thermische Wechselbeanspruchung und Potenzial für thermischen Schock
• Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei der Verarbeitung von Polymeren

Sinterkarbide bieten zwar eine außergewöhnliche Verschleißleistung, ihre Anwendung erfordert jedoch häufig spezielle Konstruktionsüberlegungen, wie z. B. spannungsentlastende Geometrien und geeignete Vorspannungstechniken, um ihre inhärente Sprödigkeit zu mindern und ihre Langlebigkeit in anspruchsvollen Formgebungsumgebungen zu optimieren.

8. Stahlgebundenes Sinterkarbid

Stahlgebundenes Sinterkarbid ist ein fortschrittlicher Verbundwerkstoff, der durch hochentwickelte pulvermetallurgische Verfahren hergestellt wird. Bei diesem innovativen Material wird Eisenpulver als primäres Bindemittel verwendet, das mit sorgfältig ausgewählten Legierungselementen wie Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium angereichert wird. Die harte Phase besteht aus Titankarbid (TiC) oder Wolframkarbid (WC), das dem Verbundwerkstoff eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit und Härte verleiht.

Die Stahlmatrix in diesem Material bietet eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die die Grenzen herkömmlicher Hartmetalle überwindet. Durch die Nutzung der Duktilität und Zähigkeit von Stahl überwinden stahlgebundene Sinterkarbide die Sprödigkeit und die mit herkömmlichen Sinterkarbiden verbundenen Verarbeitungsprobleme. Dies ermöglicht eine breite Palette von sekundären Verarbeitungsoptionen, einschließlich Schneiden, Schweißen, Schmieden und Wärmebehandlung, was die Vielseitigkeit des Materials in Fertigungsanwendungen erheblich steigert.

Die Härte und die Verschleißfestigkeit von stahlgebundenen Hartmetallen sind zwar etwas geringer als die von herkömmlichen Hartmetallen, aber sie übertreffen herkömmliche Stähle in diesen Aspekten immer noch deutlich. Die Mikrostruktur des Werkstoffs, die durch eine hohe Konzentration gleichmäßig verteilter Karbide in der Stahlmatrix gekennzeichnet ist, trägt zu seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei. Nach optimierten Wärmebehandlungsverfahren, einschließlich Vergüten, können stahlgebundene Hartmetalle eine beeindruckende Härte von 68 bis 73 HRC (Rockwell-C-Skala) erreichen, wodurch sie sich für anspruchsvolle verschleißfeste Anwendungen eignen.

Die einzigartige Kombination aus Härte, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit macht stahlgebundene Hartmetalle besonders wertvoll für Branchen wie Bergbau, Öl- und Gasindustrie und Schwermaschinenbau, in denen Bauteile schweren abrasiven und erosiven Umgebungen ausgesetzt sind und gleichzeitig komplexe Geometrien oder Modifikationen nach der Fertigung erfordern.

Was sind weiche und harte Materialien im Presswerkzeug?

1. Weiche Materialien:

Bei Stanzwerkzeugen beziehen sich weiche Materialien auf Stähle mit einer Härte von etwa HRC 35. Gängige Beispiele sind 45#-Stahl, A3 und Q235. Diese Werkstoffe weisen eine relativ geringe Härte auf und werden wegen ihrer guten Schlagfestigkeit und Bearbeitbarkeit geschätzt.

Hauptmerkmale von weichen Materialien in Presswerkzeugen:

• Härte: Ungefähr HRC 35
• Beispiele: 45#-Stahl, A3, Q235
• Anwendungen: Obere und untere Stützplatten, Polster und Formböden
• Vorteile: Gute Stoßdämpfung, leichter zu bearbeiten und weniger anfällig für Sprödbrüche
• Beschränkungen: Anfällig für Verformungen, wenn sie von härteren Materialien getroffen werden

2. Harte Materialien:

Harte Werkstoffe in Stanzwerkzeugen sind hochfeste Stähle mit einem Härtebereich von HRC 58 bis 62 oder höher nach der Wärmebehandlung. Übliche Beispiele sind Cr12, Cr12Mo1V1, Cr12MoV, SKD-11, SKD-51 und W6Mo5Cr4V2 (Wolframstahl).

Hauptmerkmale harter Materialien in Presswerkzeugen:

• Härte: HRC 58 bis 62 oder höher
• Beispiele: Cr12, Cr12Mo1V1, SKD-11, W6Mo5Cr4V2
• Anwendungen: Schneiden, Stanzen und stark beanspruchte Teile
• Vorteile: Hervorragende Verschleißfestigkeit, Maßhaltigkeit und präzises Schneiden
• Beschränkungen: Höhere Sprödigkeit, erfordert sorgfältige Handhabung, um Brüche zu vermeiden

Die Wahl zwischen weichen und harten Werkstoffen bei der Konstruktion von Presswerkzeugen hängt von der spezifischen Funktion des Bauteils, der erforderlichen Verschleißfestigkeit und den allgemeinen Leistungszielen des Werkzeugs ab. Optimale Materialauswahl und Wärmebehandlungsverfahren sind entscheidend, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bei Stanzwerkzeugkomponenten zu erreichen.