Was ist Werkzeugstahl?
Legierungen, Eigenschaften und Anwendungen
Werkzeugstahl (DIN EN ISO 4957) wird für die Herstellung von Werkzeugen wie Schneidwerkzeugen, Gussformen oder Umformwerkzeugen eingesetzt. Dank seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit zählt er zu den wichtigsten Werkstoffen in der modernen Fertigungsindustrie.
Je nach Anwendungsbereich unterscheiden sich Werkzeugstähle in ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren mechanischen Eigenschaften. Die verschiedenen Legierungsgrade und Temperaturbeständigkeiten bieten individuelle Vorteile, die sorgfältig auf ihre Eignung für den jeweiligen Anwendungsfall geprüft werden sollten.
Inhalt
Legierungsgrade von Werkzeugstahl
Unlegierter Werkzeugstahl
Unlegierter Werkzeugstahl wird auch Kohlenstoffstahl, Karbonstahl oder C-Stahl genannt. Er hat in der Regel einen Kohlenstoffanteil von 0,5 – 1,5 % und enthält keine weiteren Legierungselemente in nennenswerten Mengen. Beim Kohlenstoffanteil kann unterschieden werden zwischen
- niedrigem Kohlenstoffanteil, ca. 0,05 – 0,24 % (1.0570 – St52-3),
- mittlerem Kohlenstoffanteil, ca. 0,25 – 0,6 % (1.1730 – C45U),
- hohem Kohlenstoffanteil, ca. 0,60 – 1,00 % und
- sehr hohem Kohlenstoffanteil, ca. 1,00 – 1,5 %.
Nach DIN EN ISO 4957 werden Werkzeugstähle primär eingeteilt in:
- unlegierte Werkzeugstähle,
- legierte Kaltarbeitsstähle,
- legierte Warmarbeitsstähle und
- Schnellarbeitsstähle.
Unlegierter Werkzeugstahl eignet sich zum Vergüten, einer kombinierten Wärmebehandlung bestehend aus dem Härten und anschließenden Anlassen. Dadurch wird die Oberflächenhärte, je nach Kohlenstoffanteil des Stahls, drastisch erhöht.
Legierter Werkzeugstahl
Legierter Werkzeugstahl enthält außer Eisen und Kohlenstoff noch weitere Legierungselemente in ausreichender Menge, um die Eigenschaften des Grundstahls zu verändern.
Durch die Zugabe von Chrom, Silizium, Nickel, Mangan, Molybdän oder Vanadium lassen sich u.a. die Zähigkeit, Warmverschleißfestigkeit und die Anlassbeständigkeit beeinflussen. Der Legierungsanteil liegt bei maximal 5 %, alles was über die 5% hinausgeht ist dann ein hochlegierter Stahl.
Legierte Werkzeugstähle können Kaltarbeitsstähle sowie Warmarbeitsstähle sein und eignen sich für Bearbeitungstemperaturen von bis zu 400 °C. Eine Ausnahme bildet u.a. der Kaltarbeitsstahl 1.2990 mod., der bis zu einer Arbeitstemperatur von 500 °C eingesetzt werden kann.
Im Gegensatz zum unlegierten Stahl (Schalenhärter) lässt sich legierter Stahl durchhärten. Dabei wird er erhitzt und dann in Öl, Luft oder Wasser abgeschreckt.
Hochlegierter Werkzeugstahl
Hochlegierten Stahl erkennt man, zur Abgrenzung von legierten Stählen, an dem vorangestellten X vor dem Kurznamen des Stahls, z.B. der 1.2379 – X153CrMoV12. Sie bilden einen Übergang zu nichtrostenden Stählen (korrosionsbeständigen Stählen) und sind dem Schnellarbeitsstahl sehr ähnlich.
Hochlegierte Werkzeugstähle haben einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 2,1 % (1.2436, 1.2080). Andere Legierungselemente sind mit einem gesamten Anteil von 6 bis 30 % enthalten.
Hochlegierter Werkzeugstahl ist teilweise für Arbeitstemperaturen bis 600 °C geeignet und erfüllt mindestens eine dieser Eigenschaften: gute Zerspanbarkeit, hohe Zähigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit oder hohe Arbeitshärte.
SO LESEN SIE DIE KURZNAMEN VON WERKZEUGSTAHL
Die Kurznamen von Werkzeugstählen liefern wichtige Informationen über deren Zusammensetzung und Eigenschaften. Alle enthaltenen Bestandteile von weniger als 1% am Masseanteil des Stahls erhalten im Kurznamen keine explizite Mengenangabe. Bei hochlegierten Stählen (gekennzeichnet durch X) werden die Legierungselemente direkt in echten Prozentwerten angegeben (ohne Multiplikator).
Wie die folgenden Beispiele zeigen, lässt sich dadurch schnell erkennen, ob es sich um einen hochlegierten Stahl handelt, wie hoch der Kohlenstoffgehalt ist und welche Legierungselemente enthalten sind.
Kurzname C45U – Werkstoff 1.1730
- C45 = durchschnittlich 0,45 % Kohlenstoff
- U = unlegiert
Kurzname 90MnCrV8 – Werkstoff 1.2842
- 90 = durchschnittlich 0,9 % Kohlenstoff
- Mn8 = durchschnittlich 2 % Mangan
- Cr = Chrom enthalten ≤ 1%
- V = Vanadium enthalten ≤ 1%
Kurzname X153CrMoV12 – Werkstoff 1.2379
- X = hochlegiert
- 153 = durchschnittlich 1,53% Kohlenstoff
- Cr12 = durchschnittlich 12 % Chrom
- Mo = Molybdän enthalten ≤ 1%
- V = Vanadium enthalten ≤ 1%
Eigenschaften von Werkzeugstahl
Werkzeugstahl bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften, die von der jeweiligen Legierung abhängen und oft mit Wärmebehandlungen den Erfordernissen angepasst werden können. Ein sorgfältiger Auswahlprozess ist wichtig, um die passende Stahlgüte für Ihren Einsatzfall zu finden.
Unlegierter Werkzeugstahl hat eine geringe Einhärtetiefe, bietet aber nach einer gezielten Wärmebehandlung eine
- hohe Oberflächenhärte bei zähem Kern
- hohe Verschleißfestigkeit
- gute Schneidfähigkeit
Legierter Werkzeugstahl lässt sich vollständig durchhärten. Dabei wird er erhitzt und dann in Öl, Luft oder Wasser abgeschreckt.
Er hat abhängig von seinen Legierungselementen die Möglichkeit zu einer
- höheren Warmfestigkeit
- höheren Härte
- höheren Anlassbeständigkeit
- höheren Zähigkeit
- besseren Verschleißfestigkeit
Hochlegierter Werkzeugstahl kann diese Eigenschaften noch verbessern und zusätzlich eine gute Zerspanbarkeit aufweisen. Kunststoffformenstähle sind Werkzeugstähle, die auch in der Kunststoffbearbeitung und -verarbeitung eingesetzt werden. Diese Stähle sind oft nicht nur druck- und verschleißfest, sondern auch gut polierbar und wärmebeständig.
Kaltarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl
Neben dem Legierungsgrad spielt auch der spätere Einsatzbereich eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften von Werkzeugstahl. In Bezug auf die Einsatztemperatur wird zwischen Kaltarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl unterschieden.
Kaltarbeitsstahl wird für eine Einsatztemperatur von bis zu 200°C auf der Schneidoberfläche eingesetzt. Er kann je nach Legierungszusätzen hohe Durchhärtbarkeit, Polierbarkeit, Verschleißbeständigkeit, Randschichthärtbarkeit und Zähigkeit aufweisen. Sein Einsatzgebiet liegt u.a. beim Kaltwalzen, Zerspanen oder Führen.
Warmarbeitsstahl ist für Bearbeitungstemperaturen bis 400 °C geeignet. Hochlegierte Werkzeugstähle eignen sich teilweise sogar für bis zu 600 °C Bearbeitungstemperatur. Warmarbeitsstähle haben eine höhere Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit und eignen sich für stark beanspruchte Werkzeuge.
Anwendungsgebiete von Werkzeugstahl
Werkzeugstahl dient hauptsächlich zur Herstellung zahlreicher Werkzeuge, aber auch zur Fertigung von Formen für Gussteile aus Metall oder Kunststoff. Die konkrete Eignung hängt dabei stark von der Legierungsart ab.
Unlegierter Werkzeugstahl eignet sich für die Herstellung von einfachen Werkzeugen, die eher einer geringen Beanspruchung unterliegen.
- Bsp.: Zieh- und Biegewerkzeuge, Schneidplatten und Stempel
Legierter Werkzeugstahl eignet sich durch die höhere Warmfestigkeit, größere Härte und höhere Anlassbeständigkeit für die Herstellung von höher beanspruchten Werkzeugen.
- Bsp.: Formenbau, Schnittwerkzeuge, Bohrer
Hochlegierte Werkzeugstähle bieten die beste Verschleißfestigkeit, Härte und Warmfestigkeit. Sie müssen nicht zwingend extrem hochlegiert sein, sondern erfordern eine hohe Zähigkeit bei Temperaturwechsel. Diese Stähle werden auf Grund dieser Eigenschaften für stark belastete Werkzeuge eingesetzt.
- Bsp.: Spritzgussformen, Schmiedegesenke, Warmumformwerkzeuge, Stanzwerkzeuge
FAQ - Fragen zum Werkzeugstahl
Welche Arten von Werkzeugstahl gibt es?
Werkzeugstähle lassen sich auf verschiedene Weisen einteilen: Nach ihrem Legierungsgrad in unlegierte, legierte und hochlegierte Werkzeugstähle, nach ihrer Bearbeitungsart in Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle, oder nach ihrem Abschreckmittel in Öl-, Luft- und Wasserhärter.
Ist Werkzeugstahl Schnellarbeitsstahl?
Schnellarbeitsstahl ist hochlegierter Werkzeugstahl mit einer äußerst hohen Warmfestigkeit und Warmhärte. Diese Stahlsorten sind mit dem Kürzel HSS für High Speed Steel versehen. Alle anderen Werkzeugstähle sind keine Schnellarbeitsstähle.
Wofür wird Werkzeugstahl verwendet?
Welchen Kohlenstoffgehalt haben Werkzeugstähle?
Unlegierte Werkzeugstähle haben in der Regel einen Kohlenstoffanteil von 0,5 bis 1,5 %. Generell kann Werkzeugstahl bis zu 2,1 % Kohlenstoff enthalten.
Kann man Werkzeugstahl schweißen?
Die Schweißbarkeit hängt nicht nur vom Kohlenstoffgehalt (C-Gehalt) ab, sondern maßgeblich vom Kohlenstoffäquivalent (CEV) und dem Härtungszustand. Werkzeugstähle erfordern aufgrund der Rissgefahr fast immer ein spezielles Vorwärmen, Einhalten von Zwischenlagentemperaturen und ein anschließendes Spannungsarmglühen/Anlassen.
Mit der richtigen Technik ist das Schweißen dennoch bei vielen Werkzeugstählen möglich.
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