Werkstoffeigenschaften und Verschleiß von Schneidwerkzeugen

Geschrieben am 28. Januar 2026 in Deutsch mit einer Größe von 11,1 KB

Werkstoffeigenschaften für Schneidwerkzeuge

Warmhärte: Fähigkeit eines Materials, seine Härte, den Widerstand gegen plastische Deformation und Verschleiß bei hohen Temperaturen beizubehalten.
Zähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, Energie durch plastische Verformung zu absorbieren, bevor ein Bruch eintritt.
Duktilität: Die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen.
Mechanische Schlagfestigkeit: Fähigkeit eines Materials, Aufprallenergie zu absorbieren, um Rissbildung zu vermeiden.
Verschleißfestigkeit: Widerstand eines Materials gegen Erosion bei Kontakt mit einem anderen Material.
Thermoschockbeständigkeit: Fähigkeit eines Materials, schnellen Temperaturwechseln bei unterbrochener Bearbeitung standzuhalten.
Härte: Widerstand eines Materials gegen das Eindringen von Fremdkörpern (Eindringkörpern).

Eigenschaften der Schneidstoffe

Zu den gängigen Schneidstoffen gehören: High-Speed-Stähle (HSS), Kobalt-Legierungen, unbeschichtete Hartmetalle, beschichtete Hartmetalle, Keramik, polykristallines kubisches Bornitrid und Diamant.

Direkte Korrelation: Warmhärte, Verschleißfestigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Materialkosten.
Inverse Korrelation: Zähigkeit, Schlagzähigkeit, Verschleißfestigkeit (Astillado), Thermoschockbeständigkeit.

High-Speed-Stahl (HSS)

Eingeführt Anfang des 20. Jahrhunderts. Eigenschaften: Hohe Zähigkeit, gute Verschleißfestigkeit, relativ kostengünstig. Geeignet für: Werkzeuge mit großen und positiven Anstellwinkeln, unterbrochene Schnitte, Werkzeugmaschinen mit geringer Steifigkeit (vibrationsanfällig), komplexe Werkzeuge aus einem Stück, Bohrer, Gewindebohrer und Getriebewerkzeuge. Grenzen: Niedrige Schnittgeschwindigkeiten aufgrund geringer Warmhärte.

Typen: M-Serie (Molybdän) und T-Serie (Wolfram). Die M-Serie bietet eine erhöhte Abriebfestigkeit, weniger Verzug bei der Wärmebehandlung und ist kostengünstiger als die T-Serie. 95 % aller HSS-Werkzeuge gehören zur M-Serie.

Kobalt-Legierungen (Stellite)

Eingeführt um 1915. Zusammensetzung: 38–53 % Co, 30–33 % Cr und 10–20 % W. Eigenschaften: Geringere Zähigkeit als HSS, gute Verschleißfestigkeit, behält die Härte bei höheren Temperaturen als HSS bei. Geeignet für: Tiefe und anhaltende Schruppschnitte, hohe Vorschübe (doppelt so hoch wie bei HSS). Beschränkungen: Nicht für die Endbearbeitung geeignet; weniger geeignet für unterbrochene Schnitte als HSS.

Hartmetalle (Unbeschichtet)

Auch bekannt als gesinterte Hartmetalle. In den 1930er Jahren entwickelt, gehören sie zu den vielseitigsten und kosteneffizientesten Werkzeugmaterialien. Eigenschaften: Hoher E-Modul, hohe Härte über einen weiten Temperaturbereich, hohe thermische Leitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung. Vergleich mit HSS und Kobalt-Legierungen: Sie besitzen eine ähnliche Zähigkeit und Schlagfestigkeit, bieten jedoch eine verbesserte Festigkeit und Warmhärte. Sie sind besser für hohe Schnittgeschwindigkeiten und Temperaturen geeignet. Typen: Hauptsächlich werden Wolframcarbid (WC) und Titancarbid (TiC) verwendet.

Beschichtete Werkzeuge

Herkunft: Entwicklung neuer Legierungen ab 1960 mit hoher Festigkeit und Zähigkeit. Eigenschaften: Niedrige Reibung, bessere intermolekulare Haftung, höhere Verschleißfestigkeit. Sie fungieren als Diffusionsbarriere und bieten eine höhere Warmhärte sowie Schlagfestigkeit. Beschichtete Werkzeuge können eine bis zu 10-mal höhere Lebensdauer erreichen und ermöglichen höhere Schnittgeschwindigkeiten zur Produktivitätssteigerung. 40–80 % aller Schneidwerkzeuge sind heute beschichtet.

Gängige Beschichtungsmaterialien

Materialien: TiN, TiC, TiCN (Titancarbonitrid) und Al2O3.
Dicke: 2 bis 15 µm.
Verfahren: Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).
CVD: Am weitesten verbreitete Methode für Mehrphasen-Carbide und Keramik.
PVD: TiN-Beschichtungen auf Hartmetallen sorgen für stabilere Schneidkanten, weniger Reibung und eine geringere Neigung zur Aufbauschneidenbildung. Die Schichten sind glatt und gleichmäßig (2–4 µm).

Ziele der Beschichtung

Erhöhung der Härte bei hohen Temperaturen, chemische Neutralität, niedrige Wärmeleitfähigkeit (Schutz des Substrats), ausreichende Haftung auf dem Substrat und geringe Porosität zur Aufrechterhaltung der Integrität.

Spezifische Beschichtungen

Titannitrid (TiN, goldfarben): Niedriger Reibungskoeffizient, hohe Härte, temperaturbeständig, gute Haftung. Verbessert die Standzeit von HSS- und Hartmetallwerkzeugen. Erfordert Kühlschmierstoffe bei niedrigen Drehzahlen, um Spanhaftung zu vermeiden.
Titancarbid (TiC): Wird auf Wolframcarbid-Einsätzen angewendet. Verleiht hohe Widerstandsfähigkeit gegen Freiflächenverschleiß bei abrasiven Materialien.
Keramische Beschichtungen (Al2O3): Chemisch neutral, niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit. Resistent gegen Kolk- und Freiflächenverschleiß. Da Aluminiumoxid sehr stabil ist, bindet es jedoch nur schwach auf dem Substrat.
Diamantbeschichtung (Polykristallin): Auf WC- oder Siliziumnitrid-Substraten (SiN). Effizient bei der Bearbeitung von NE-Metallen und abrasiven Materialien wie Aluminium-Silizium-Legierungen, Verbundstoffen und Graphit. Lebensdauer bis zu 10-mal höher.
Weitere: TiCN (härter als TiN), TiAlN, Chromkarbid (CrC), Zirkoniumnitrid (ZrN), Hafniumnitrid (HfN) sowie Nanoschichten.

Keramische Schneidstoffe

Aluminiumoxid-Basis (Al2O3): Eingeführt in den 1950er Jahren. Bestehen aus hochreinem, feinkörnigem Al2O3, kaltgepresst und gesintert. Zusätze von TiC und ZrO verbessern die Zähigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Eigenschaften: Hoher Abriebwiderstand und Warmhärte. Chemisch stabiler als HSS, daher geringere Neigung zur Aufbauschneide. Nachteil: Geringe Zähigkeit führt zu vorzeitigem Versagen. Effektiv bei hohen Geschwindigkeiten und kontinuierlichem Schnitt.

Cermets

Eingeführt in den 1950er Jahren. Zusammensetzung: Keramische Partikel in einer Metallmatrix (z. B. 70 % Al2O3 + 30 % TiC). Vorteile: Chemische Stabilität und Widerstand gegen Aufbauschneiden. Nachteile: Sprödigkeit und hohe Kosten. Geeignet für leichte Schruppschnitte und Hochgeschwindigkeits-Finishing.

Kubisches Bornitrid (CBN)

Nach Diamant das härteste Material. Aufbau: Eine CBN-Schicht wird durch Sintern unter hohem Druck auf ein Hartmetallsubstrat aufgebracht. Das Substrat bietet Schlagfestigkeit, während die CBN-Schicht extreme Verschleißfestigkeit garantiert.

Siliziumnitrid-Keramik (SiN)

Eingeführt in den 1970er Jahren. Zusammensetzung: SiN mit Zusätzen von Al2O3, TiC und Yttriumoxid. Eigenschaften: Hohe Zähigkeit, Warmhärte und Thermoschockbeständigkeit. Einschränkung: Aufgrund chemischer Affinität zu Eisen bei hohen Temperaturen nicht für die Stahlbearbeitung geeignet.

Diamant

Härteste bekannte Substanz. Eigenschaften: Niedrige Reibung, höchste Verschleißfestigkeit, extreme Schärfe der Schneidkante. Wird verwendet, wenn eine hervorragende Oberflächengüte und hohe Maßhaltigkeit erforderlich sind.

Schneidflüssigkeiten und Kühlschmierstoffe

Zweck: Verringerung von Reibung und Verschleiß, Kühlung der Schnittzone, Senkung des Energieverbrauchs, Spanabfuhr und Korrosionsschutz der Oberfläche.

Arten von Kühlschmierstoffen

Öle: Für Operationen mit niedriger Schnittgeschwindigkeit, bei denen der Temperaturanstieg nicht signifikant ist.
Emulsionen (Öl, Wasser, Zusätze): Für Hochgeschwindigkeitsoperationen mit signifikantem Temperaturanstieg.
Halbsynthetische Emulsionen: Mineralöl mit Wasser und chemischen Zusätzen zur Verringerung der Partikelgröße.
Synthetik: Rein chemische Zusätze in Wasser, ohne Mineralöl.

Anwendungsverfahren für Schneidflüssigkeiten

Überflutungskühlung: Die am häufigsten verwendete Methode.
Nebelkühlung (Minimalmengenschmierung): Bringt Flüssigkeit an unzugängliche Stellen; erfordert Belüftung, um Einatmen zu vermeiden.
Hochdrucksysteme: Erhöhen die Wärmeableitung und wirken als Spanbrecher.
Interne Zufuhr: Flüssigkeit wird durch Kanäle im Werkzeug oder im Spannfutter direkt an die Schnittstelle geleitet.

Nachhaltigkeit: Die Wahl muss Materialverträglichkeit, biologische Aspekte und Umweltbelastung berücksichtigen. Trockenbearbeitung (Dry Machining): Verbessert die Luftqualität, reduziert Gesundheitsrisiken und Kosten und kann die Oberflächenqualität verbessern.

Werkzeugverschleiß und Standzeit

Werkzeuge sind hohen Belastungen an der Spitze, hohen Temperaturen und Reibung durch abgleitende Späne ausgesetzt. Die Verschleißgeschwindigkeit hängt vom Werkstückmaterial, der Werkzeuggeometrie, den Prozessparametern und der Maschinensteifigkeit ab. Die Standzeit sinkt mit steigender Schnittgeschwindigkeit.

Anzeichen für notwendigen Werkzeugersatz

Verschlechterung der Oberflächengüte des Werkstücks.
Deutlicher Anstieg der Schnittkräfte und der Temperatur.

Verschleißformen

Kolkverschleiß (Craterbildung): Entsteht auf der Spanfläche durch hohe Temperaturen und chemische Affinität zwischen Werkzeug und Werkstück. Beschichtungen sind hier sehr effektiv.
Verschleiß an der Werkzeugspitze: Rundung der Spitze, führt zu Reibung, hohen Temperaturen und Eigenspannungen.
Kerbverschleiß (Notch): Verschleiß an der Grenze der Kontaktzone, kann zu schwerer Zersplitterung führen.
Astillado (Ausbröckelung): Mechanisch oder thermisch bedingtes Ausbrechen kleiner Stücke an der Schneidkante.

Überwachung des Werkzeugzustands

Direkte Methoden: Optische Messungen (Mikroskop) erfordern Prozessunterbrechungen; Sensorkontakt nach dem Zyklus.
Indirekte Methoden: Online-Analyse von Prozesssignalen wie Schallemission, Kraft oder Beschleunigung zur Echtzeit-Schätzung des Verschleißes.