Automatenstähle

02Definition und grundlegende Eigenschaften der Automatenstähle

Automatenstähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit gezielt eingestellten Zusätzen von Schwefel, Blei, Tellur oder Bismut, die bei der spanenden Bearbeitung kurze, unterbrochene Späne entstehen lassen. Die Klassifizierung der Automatenstähle grenzt sie von konventionellen Stählen dadurch ab, dass sie hohe Schnittgeschwindigkeiten, längere Standzeiten und beste Oberflächengüten ermöglichen.

Das Besondere an diesen Werkstoffen sind die kontrolliert eingestellten nichtmetallischen Einschlüsse: Sie wirken als Spannungskonzentratoren, fördern den Spanbruch und senken die Schnittkräfte. Die mechanischen Eigenschaften von Automatenstählen sind darauf abgestimmt, die hohe Zerspanbarkeit mit Kennwerten in Einklang zu bringen, die zum späteren Einsatz passen.

2.1Grundlagen der Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von Automatenstählen beruht auf mehreren ineinandergreifenden Faktoren, die den Spanabtrag bestimmen. Die Zerspanbarkeit von Stählen bei hoher Schnittgeschwindigkeit hängt davon ab, ob der Werkstoff kurze, leicht abzuführende Späne bildet. Das verringert die Reibung an der Spanfläche des Werkzeugs und die Wärme, die beim Schnitt entsteht.

Zu den grundlegenden Mechanismen der Zerspanbarkeit gehören Sulfideinschlüsse, die als natürliche Schmierstoffe wirken, die Bildung schützender Filme auf der Werkzeugoberfläche und die Senkung der Schnittkräfte durch eine örtlich begünstigte plastische Verformung.

2.2Chemische Zusammensetzung und Elemente für die Zerspanbarkeit

Die chemische Zusammensetzung von Automatenstählen ist durch gezielt eingestellte Gehalte an Elementen gekennzeichnet, die die Zerspanbarkeit verbessern. Den Ausschlag gibt der Schwefel. Er reicht von 0,10-0,18 % beim 36SMnPb14 bis 0,34-0,40 % bei den „37“-Sorten und bildet die Einschlüsse aus Mangansulfid (MnS), die den Spanbruch fördern.

Blei wirkt in Gehalten von 0,15-0,35 % als Festschmierstoff, der in der metallischen Matrix verteilt ist und die Reibung im Schnitt verringert. Als Alternativen dienen Tellur und Bismut in geringeren Gehalten (0,02-0,10 %), die dieselbe Wirkung wie Blei erzielen, wo bleifreie Stähle gefordert sind.

2.3Mechanismen der Spanbildung

Die Spanbildung in Automatenstählen verläuft über eine örtlich konzentrierte plastische Verformung, die von den nichtmetallischen Einschlüssen im Gefüge begünstigt wird. Die Sulfideinschlüsse haben eine geringe Festigkeit und neigen dazu, bei den Temperaturen der Schnittzone zu erweichen und sich zu verformen. So entstehen Bereiche mit Spannungskonzentration, die die Bildung von Mikrorissen und damit die Segmentierung des Spans einleiten.

Form und Verteilung der Einschlüsse zu beherrschen ist entscheidend für eine optimale Zerspanbarkeit. Dafür sind beim Gießen und beim Umformen bestimmte Parameter einzuhalten, damit die Einschlüsse in Walzrichtung gestreckt vorliegen.

03Klassifizierung der Automatenstähle nach internationalen Normen

3.1Europäische Norm EN ISO 683-4:2018 (früher EN 10087)

Die europäische Norm für Automatenstähle legt die technischen Anforderungen an Automatenstähle für die spanende Bearbeitung fest und regelt chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Lieferbedingungen. Sie harmonisiert diese Anforderungen und sichert damit international eine gleichbleibende Qualität und die Austauschbarkeit der Werkstoffe.

Die Norm ordnet die Automatenstähle nach ihrer Eignung zur Wärmebehandlung in drei Gruppen - nicht zur Wärmebehandlung bestimmt, zum Einsatzhärten geeignet und zum Vergüten geeignet - und schreibt für jede enge Toleranzen für Schwefel, Blei und die übrigen Elemente vor, die die Zerspanbarkeit beeinflussen. Anforderungen an den Reinheitsgrad stellen sicher, dass diese Elemente gleichmäßig verteilt vorliegen. Für den Lieferzustand gezogen - den Zustand, in dem wir die drei Güten am Lager halten - gilt dagegen die EN ISO 683-7:2024 (früher EN 10277).

3.2ASTM- und AISI-Normen für Automatenstähle

Die Normen ASTM A29/A108 und die AISI-Bezeichnungen regeln die Anforderungen an Automatenstähle auf dem nordamerikanischen Markt (nichtrostende Sorten mit verbesserter Zerspanbarkeit deckt ASTM A582 ab). Das AISI-Bezeichnungssystem kennzeichnet Automatenstähle mit eigenen Präfixen: „11“ für Kohlenstoffstähle mit Schwefel, „12“ für Kohlenstoffstähle mit Schwefel und Blei.

Die Gegenüberstellung europäischer und amerikanischer Normen macht gleichwertige Sorten auffindbar und erleichtert damit die Wahl alternativer Werkstoffe nach regionaler Verfügbarkeit und nach den besonderen Anforderungen der Anwendung.

3.3Internationales Bezeichnungssystem

Das internationale Bezeichnungssystem für Automatenstähle unterscheidet sich von Region zu Region, bleibt in den grundlegenden Merkmalen der Zusammensetzung aber einheitlich:

• Europäisches System: numerische Bezeichnung mit Zusätzen für die Legierungselemente (S für Schwefel, Pb für Blei)
• AISI-System: vierstellige Nummerierung mit kennzeichnenden Präfixen (11xx, 12xx)
• JIS-System: alphanumerische Bezeichnung mit regionalem Präfix (SUM)

3.4Gegenüberstellung der Bezeichnungen

Die Tabelle führt die gültigen EN-Bezeichnungen auf. Wer nach 9SMnPb28 oder CF9SMnPb28 sucht, meint denselben Stahl: Beide sind überholte Kurznamen nach DIN 1651 für die Werkstoffnummer 1.0718, also für den 11SMnPb30.

04Hauptgruppen der Automatenstähle

4.1Automatenstähle, die nicht für eine Wärmebehandlung bestimmt sind

Automatenstähle, die nicht für eine Wärmebehandlung bestimmt sind, bilden die am häufigsten eingesetzte Gruppe: überall dort, wo die geforderten mechanischen Eigenschaften mäßig ausfallen und die Zerspanbarkeit Vorrang hat. Diese Stähle haben in der Regel weniger als 0,25 % Kohlenstoff und werden im unbehandelten Zustand (+U) geliefert, also warmgeformt wie gewalzt: das ist der Lieferzustand, den die Norm ohne anderslautende Vereinbarung vorsieht.

Zu den industriellen Anwendungen von Automatenstählen dieser Gruppe zählen Metallkleinteile, Verbindungselemente und Teile mit komplexer Geometrie, die hohe Fertigungsgeschwindigkeiten verlangen, wobei das ferritisch-perlitische Gefüge für gute Duktilität und eine leichte Verformbarkeit bei der Bearbeitung sorgt.

4.2Automatenstähle zum Einsatzhärten

Automatenstähle zum Einsatzhärten verbinden eine hohe Zerspanbarkeit mit der Fähigkeit, durch Einsatzhärten eine harte Randschicht auszubilden. Der niedrige Kohlenstoffgehalt (0,10-0,20 %) sichert nach der thermochemischen Behandlung einen zähen Kern, während die Elemente für die Zerspanbarkeit das Schruppen vor der Behandlung erleichtern.

Eingesetzt werden diese Werkstoffe für Bauteile, die Verschleißfestigkeit an der Oberfläche mit einem zähen Kern verbinden müssen - Zahnräder, Bolzen und Buchsen im Maschinenbau.

4.3Automatenstähle zum Vergüten

Automatenstähle zum Vergüten haben mittlere Kohlenstoffgehalte (0,25-0,55 %) und erreichen durch Härten und Anlassen höhere mechanische Kennwerte. Die Elemente für die Zerspanbarkeit erleichtern das Schruppen, während die Wärmebehandlung von Automatenstählen die endgültigen Eigenschaften des Bauteils einstellt.

Die Grenzen der Wärmebehandlung ergeben sich aus den Sulfideinschlüssen, die die Zähigkeit in Querrichtung und die Schwingfestigkeit des behandelten Werkstoffs beeinträchtigen können.

4.4Die wichtigsten Sorten (11SMn30/37, 11SMnPb30/37, 36SMnPb14)

Die Sorte 11SMn30 ist der meistverwendete unlegierte, schwefelhaltige Automatenstahl für allgemeine Anwendungen und bietet einen guten Kompromiss zwischen Zerspanbarkeit und mechanischen Eigenschaften. Der Schwefelgehalt von 0,27-0,33 % sorgt für kontrolliert gebildete MnS-Einschlüsse und damit für beste Zerspanbarkeit; die Variante 11SMn37 hebt den Schwefel auf 0,34-0,40 % und die Zerspanbarkeit noch eine Stufe höher.

Der 11SMnPb30 setzt zusätzlich Blei ein und steigert die Zerspanbarkeit weiter, was sich bei hohen Schnittgeschwindigkeiten auf Drehautomaten besonders auszahlt. Die Sorte 36SMnPb14 mit ihrem höheren Kohlenstoffgehalt kommt dort zum Einsatz, wo Bauteile nach dem Vergüten höhere Festigkeit brauchen.

4.5Die drei Sorten ab Lager, alle kaltgezogen

Ab Lager führen wir 11SMn30/37, 11SMnPb30/37 und 36SMnPb14, und alle drei in nur einem Lieferzustand: kaltgezogen. Das ist keine eingeschränkte Auswahl, sondern folgt aus dem Einsatz. Einen Automatenstahl kauft man, um die Stange in einen Drehautomaten zu spannen und nicht mehr anzufassen, und das verlangt Maßtoleranz und Oberflächengüte zugleich, wie sie nur das Ziehen liefert. Ein warmgewalzter Stab mit derselben Analyse hätte dieselbe Zerspanbarkeit und bliebe für diesen Zyklus dennoch unbrauchbar.

Über die Wahl zwischen den dreien entscheiden zwei Kennwerte. Der Schwefel bestimmt, wie weit der Span bricht: 0,27-0,33 % beim 11SMn30, 0,34-0,40 % beim 11SMn37 und 0,10-0,18 % beim 36SMnPb14. Der Letztgenannte enthält weniger davon, weil er vergütbar bleiben muss. Das Blei - 0,20-0,35 % bei 11SMnPb30 und 11SMnPb37, 0,15-0,35 % beim 36SMnPb14 - wirkt als Festschmierstoff und zählt vor allem bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Der 36SMnPb14 ist als Einziger der drei kohlenstoffreich genug, um nach der Bearbeitung wärmebehandelt zu werden.

Die verfügbaren Querschnitte folgen dem Einsatz: Rund- und Sechskantstahl für das Drehen (11SMn30/37, 36SMnPb14), während der 11SMnPb30/37 zusätzlich Vierkant- und Flachstahl abdeckt. Er ist zugleich der Einzige der drei mit einem eigenen Werkstoffdatenblatt, das die vollständige Zusammensetzung, die mechanischen Kennwerte nach Abmessungsbereich und die physikalischen Eigenschaften enthält.

05Chemische Zusammensetzung und Legierungselemente

5.1Die Rolle des Schwefels für die Zerspanbarkeit

In Automatenstählen ist der Schwefel das entscheidende Element für die Zerspanbarkeit, weil er Einschlüsse aus Mangansulfid (MnS) bildet. Diese Einschlüsse schmelzen erst bei ~1610 °C. Ausschlaggebend für die Zerspanbarkeit ist aber, dass sie im Bereich von 800-1000 °C, wie er in der Schnittzone herrscht, deutlich erweichen.

Die Form der Sulfideinschlüsse wird über das Verhältnis Mn/S gesteuert, das in der Regel zwischen 4:1 und 6:1 liegt: So bildet sich das MnS vollständig, und Eisensulfid (FeS), das die mechanischen Eigenschaften schädigen würde, entsteht nicht. Eine gleichmäßige Verteilung der Einschlüsse setzt optimierte Gieß- und Umformprozesse voraus.

5.2Die Wirkung des Bleis als Festschmierstoff

Blei liegt in Automatenstählen mit Schwefel und Blei gleichmäßig im Gefüge verteilt vor und wirkt dort als Festschmierstoff. Bei der Bearbeitung bildet es dünne Filme auf der Werkzeugoberfläche, senkt Reibung und Wärmeentwicklung und verlängert damit die Standzeit deutlich.

Da Blei in Eisen praktisch unlöslich ist, liegen freie metallische Teilchen vor, die bei der plastischen Verformung an die Schnittflächen wandern. Die schmierende Wirkung tritt bei den Betriebstemperaturen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (200-400 °C) besonders deutlich hervor.

5.3Der Einfluss von Tellur und Bismut

Tellur und Bismut sind Alternativen zum Blei, wenn die Zerspanbarkeit von Automatenstählen verbessert werden soll. Tellur bildet in Gehalten von 0,02-0,05 % Telluride, die über ähnliche Mechanismen wirken wie die Sulfideinschlüsse.

Bismut wirkt in Gehalten von 0,05-0,20 % als Festschmierstoff anstelle des Bleis und erreicht dabei vergleichbare Ergebnisse bei Reibung und Oberflächengüte.

5.4Kontrolle der Begleitelemente

Die Begleitelemente eng zu begrenzen ist bei Automatenstählen entscheidend für gleichmäßige Eigenschaften und eine gleichbleibende Zerspanbarkeit. Phosphor und Stickstoff sind zu beschränken, damit keine Versprödung eintritt; Sauerstoff und Wasserstoff sind zu überwachen, um unerwünschte Einschlüsse möglichst gering zu halten.

Nickel, Chrom und Molybdän können schon in Restgehalten die örtliche Härtbarkeit beeinflussen und das Verhalten bei der Wärmebehandlung verändern, weshalb kritische Anwendungen eigene Kontrollen verlangen.

06Mechanische Eigenschaften und Zerspanbarkeit

6.1Zerspanbarkeitsindizes und Kennzahlen

Um die Zerspanbarkeit von Automatenstählen zu beziffern, dienen genormte Indizes, die einen sachlichen Vergleich zwischen Werkstoffen erlauben. Der gebräuchlichste Zerspanbarkeitsindex geht von der Schnittgeschwindigkeit bei einer festgelegten Standzeit aus und bezieht sie auf einen Referenzstahl (in der Regel AISI 1112 = 100 %).

Bleihaltige Automatenstähle erreichen in der Regel Zerspanbarkeitsindizes von 150-200 %, Sorten mit Schwefel allein liegen bei 120-150 %. Bewertet werden Schnittgeschwindigkeit, Standzeit, Schnittkräfte und Oberflächengüte nach ISO 3685.

6.2Optimale Schnittgeschwindigkeiten

Die optimalen Schnittgeschwindigkeiten für Automatenstähle hängen von der chemischen Zusammensetzung, von der Art der Bearbeitung und von den Eigenschaften des eingesetzten Werkzeugs ab. Beim Drehen mit Hartmetallwerkzeugen sind folgende Werte üblich:

• Stähle mit Schwefel allein: 250-350 m/min
• Stähle mit Schwefel und Blei: 300-450 m/min
• Stähle mit Tellur/Bismut: 280-400 m/min

Die Optimierung verlangt eine Abwägung zwischen Fertigungsgeschwindigkeit, Standzeit und Oberflächengüte, und zwar unter Berücksichtigung der gesamten Betriebskosten.

6.3Standzeit der Schneidwerkzeuge

Die Standzeit der Schneidwerkzeuge ist ein entscheidender Punkt der Wirtschaftlichkeitsrechnung für Automatenstähle. Die bessere Zerspanbarkeit verlängert sie gegenüber konventionellen Stählen um 50-150 %, was sich in der Großserienfertigung deutlich rechnet.

Vorherrschend sind Kolkverschleiß an der Spanfläche und Freiflächenverschleiß; beide setzen später ein, weil die schmierenden Elemente die Schnitttemperaturen und das Anhaften des Spans verringern.

6.4Oberflächengüte und Toleranzen

Die mit Automatenstählen erreichbare Oberflächengüte liegt über der konventioneller Stähle, weil der Span weniger anhaftet und sich schmierende Filme bilden; unter optimierten Bedingungen sind folgende Rauheiten üblich:

• Drehen: Ra 0,8-1,6 μm
• Fräsen: Ra 1,6-3,2 μm
• Bohren: Ra 3,2-6,3 μm

Welche Maßtoleranzen erreichbar sind, hängt von der thermischen Stabilität des Prozesses und von der Steifigkeit des Systems aus Maschine, Werkstück und Werkzeug ab.

07Wärmebehandlungen und Lieferzustände

7.1Der Lieferzustand warmgewalzt und unbehandelt

Warmgewalzt und unbehandelt ist der häufigste Lieferzustand für Automatenstähle zur unmittelbaren Zerspanung. Nach dem Walzen kühlt das Material kontrolliert ab. Das dabei entstehende ferritisch-perlitische Gefüge sichert eine gleichmäßige Härte und beste Zerspanbarkeit.

Die Walzparameter zu beherrschen ist entscheidend dafür, dass die Sulfideinschlüsse gleichmäßig verteilt sind und die mechanischen Eigenschaften über die gesamte Länge des Halbzeugs gleich bleiben.

7.2Normalglühen und Glühen

Das Normalglühen wird bei Automatenstählen eingesetzt, um ein gleichmäßiges Gefüge zu erhalten und die Eigenspannungen aus der Warmumformung abzubauen. Die Behandlung bei 870-920 °C mit anschließender Abkühlung an Luft sichert ein feines Korn und gleichmäßige mechanische Eigenschaften.

Das Weichglühen bei 650-700 °C senkt die Härte des Werkstoffs und bringt die Zerspanbarkeit auf ihr Höchstmaß. Es begünstigt die Einformung des Perlits zu kugeligen Carbiden, verbessert damit die Duktilität und erleichtert die Kaltumformung.

7.3Vergüten von Automatenstählen

Die Wärmebehandlung von Automatenstählen durch Vergüten verlangt besondere Sorgfalt, weil die Sulfideinschlüsse die Endeigenschaften beeinflussen können. Gehärtet wird bei abgestimmten Austenitisierungstemperaturen (840-870 °C), damit sich der Zementit vollständig löst, ohne die Einschlüsse zu stark zu verändern.

Das Anlassen, in der Regel bei 550-650 °C, stellt den gewünschten Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit ein, wobei der Schwefel die Zähigkeit in Querrichtung gegenüber gleichwertigen konventionellen Stählen leicht mindern kann.

7.4Grenzen der Wärmebehandlung

Die Grenzen der Wärmebehandlung von Automatenstählen ergeben sich vor allem aus den nichtmetallischen Einschlüssen, die die mechanischen Eigenschaften anisotrop machen können. Die Kerbschlagzähigkeit quer zur Walzrichtung liegt in der Regel um 20-30 % unter der in Längsrichtung.

Beim schnellen Abschrecken wirken die Sulfideinschlüsse zudem als Spannungskonzentratoren und erhöhen bei massigen Querschnitten oder komplexen Geometrien die Gefahr von Härterissen.

08Herstellung und Weiterverarbeitung

8.1Vergießen und Kontrolle der Zusammensetzung

Die Gießverfahren für Automatenstähle verlangen strenge Kontrollen, damit die Elemente für die Zerspanbarkeit gleichmäßig verteilt vorliegen. Die Reihenfolge der Zugaben ist dabei entscheidend: Zuerst kommt das Mangan zur Desoxidation, dann der Schwefel, der die kontrolliert eingestellten MnS-Einschlüsse bildet.

Gießtemperatur und Verweilzeit in der Pfanne prägen die endgültige Form der Einschlüsse, sodass für jede Sorte eigene, abgestimmte Parameter nötig sind.

8.2Walzen und Kaltziehen

Das Walzen von Automatenstählen verlangt eigene Parameter, damit sich die Sulfideinschlüsse kontrolliert in Walzrichtung strecken. In der Regel ist ein Mindestumformgrad von 3:1 nötig, bis die gerichtete Anordnung der Einschlüsse vollständig ausgebildet ist.

Das Kaltziehen verbessert die Ausrichtung der Einschlüsse und die Oberflächeneigenschaften weiter, verlangt aber eine Temperaturführung, die das Aufbrechen der spröderen Einschlüsse verhindert.

8.3Parameter der spanenden Bearbeitung

Die Bearbeitungsparameter für Automatenstähle - Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe und Werkzeugeigenschaften - lassen sich nur gemeinsam festlegen, und je nach Verfahren fallen die optimalen Werte deutlich unterschiedlich aus:

Drehen:

• Schnittgeschwindigkeit: 250-450 m/min
• Vorschub: 0,1-0,4 mm/U
• Schnitttiefe: 1-5 mm

Fräsen:

• Schnittgeschwindigkeit: 200-350 m/min
• Vorschub: 0,05-0,2 mm/Zahn
• Axiale Schnitttiefe: 0,5-3 mm

Optimierung der Fertigungszyklen

Fertigungszyklen mit Automatenstählen zu optimieren verlangt ein systematisches Vorgehen, das Produktivität, Qualität und Betriebskosten zusammen betrachtet und über eine Überwachung in Echtzeit die Schnittparameter selbsttätig an wechselnde Betriebsbedingungen anpasst.

Die Anbindung an moderne CAD/CAM-Systeme erleichtert es, Werkzeugbahnen so zu programmieren, dass die hohe Zerspanbarkeit voll zum Tragen kommt.

09Industrielle Anwendungen der Automatenstähle

9.1Automobilindustrie und Zulieferteile

Die Automobilindustrie ist der größte Abnehmer von Automatenstählen und fertigt daraus Bauteile, die hohe Stückzahlen und enge Toleranzen verlangen. Typische Anwendungen sind Bolzen, Buchsen, Verbindungselemente und Bauteile der Kraftstoffanlage.

Die Zerspanbarkeit der Automatenstähle zahlt sich besonders auf hochproduktiven Bearbeitungszentren aus, wo kürzere Taktzeiten und längere Standzeiten unmittelbar auf die Kosten durchschlagen.

9.2Fertigung von Metallkleinteilen

Metallkleinteile sind ein idealer Einsatzfall für Automatenstähle, weil sich damit große Stückzahlen mit hoher Maßgenauigkeit fertigen lassen. Schrauben, Muttern, Scheiben und Verbindungselemente entstehen in der Regel auf Mehrspindeldrehautomaten, die von der hohen Zerspanbarkeit unmittelbar profitieren.

Gegenüber konventionellen Stählen kann die Produktivität um 30-50 % steigen, bei gleichzeitig besserer Oberflächengüte und Maßhaltigkeit.

9.3Hydraulik und Pneumatik

Die Hydraulik setzt Automatenstähle für Bauteile ein, die hohe Oberflächengüten und enge Toleranzen verlangen. Kolben, Kolbenstangen und Ventilgehäuse profitieren davon, dass sich mit hoher Schnittgeschwindigkeit geringe Rauheiten und genaue Geometrien erzielen lassen.

Korrosionsbeständigkeit und Verträglichkeit mit Hydraulikflüssigkeiten kommen als weitere Kriterien hinzu, wenn die passende Sorte Automatenstahl ausgewählt wird.

9.4Hausgeräte und Elektronik

Die Hausgeräte- und Elektronikindustrie verwendet Automatenstähle für Bauteile, die in hohen Stückzahlen und zu geringen Kosten entstehen müssen. Verbindungselemente, Halterungen und Zierteile nutzen die hohe Zerspanbarkeit für Arbeitsgänge mit engen Toleranzen.

Die fortschreitende Miniaturisierung verlangt Automatenstähle, deren Zerspanbarkeit auf die Mikrobearbeitung und auf Toleranzen im Submillimeterbereich abgestimmt ist.

10Grenzen und konstruktive Hinweise

10.1Eingeschränkte Schweißeignung

Schwefel und Blei beeinträchtigen die Schweißeignung von Automatenstählen erheblich, weil sich in der Wärmeeinflusszone spröde Verbindungen bilden und der hohe Schwefelgehalt zudem Heißrisse begünstigt, während das Schmelzgut erstarrt.

Wo geschweißt werden muss, kommen Sorten mit geringeren Gehalten an Elementen für die Zerspanbarkeit infrage; andernfalls ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vorzusehen, die die Eigenschaften der Verbindung verbessert.

10.2Begrenzte Zähigkeit in Querrichtung

Die Zähigkeit in Querrichtung fällt bei Automatenstählen geringer aus als bei konventionellen Stählen, weil sich die Sulfideinschlüsse beim Walzen strecken und dabei ausrichten. Bei Beanspruchung senkrecht zur Walzrichtung kann die Einbuße 30-40 % erreichen.

Die Konstruktion muss diese Anisotropie berücksichtigen und die Hauptbeanspruchung nach Möglichkeit parallel zur Walzrichtung legen.

10.3Schwingfestigkeit

Die Schwingfestigkeit von Automatenstählen kann unter den nichtmetallischen Einschlüssen leiden, die als Spannungskonzentratoren den Riss einleiten. Bei zyklischer Beanspruchung mit hoher Frequenz tritt das besonders deutlich hervor.

Oberflächenbehandlungen wie das kontrollierte Kugelstrahlen bringen Druckeigenspannungen ein und verbessern damit die Schwingfestigkeit.

10.4Auswahlkriterien

Die Auswahlkriterien für Automatenstähle wägen den Gewinn an Zerspanbarkeit gegen die Grenzen der mechanischen Eigenschaften ab. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung muss den gesamten Fertigungsablauf umfassen, also Kosten für Material, Bearbeitung, Werkzeuge und Qualitätsprüfung.

Die beste Wahl ergibt sich erst aus einer Betrachtung des Einzelfalls, die Stückzahlen, geforderte Toleranzen, die Beanspruchung im Betrieb und die geforderte Lebensdauer einbezieht.

11Qualitätsprüfung und Charakterisierung

11.1Genormte Zerspanbarkeitsprüfungen

Zerspanbarkeitsprüfungen an Automatenstählen folgen genormten Abläufen, die einen sachlichen Vergleich zwischen Werkstoffen erlauben. Geprüft werden Schnittgeschwindigkeit, Standzeit, Schnittkräfte und Oberflächengüte nach ISO 3685.

Die Spanform wird daraufhin untersucht, ob kurze, leicht abzuführende Segmente entstehen - die Grundvoraussetzung für eine automatisierte Bearbeitung mit hoher Schnittgeschwindigkeit.

11.2Metallografische Untersuchungen

Die metallografische Untersuchung von Automatenstählen erfasst Verteilung und Form der Sulfideinschlüsse und beurteilt das Gefüge. Sie weist zugleich nach, dass keine metallurgischen Fehler vorliegen. Die Einschlüsse werden nach genormten Verfahren ausgezählt, damit die Ergebnisse vergleichbar bleiben.

Im Elektronenmikroskop lassen sich die chemische Zusammensetzung der Einschlüsse und ihre Grenzfläche zur metallischen Matrix im Einzelnen bestimmen.

11.3Untersuchung der Spanform

Die Untersuchung der Spanform ist eine Prüfung eigens für Automatenstähle: Sie belegt, dass kurze Segmente entstehen und sich leicht abführen lassen. Bewertet werden die mittlere Segmentlänge, das Verhältnis von Länge zu Dicke und die Neigung zur Wirrspanbildung.

Aus dem Zusammenhang zwischen Spanform und Bearbeitungsparametern lassen sich die Fertigungszyklen so auslegen, dass die hohe Zerspanbarkeit voll zum Tragen kommt.

11.4Verschleißprüfungen an Werkzeugen

Verschleißprüfungen an Werkzeugen beziffern bei Automatenstählen den Zuwachs an Standzeit und weisen die vorherrschenden Verschleißmechanismen nach. Bewertet werden Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß und etwaige Ausbrüche an der Schneidkante.

Aus den Ergebnissen ergibt sich, welche Werkzeuggeometrien und Beschichtungen im jeweiligen Anwendungsfall die höchste Produktivität bringen.

12Vergleich mit anderen Stählen für die spanende Bearbeitung

12.1Automatenstähle im Vergleich zu konventionellen Stählen

Der Vergleich zwischen Automatenstählen und konventionellen Stählen zeigt deutliche Vorteile bei Produktivität und Bearbeitungsqualität. Eine um 30-80 % höhere Schnittgeschwindigkeit und eine um 50-150 % längere Standzeit verkürzen die Taktzeiten und senken die Betriebskosten.

Dem stehen etwas geringere mechanische Kennwerte gegenüber sowie Einschränkungen bei geschweißten oder quer beanspruchten Bauteilen.

12.2Kosten-Nutzen-Analyse

Die Kosten-Nutzen-Analyse für Automatenstähle muss den höheren Materialaufwand - in der Regel 10-20 % mehr - gegen den Gewinn an Produktivität und die geringeren Bearbeitungskosten stellen. Bei Bauteilen mittlerer Komplexität liegt der Break-even-Punkt in der Regel bei Stückzahlen über 1000 Stück.

Hinzu kommen mittelbare Vorteile: eine bessere Oberflächengüte, weniger Ausschuss und mehr Spielraum in der Produktionsplanung.

12.3Kriterien für den Werkstoffwechsel

Ob sich konventionelle Stähle durch Automatenstähle ersetzen lassen, entscheiden Stückzahl, Geometrie, geforderte Toleranzen und Beanspruchung im Betrieb; am meisten lohnt der Wechsel bei Bauteilen mit hohem Bearbeitungsanteil und komplexer Geometrie.

Dabei ist zu prüfen, welche Prozessparameter und welche Werkzeuge anzupassen sind, damit die höhere Zerspanbarkeit ihren vollen Nutzen bringt.

13Neuerungen und künftige Entwicklungen

13.1Umweltfreundliche Automatenstähle (bleifrei)

Bleifreie Automatenstähle sind eine wichtige Entwicklungslinie, getrieben von Umweltbelangen und von immer strengeren Vorschriften. Als Ersatz für Blei dienen Tellur, Bismut und Seltene Erden, die eine vergleichbare Zerspanbarkeit bei geringerer Umweltbelastung erreichen.

Die technische Aufgabe besteht darin, die Gehalte so einzustellen, dass die schmierende Wirkung größtmöglich ausfällt und zugleich brauchbare mechanische Eigenschaften und wettbewerbsfähige Kosten erhalten bleiben.

13.2Optimierung für die CNC-Bearbeitung

Die Optimierung von Automatenstählen für die CNC-Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verlangt eigene Zusammensetzungen für das Fräsen, das Bohren und komplexe Bearbeitungen. Die Entwicklung zielt auf eine genauer beherrschte Verteilung der Einschlüsse und auf die Abstimmung mit modernen Werkzeuggeometrien.

Die Einbindung in die industrielle Automatisierung verlangt gleichmäßigere Eigenschaften, damit die automatisierten Abläufe zuverlässig laufen.

13.3Entwicklungen bei der chemischen Zusammensetzung

Bei der chemischen Zusammensetzung von Automatenstählen gehen die Entwicklungen zu Mikrolegierungselementen, mit denen sich Zerspanbarkeit und mechanische Eigenschaften zugleich optimieren lassen. Vanadium, Titan und Niob in eng begrenzten Gehalten können den Aufbau der Einschlüsse und die Festigkeit des Werkstoffs verbessern.

Die Forschung sucht Zusammensetzungen, die wirksamere Wärmebehandlungen zulassen, ohne den Vorsprung bei der Zerspanbarkeit aufzugeben.

14Häufige Fragen zu Automatenstählen

Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Automatenstählen und konventionellen Stählen?

Automatenstähle enthalten gezielt zugesetzte Elemente (Schwefel, Blei, Tellur), die die Zerspanbarkeit deutlich verbessern: Ihre Einschlüsse fördern den Spanbruch und verringern die Reibung im Schnitt. Daraus ergeben sich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und längere Standzeiten.

Warum ist die Schweißeignung von Automatenstählen eingeschränkt?

Schwefel und Blei bilden in Automatenstählen beim Schweißen spröde Verbindungen und erhöhen damit die Gefahr von Heißrissen, zumal der hohe Schwefelgehalt von bis zu 0,40 % weit über dem Grenzwert von < 0,05 % liegt, der für eine gute Schweißeignung empfohlen wird.

Wie wählt man die passende Sorte Automatenstahl aus?

Maßgeblich sind Stückzahl, Geometrie, geforderte Toleranzen und Beanspruchung im Betrieb. Bei hohen Stückzahlen und komplexen Geometrien fällt die Wahl auf bleihaltige Sorten. Wo höhere mechanische Anforderungen gelten, kommen Sorten zum Vergüten mit begrenzten Gehalten an Elementen für die Zerspanbarkeit zum Einsatz.

Welche wirtschaftlichen Vorteile bringen Automatenstähle?

Die Produktivität steigt um 30-80 %, die Standzeit um 50-150 %, und die Oberflächengüte fällt besser aus. Die um 10-20 % höheren Materialkosten gleicht bei hohen Stückzahlen in der Regel die Einsparung bei den Bearbeitungskosten aus.

Lassen sich Automatenstähle wärmebehandeln?

Ja, aber nur eingeschränkt. Die Wärmebehandlung von Automatenstählen ist möglich, verlangt wegen der Sulfideinschlüsse aber abgestimmte Parameter. Die Zähigkeit in Querrichtung fällt geringer aus, und manche Behandlungen verändern die Verteilung der Einschlüsse.

Gibt es umweltfreundliche Alternativen zum Blei in Automatenstählen?

Ja: Tellur, Bismut und Seltene Erden treten an die Stelle des Bleis und belasten die Umwelt weniger. Sie erreichen eine vergleichbare Zerspanbarkeit, verlangen aber eigens abgestimmte Gehalte und können höhere Kosten verursachen.

Automatenstähle sind eine ausgereifte Lösung für die moderne Fertigungsindustrie und bringen deutliche Vorteile bei Produktivität und Bearbeitungsqualität. Die weitere Entwicklung zu nachhaltigeren Zusammensetzungen und zur Abstimmung auf moderne CNC-Technik lässt ihre Bedeutung für die Anforderungen der Industrie 4.0 weiter wachsen.