Werkzeugstähle

02Definition und grundlegende Merkmale der Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit mittlerem bis sehr hohem Kohlenstoffgehalt (0,3-2,3 %), die mit gezielten Legierungselementen wie Chrom, Molybdän, Wolfram, Vanadium und Kobalt versetzt sind und ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften erst durch eine kontrollierte Wärmebehandlung erhalten.
Die Einteilung der Werkzeugstähle grenzt sie von den üblichen Baustählen ab: Sie erreichen Härten über 60 HRC und behalten dabei genug Zähigkeit, um den thermischen und mechanischen Stößen der industriellen Bearbeitung standzuhalten.

Das Besondere an diesen Werkstoffen ist, dass sie Härte und Verschleißfestigkeit auch bei hohen Temperaturen behalten. Genau darauf kommt es bei industriellen Anwendungen von Werkzeugstählen an, bei denen die Wärme aus Schneid-, Umform- und Pressvorgängen über 600 °C erreichen kann.

2.1Wesentliche Eigenschaften für kritische Anwendungen

Zu den mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen, auf die es in kritischen Anwendungen ankommt, zählen die primäre Härte von Werkzeugstählen (58-68 HRC), die den Widerstand gegen plastische Verformung und abrasiven Verschleiß bestimmt, sowie die Sekundärhärte, die den Erhalt der Eigenschaften bei hohen Einsatztemperaturen sichert.
Die Verschleißfestigkeit ist die entscheidende Leistungsgröße; sie ergibt sich aus fein verteilten harten Carbiden in der metallischen Matrix.

Die Zähigkeit von Werkzeugstählen muss zwei Forderungen ausgleichen: den Widerstand gegen mechanische Stöße und den Erhalt der Härte im Einsatz. Der optimale Kompromiss zwischen Festigkeit und Sprödigkeit fällt deshalb je nach industrieller Anwendung anders aus.

2.2Allgemeine Einteilung und Hauptgruppen

Die Einteilung der Werkzeugstähle nach den internationalen Normen unterscheidet mehrere Hauptgruppen nach chemischer Zusammensetzung und Einsatzmerkmalen: Schnellarbeitsstähle (HSS) für die Hochgeschwindigkeitszerspanung, Warmarbeitsstähle für Anwendungen bis 600 °C, Kaltarbeitsstähle für die Umformung bei Raumtemperatur und Stähle für die Umformung mit hoher Schlagzähigkeit.
Jede Gruppe hat ein eigenes, auf die vorgesehenen Einsatzbedingungen abgestimmtes Gefüge: Art und Verteilung der Carbide, Zusammensetzung der metallischen Matrix und die Parameter der Wärmebehandlung, die zu den geforderten Eigenschaften führen, unterscheiden sich von Gruppe zu Gruppe.

2.3Besondere Leistungsanforderungen

Zu den Leistungsanforderungen an Werkzeugstähle in kritischen industriellen Anwendungen gehören Maßbeständigkeit bei der Wärmebehandlung, hohe Verschleißfestigkeit von Werkzeugstählen, Beständigkeit gegen Thermoermüdung und Eignung für moderne Oberflächenbeschichtungen. Die Maßbeständigkeit ist bei Präzisionswerkzeugen besonders kritisch: Maßänderungen über ±0,1 % können die Fertigungstoleranzen unbrauchbar machen.
Beim Warmumformen wird die Thermoermüdung zum bestimmenden Kriterium, weil wiederholte Temperaturzyklen Oberflächenrisse einbringen, die nach innen wachsen und das Werkzeug strukturell schwächen.

03Einteilung der Werkzeugstähle nach internationalen Normen

3.1Die Norm ISO 4957 für Werkzeugstähle

Die ISO-Norm für Werkzeugstähle ISO 4957 regelt die internationale Einteilung der Werkzeug- und Formenstähle und legt chemische Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften und Lieferbedingungen fest, damit die Qualität einheitlich und der Werkstoff weltweit austauschbar ist. Die ISO 4957 verwendet Kurznamen wie C70U, X153CrMoV12, X40CrMoV5-1 und HS6-5-2, in denen ein Buchstabenpräfix und die folgenden Ziffern die chemische Zusammensetzung verschlüsseln.
Die Norm ordnet die härtbaren Werkzeugstähle den unlegierten und legierten Kaltarbeitsstählen, den Warmarbeitsstählen und den Schnellarbeitsstählen zu. Die Buchstabengruppen S (shock resisting), H (hot work), D (cold work), A (air hardening) und M (molybdenum high speed) gehören dagegen zum AISI-System (ASTM A681), das im nächsten Abschnitt beschrieben wird.

3.2Die Norm ASTM A681 und die AISI-Bezeichnungen

Die Norm ASTM A681 legt die Anforderungen an Werkzeugstähle für den nordamerikanischen Markt fest und nutzt dafür das AISI-Bezeichnungssystem, das die einzelnen Sorten über bestimmte Buchstaben und Zahlen kennzeichnet. Das AISI-System teilt die Werkzeugstähle nach Härteverhalten und Zusammensetzung in Gruppen ein: W (water hardening), O (oil hardening), A (air hardening), D (high carbon-high chromium), H (hot work), T (tungsten high speed) und M (molybdenum high speed).
Die Zuordnung zwischen ISO und AISI macht Entsprechungen sichtbar und erleichtert die Wahl eines Ersatzwerkstoffs nach regionaler Verfügbarkeit, auch wenn es geringe Unterschiede bei chemischer Zusammensetzung und Qualitätsprüfungen geben kann.

3.3DIN-Einteilung und europäisches System

Die Einteilung nach EN ISO 4957:2018 (früher DIN 17350) für Werkzeugstähle arbeitet mit symbolischen Bezeichnungen, bei denen ein Buchstabenpräfix und die folgenden Ziffern die chemische Zusammensetzung verschlüsseln. Das europäische, nach EN ISO 4957 harmonisierte System führt die nationalen Bezeichnungen in einem einheitlichen Rahmen zusammen und erleichtert damit Handel und Vereinheitlichung der technischen Daten.
Die europäische Einteilung legt besonderes Gewicht auf Rückverfolgbarkeit und auf die Dokumentation der metallurgischen Qualität, mit eigenen Anforderungen an die Beschreibung des Gefüges von Werkzeugstählen und an die Verteilung der Primärcarbide, die die Endeigenschaften bestimmen.

3.4Gegenüberstellung der internationalen Bezeichnungen

04Die wichtigsten Gruppen der Werkzeugstähle

4.1Schnellarbeitsstähle (HSS) - M1, M2, M42

Schnellarbeitsstähle (HSS) sind die leistungsfähigste Gruppe der Werkzeugstähle für die Zerspanung: Sie halten Härte und Verschleißfestigkeit auch oberhalb von 600 °C, wie sie beim Hochgeschwindigkeitsschneiden entstehen. Die Sorte M2 (6 % W, 5 % Mo, 2 % V, 4 % Cr) ist erste Wahl für allgemeine Zerspanungswerkzeuge und bietet den besten Ausgleich zwischen Leistung und Kosten.
M1 hat eine vereinfachte Zusammensetzung mit weniger Wolfram und mehr Molybdän (0,8 % C, 1,5 % W, 8,5 % Mo, 1,2 % V), während M42 mit 8 % Kobalt für extreme Beanspruchungen ausgelegt ist, die höhere Sekundärhärte und größere Verschleißfestigkeit verlangen. Das Kobalt hebt die Sekundärhärte des M42 auf bis zu 65-67 HRC an, bei noch brauchbarer Zähigkeit für schwere Zerspanungswerkzeuge.

4.2Warmarbeitsstähle (H11, H13, H21)

Warmarbeitsstähle sind eigens dafür ausgelegt, den harten thermischen und mechanischen Bedingungen beim Gesenkschmieden und beim Druckguss bis zu Arbeitstemperaturen von 600 °C standzuhalten. Die Sorte H13 (0,4 % C, 5 % Cr, 1,4 % Mo, 1 % V, 1 % Si) gilt als Industriestandard für Druckgussformen für Aluminium und verbindet hohe Thermoschockbeständigkeit mit guter Zähigkeit in der Wärme.
H11 ist ähnlich zusammengesetzt, enthält aber weniger Vanadium (rund 0,4 % V gegenüber 1 % V), und ist deshalb vorzuziehen, wo die Thermoschocks geringer, die Anforderungen an die Zähigkeit dagegen höher sind. H21 (0,35 % C, 3,5 % Cr, 9 % W, 0,4 % V) enthält Wolfram für höheren Widerstand gegen Warmverformung und wird für Schmiedegesenke bei hohen Temperaturen eingesetzt.

4.3Kaltarbeitsstähle (D2, D3, A2, O1)

Kaltarbeitsstähle sind auf Stanzen, Scherschneiden und Umformen bei Raumtemperatur ausgelegt, wo höchste Härte und Widerstand gegen abrasiven Verschleiß vorgehen. D2 (1,5 % C, 12 % Cr, 1 % Mo, 1 % V) erreicht die höhere Härte (60-62 HRC) und eine sehr gute Verschleißfestigkeit, weil die hohen Gehalte an Kohlenstoff und Chrom harte Carbide vom Typ M7C3 bilden.
A2 ist der Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit: Die Lufthärtung hält Härterisse und Verzug bei der Wärmebehandlung klein. O1 (0,9 % C, 0,5 % Cr, 0,5 % W, 0,2 % V) lässt sich leicht zerspanen und günstig wärmebehandeln und eignet sich für weniger kritische Anwendungen, in denen es auf die höchste Härte nicht ankommt.

4.4Werkzeugstähle für die Umformung (S1, S7, L6)

Die Stähle für die Umformung verbinden mäßige Härte (50-58 HRC) mit hoher Zähigkeit und halten damit den schweren Schlagbeanspruchungen beim Umformen, Meißeln und Schlagen stand. S7 (0,5 % C, 3,25 % Cr, 1,4 % Mo, 0,25 % V) bietet den besten Ausgleich für allgemeine Anwendungen mit mäßiger bis schwerer Schlagbeanspruchung.
S1 enthält mehr Wolfram (2,5 % W) und wird dadurch härter, während L6 mit 1,5 % Nickel bei tiefen Temperaturen zäher bleibt und sich deshalb für Werkzeuge mit wechselnden Einsatztemperaturen eignet.

4.5Die drei Sorten ab Lager: 90MnCrV8, X153CrMoV12, X210Cr12

Die oben beschriebenen Gruppen tragen die amerikanischen Bezeichnungen, weil die Fachliteratur sie so verbreitet hat. Die drei Sorten, die wir ab Lager führen, gehören alle zur EN ISO 4957 und decken die Kaltarbeit ab: 90MnCrV8 ist die ölhärtende Sorte für Werkzeuge kleinen Querschnitts und geringen Verzug, wo die Verschleißfestigkeit der ledeburitischen Stähle nicht gebraucht wird; X153CrMoV12 ist erste Wahl für Stempel, Matrizen und Schneidmesser, mit Chromcarbiden, die ihm Abrasionsbeständigkeit und eine Maßbeständigkeit geben, die das Schleifen nach dem Härten verträgt; X210Cr12 treibt den Kohlenstoff höher und mit ihm den Carbidanteil, also die Verschleißfestigkeit, zulasten der Zähigkeit: Man wählt ihn dort, wo das Versagen durch Abrasion und nicht durch Schlag eintritt.

Keine der drei Sorten hat eine eigene Seite mit technischen Daten: Abmessungen, Lieferzustände und verfügbare Querschnitte - warmgewalzt und geschmiedet, bei den geschmiedeten bis 1000 mm - stehen auf den jeweiligen Katalogseiten 90MnCrV8, X153CrMoV12 und X210Cr12. Für die Behandlungsdaten der gelieferten Charge ist das Chargenzeugnis maßgebend.

05Chemische Zusammensetzung und Gefüge

5.1Legierungselemente und ihre metallurgische Wirkung

Die chemische Zusammensetzung der Werkzeugstähle ist von gezielten Legierungselementen geprägt, die metallurgische Eigenschaften und Verhalten im Einsatz bestimmen. Der Kohlenstoff (0,3-2,3 %) legt die erreichbare Höchsthärte und die Menge der bildbaren Carbide fest, während Chrom (1-18 %) die Härtbarkeit verbessert, harte Carbide vom Typ M7C3 bildet und Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit erhöht.
Molybdän (1-10 %) verfeinert das Gefüge, verbessert die Härtbarkeit und bildet sehr harte Carbide vom Typ M2C, die vor allem bei hohen Temperaturen gegen Verschleiß wirken. Wolfram (1-18 %) bildet in den Schnellarbeitsstählen (HSS) Carbide W2C und M6C, die für die hohe Sekundärhärte sorgen, während Vanadium (0,2-5 %) außerordentlich harte VC-Carbide (2400-2800 HV) erzeugt, die die Verschleißfestigkeit stark anheben.

5.2Primär- und Sekundärcarbide

Die Carbide in Werkzeugstählen unterteilt man in Primärcarbide, die bei der Erstarrung entstehen, und Sekundärcarbide, die bei der Wärmebehandlung ausscheiden. Die Primärcarbide prägen das grundlegende Gefüge von Werkzeugstählen und wirken unmittelbar auf die Endeigenschaften: Carbide vom Typ M7C3 (Chrom), M2C (Molybdän), W2C (Wolfram) und VC (Vanadium) haben Härten von 1500 bis 3000 HV.
Verteilung und Form der Primärcarbide müssen über die Parameter von Erstarrung und Umformung gesteuert werden, damit keine starken Seigerungen entstehen, die die Zähigkeit mindern. Die günstigste Größe der Primärcarbide liegt bei 1-5 μm: So bleibt die Verschleißfestigkeit hoch, ohne die Zähigkeit der metallischen Matrix zu stark zu beschneiden.

5.3Das passende Gefüge für die jeweilige Anwendung

Das günstigste Gefüge von Werkzeugstählen hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab. Bei Werkzeugstählen für die Zerspanung besteht es aus einer angelassenen martensitischen Matrix (58-65 HRC) mit fein verteilten Sekundärcarbiden, die im Betrieb bei Erwärmung die Sekundärhärte tragen.
Bei Warmarbeitsstählen ist eine bainitische oder angelassene martensitische Matrix (48-54 HRC) mit gleichmäßig verteilten Primärcarbiden am besten: Sie hält dem Verschleiß stand und behält genug Zähigkeit gegen Thermoschocks. Kaltarbeitsstähle verlangen dagegen eine hochharte martensitische Matrix (60-64 HRC) mit hoher Carbiddichte, damit der abrasive Verschleiß möglichst gering bleibt.

5.4Metallografische Untersuchung und Qualitätsprüfung

Die metallografische Untersuchung von Werkzeugstählen verlangt eigene Verfahren, um Carbidverteilung, Austenitkorngröße und Gleichmäßigkeit des Gefüges zu erfassen, denn erst die quantitative Bestimmung von Volumenanteil, Verteilung und Form der Carbide erlaubt es, das Verhalten im Einsatz vorherzusagen und die Parameter der Wärmebehandlung festzulegen.
Zur Qualitätsprüfung gehören flächige Härtemessungen als Nachweis gleichmäßiger Eigenschaften, die Bestimmung des Restaustenits mittels Röntgenbeugung und die Erfassung der Oberflächenrauheit, die das tribologische Verhalten der fertigen Werkzeuge bestimmt.

06Wärmebehandlung und Einstellung der Eigenschaften

6.1Härte- und Anlasszyklen

Die Wärmebehandlung von Werkzeugstählen ist der kritische Schritt zu den geforderten mechanischen Eigenschaften und verlangt genaue Führung von Temperaturen, Haltezeiten und Abkühlgeschwindigkeit. Gehärtet wird je nach chemischer Zusammensetzung bei Austenitisierungstemperaturen von 800-1200 °C, mit Haltezeiten, die die Sekundärcarbide vollständig lösen, ohne dass das Austenitkorn übermäßig wächst.
Bei Schnellarbeitsstählen (HSS) liegen die Härtetemperaturen für M2 und M42 bei 1200-1230 °C und erfordern Schutzgasatmosphären gegen Entkohlung und Randoxidation. Abgeschreckt wird an Luft, in Öl, im Salzbad oder im Hochdruckgas; das Mittel richtet sich nach der Härtbarkeit der jeweiligen Sorte und nach der Geometrie des Werkzeugs.

6.2Tiefkühlbehandlung von Schnellarbeitsstählen

Die Tiefkühlbehandlung bei -80 °C über 2-24 Stunden wird bei Schnellarbeitsstählen (HSS) eingesetzt, um den Restaustenit vollständig in Martensit umzuwandeln und so Endhärte und Maßbeständigkeit zu erhöhen. Sie kann die Härte um 2-4 HRC anheben, indem sie den nach dem üblichen Härten verbliebenen Restaustenit (5-15 %) umwandelt.
Die bewährte Folge lautet: Härten, sofort anschließende Tiefkühlbehandlung, danach mehrfaches Anlassen bei 540-560 °C über je 2 Stunden, das die für Schnellarbeitsstähle kennzeichnende Sekundärhärte aufbaut. Wie das Verhältnis von Härte und Zähigkeit am Ende ausfällt, hängt von der Zahl der Anlassvorgänge ab (2-3 Zyklen).

6.3Spannungsarmglühen und Maßbeständigkeit

Das Spannungsarmglühen nach dem Schruppen erfolgt bei 600-650 °C, mit 1-4 Stunden Haltezeit und langsamer Abkühlung im Ofen: Es beseitigt die Eigenspannungen aus der Zerspanung, die sonst bei der abschließenden Wärmebehandlung Verzug verursachen würden. Der Bereich 150-200 °C gehört dagegen in die Phase nach dem Härten, als Anlassen zum Spannungsabbau nach dem Schleifen, Erodieren oder Fertigbearbeiten; dort wird die Temperatur 30-50 °C unter dem bereits gefahrenen Anlassen gewählt, liegt bei einer auf Sekundärhärte gebrachten Sorte also weit über 200 °C. Für Präzisionswerkzeuge kann die Maßbeständigkeit ein langes Auslagern bei 100-150 °C über 24-100 Stunden verlangen, bis die Relaxationsvorgänge im Gefüge abgeschlossen sind.
Weiterentwickelte Behandlungen können geführte Temperaturzyklen mit eigenen Aufheizrampen umfassen, die die Eigenspannungen möglichst vollständig abbauen und die Maßänderungen über die Einsatzdauer des Werkzeugs klein halten.

6.4Prüfung von Härte und Zähigkeit

Die Prüfung der Härte von Werkzeugstählen verlangt eigene Vorgehensweisen, damit die Messwerte an sehr harten, carbidhaltigen Werkstoffen aussagekräftig bleiben. Die Rockwellhärte C ist der Standard oberhalb von 58 HRC, während die Mikrohärteprüfung nach Vickers Matrix und Carbide getrennt erfasst.
Die Zähigkeit wird im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy an gekerbten Proben bestimmt, wobei die Absolutwerte durch die kleinen Probenformen begrenzt sind, die sich an hochharten Stählen überhaupt prüfen lassen. Aussagekräftiger für die Zähigkeit im Einsatz sind bei komplexen Werkzeuggeometrien der Dreipunkt-Biegeversuch und Bruchversuche unter Torsion.

07Mechanische Eigenschaften und Leistungsverhalten

7.1Primär- und Sekundärhärte

Bei der Härte von Werkzeugstählen unterscheidet man die Primärhärte, die nach der Wärmebehandlung bei Raumtemperatur gemessen wird, und die Sekundärhärte, die bei hohen Einsatztemperaturen erhalten bleibt. Die Primärhärte von Werkzeugstählen liegt je nach chemischer Zusammensetzung und Parametern der Wärmebehandlung bei 58-68 HRC und bestimmt den Widerstand gegen plastische Verformung und abrasiven Verschleiß bei Raumtemperatur.
Die Sekundärhärte ist das Kennzeichen der Schnellarbeitsstähle (HSS), die bis 600 °C Härten über 60 HRC halten, weil beim Anlassen bei hoher Temperatur Sekundärcarbide ausscheiden. Zugrunde liegt die Ausscheidung feinster Carbide von Vanadium, Molybdän und Wolfram, die die martensitische Matrix während der Einwirkung der Einsatztemperaturen härten.

7.2Verschleißfestigkeit und Schädigungsmechanismen

Die Verschleißfestigkeit von Werkzeugstählen ergibt sich aus der Härte der Matrix, aus Art und Verteilung der Carbide und aus der tribologischen Verträglichkeit mit dem bearbeiteten Werkstoff. Die wichtigsten Mechanismen sind Abrasion durch harte Teilchen, Adhäsion durch Mikroverschweißungen an der Oberfläche und Diffusionsverschleiß bei hohen Temperaturen.
Gegen Abrasion helfen hohe Härte und harte Carbide, gegen Adhäsion nur eine chemische Verträglichkeit von Werkzeug und Werkstück. Den Diffusionsverschleiß bei hoher Temperatur bremsen Elemente wie Vanadium und Wolfram, die stabile Carbide bilden und den Zusammenhalt der Oberfläche erhalten.

7.3Zähigkeit und Thermoschockbeständigkeit

Die Zähigkeit der Werkzeugstähle ist der kritische Kennwert überall dort, wo mechanische oder thermische Stöße auftreten, und verlangt einen tragfähigen Kompromiss zwischen Härte und Widerstand gegen Rissausbreitung. Die Stähle für die Umformung sind mit 100-200 J im Charpy-Versuch an ungekerbten Proben deutlich zäher als die Werkzeugstähle für die Zerspanung mit 20-50 J, was die unterschiedlichen Anforderungen widerspiegelt.
Besonders kritisch ist die Thermoschockbeständigkeit bei Warmarbeitsstählen, wo wiederholte Temperaturwechsel zyklische Spannungen einbringen, die zu Brandrissen an der Oberfläche führen können. Sie steigt mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Wärmeleitfähigkeit und feinkörnigen Gefügen, die die thermischen Spannungen gleichmäßig verteilen.

7.4Maßbeständigkeit und bleibender Verzug

Bei Präzisionswerkzeugen ist die Maßbeständigkeit während der Wärmebehandlung kritisch: Der Verzug muss eng geführt werden, sonst sind die Endtoleranzen nicht mehr zu halten. Die Hauptursachen sind unvollständige Phasenumwandlungen, Eigenspannungen aus der mechanischen Bearbeitung und Temperaturgradienten beim Aufheizen und Abkühlen.
Sorgfältig ausgelegte Zyklen mit geführten Aufheizrampen und Vorwärmstufen können den Verzug klein halten und zugleich die mechanischen Eigenschaften auch an komplexen Geometrien gleichmäßig einstellen.

08Herstellverfahren und Qualitätsprüfung

8.1Erschmelzen und Sekundärmetallurgie

Werkzeugstähle werden im Elektrolichtbogen- oder im Induktionsofen erschmolzen, unter enger Führung der chemischen Zusammensetzung und mit sekundärmetallurgischer Behandlung für einen hohen Reinheitsgrad. Die Vakuumentgasung ist Standard und senkt die Gehalte an Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die sonst die mechanischen Eigenschaften mindern.
Vergossen wird in Kokillen oder im Strangguss, mit geführten Parametern gegen chemische Seigerungen und für eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente. Die Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmt Größe und Verteilung der Primärcarbide und wird für jede Stahlsorte eigens eingestellt.

8.2Pulvermetallurgie für gesinterte Stähle

Gesinterte Werkzeugstähle sind der Weg zu sehr feinen Gefügen und isotropen Eigenschaften, erreicht über Verdüsen, isostatisches Pressen und geführtes Sintern. Das Verfahren beseitigt die makro- und mikroskopischen Seigerungen der erschmolzenen Stähle und liefert damit eine deutlich gleichmäßigere Zusammensetzung und Struktur.
Die Pulvermetallurgie erlaubt chemische Zusammensetzungen, die sich beim konventionellen Erschmelzen nicht einstellen lassen, darunter höchstlegierte Schnellarbeitsstähle mit sehr hohen Gehalten an Kohlenstoff und Legierungselementen. Die höheren Kosten des Verfahrens rechtfertigen sich durch die bessere Leistung in kritischen Anwendungen, in denen es auf die größtmögliche Gleichmäßigkeit der Eigenschaften ankommt.

8.3Schmieden und kontrolliertes Walzen

Das Schmieden von Werkzeugstählen verbessert die Carbidverteilung, schließt die Restporosität und richtet den Faserverlauf günstig aus. Umformgrade von 3:1-6:1 sind üblich, um grobe Primärcarbide zu zerteilen und gleichmäßiger zu verteilen.
Kontrolliertes Walzen mit abgestimmten Temperatur- und Umformparametern verfeinert das Gefüge und macht die mechanischen Eigenschaften richtungsunabhängiger. Die Umformung bei geführter Temperatur begünstigt die dynamische Rekristallisation, die das Austenitkorn verfeinert und nach der Wärmebehandlung eine höhere Zähigkeit ergibt.

8.4Besondere zerstörungsfreie Prüfungen

Zerstörungsfrei geprüft werden Werkzeugstähle mit Ultraschall auf Volumenfehler, mit Magnetpulverprüfung auf Oberflächenfehler und mit Durchstrahlungsprüfung auf gleichmäßigen Aufbau. Die Empfindlichkeit der Prüfung muss zu der Fehlergröße passen, die für die jeweilige Anwendung kritisch ist.
Weiterführende Verfahren wie die Computertomografie können die Carbidverteilung dreidimensional erfassen und innere Fehler sichtbar machen, die den üblichen Verfahren entgehen - vor allem bei Werkzeugen mit komplexer Geometrie.

09Industrielle Anwendungen der Werkzeugstähle

9.1Werkzeuge für die spanende Bearbeitung

Werkzeugstähle für die Zerspanung stellen die höchsten Anforderungen an Schnellarbeitsstähle (HSS): Nur wenn Härte und Verschleißfestigkeit oberhalb von 600 °C erhalten bleiben, arbeiten Fräsen, Drehen und Bohren bei hoher Schnittgeschwindigkeit wirtschaftlich. Die industriellen Anwendungen von Werkzeugstählen in der Zerspanung reichen von gewöhnlichen Stählen bis zu schwer zerspanbaren Werkstoffen wie nichtrostenden Stählen, Titanlegierungen und warmfesten Superlegierungen.
Welche Sorte Schnellarbeitsstahl gewählt wird, richtet sich nach den Einsatzbedingungen: M2 für allgemeine Bearbeitung, M42 für schwierige Werkstoffe mit höherem Härtebedarf und Sondersorten mit Kobalt für extreme Fälle. Abgestimmte Schneidengeometrien und Beschichtungen (TiN, TiAlN) verlängern die Standzeit erheblich und erlauben höhere Schnittwerte.

9.2Druckgussformen und Schmiedegesenke

Warmarbeitsstähle dienen der Herstellung von Formen für den Druckguss von Aluminium-, Magnesium- und Zinklegierungen, wo die Arbeitstemperaturen 500-600 °C erreichen und schnelle Temperaturwechsel schwere thermomechanische Beanspruchungen erzeugen. H13 gilt als Industriestandard für Aluminium-Druckgussformen, weil er Thermoschockbeständigkeit, Zähigkeit in der Wärme und Widerstand gegen die Erosion durch die Schmelze zusammenbringt.
Für das Warmschmieden, bei dem die Temperaturen 700 °C überschreiten können, kommen Sondersorten wie modifizierter H11 zum Einsatz, unter extremen Bedingungen auch Nickelbasislegierungen. Gezielte Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren oder PVD-Schichten können die Standzeit der Formen unter harten Einsatzbedingungen um 200-300 % erhöhen.

9.3Matrizen für die Umformung

Matrizen für die Umformung werden aus Kaltarbeitsstählen gefertigt, die auf Verschleißfestigkeit und Zähigkeit beim Stanzen, Scherschneiden, Tiefziehen und Prägen bei Raumtemperatur abgestimmt sind. D2 hat den Vorzug, wo die höchste Verschleißfestigkeit zählt, A2 den besseren Ausgleich von Härte und Zähigkeit bei mäßiger Schlagbeanspruchung.
Bei der Auslegung der Matrizen sind die Spannungsspitzen an scharfen Kanten und die Belastungsart zu berücksichtigen, damit sich die Beanspruchung gleichmäßig verteilt. Pulvermetallurgische Stähle machen die Eigenschaften gleichmäßiger und senken die Gefahr von Ausbrüchen an den kritischen Kanten von Präzisionsmatrizen.

9.4Präzisionswerkzeuge und Lehren

Präzisionswerkzeuge und Lehren verlangen Werkzeugstähle mit hervorragender Maßbeständigkeit, gleichmäßiger Härte und Verschleißfestigkeit, damit sie die geforderten Toleranzen über die gesamte Einsatzdauer halten. Die Stähle der Reihe O (oil hardening) haben den Vorzug, weil sie sich einfach wärmebehandeln lassen und wenig verziehen, während lufthärtende Sorten wie A2 bei größeren Querschnitten gleichmäßiger durchhärten.
Automatisierte Messtechnik und Überwachungssysteme könnten den Verschleiß von Präzisionswerkzeugen in Echtzeit ausgleichen, damit sie länger im Einsatz bleiben und die Qualität der Fertigteile steigt.

10Werkstoffwahl und Auslegungskriterien

10.1Auswahlmatrix für die einzelnen Anwendungen

Die Auswahlmatrix für Werkzeugstähle geht zuerst von den Einsatzbedingungen aus (Temperatur, Lasten, Umformgeschwindigkeit) und bewertet erst danach die geforderten mechanischen Eigenschaften und die wirtschaftlichen Vorgaben. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die Arbeitstemperatur: Kaltarbeitsstähle für Temperaturen <150 °C, Warmarbeitsstähle bis 600 °C und Schnellarbeitsstähle oberhalb von 600 °C.
Die Art der Beanspruchung - Schlag, Verschleiß, Ermüdung - bestimmt das günstigste Verhältnis von Härte und Zähigkeit, während die Geometrie des Werkzeugs die nötige Härtbarkeit und die Verzugsgefahr bei der Wärmebehandlung vorgibt. Rechnergestützte Auswahlmatrizen könnten Leistungsdatenbanken mit Optimierungsalgorithmen verknüpfen und die passende Sorte für eine bestimmte Anwendung selbsttätig vorschlagen.

10.2Thermische und chemische Verträglichkeit

Die thermische Verträglichkeit von Werkzeugstählen und bearbeitetem Werkstoff entscheidet über Adhäsions- und Diffusionsverschleiß, und die chemische Verträglichkeit verlangt, Elemente zu meiden, die spröde intermetallische Phasen bilden oder das Werkzeug bei hoher Temperatur im Werkstück auflösen.
Elemente, die stabile Carbide bilden (V, W, Mo), wirken im Werkzeugstahl als Diffusionsbarriere und bremsen den chemischen Verschleiß - was besonders beim Bearbeiten nichtrostender Stähle und warmfester Legierungen zählt.

10.3Kosten-Nutzen-Betrachtung und Lebenszyklus

Die Kosten-Nutzen-Betrachtung für Werkzeugstähle muss den gesamten Lebenszyklus umfassen: Werkstoff, mechanische Bearbeitung, Wärmebehandlung, Oberflächenbeschichtung und die Kosten im laufenden Einsatz. Hochwertige Sorten können höhere Anschaffungskosten rechtfertigen, wenn sie längere Standzeiten, weniger Maschinenstillstand und bessere Qualität der Fertigteile bringen.
Zu bewerten sind außerdem Nachschleifen, Aufarbeitung und Ersatz sowie die indirekten Kosten aus Produktqualität und Produktivität; eine vorausschauende Überwachung könnte den Werkzeugwechsel dann an tatsächlichen Verschleißkennwerten ausrichten statt an festen Intervallen.

10.4Kriterien für den Sortenwechsel und die Optimierung

Ob herkömmliche Werkzeugstähle gegen höherwertige Sorten getauscht werden, entscheidet sich an drei Punkten: der Bewertung der heutigen Leistung, der Bestimmung der Einsatzgrenzen und der Bezifferung des möglichen Nutzens. Der Wechsel lohnt, sobald die eingesetzte Sorte die Produktivität begrenzt, Qualitätsprobleme verursacht oder zu viel Instandhaltung fordert.
Die laufende Optimierung verlangt eine systematische Beobachtung der Leistung, die Analyse der vorherrschenden Verschleißmechanismen und die Bewertung neuer Technologien, die einen Vorsprung im Wettbewerb bringen können.

11Neuerungen und künftige Entwicklungen

11.1Hochleistungsstähle aus der Pulvermetallurgie

Gesinterte Werkzeugstähle markieren die technische Grenze für extreme Anwendungen, die eine Gleichmäßigkeit von Zusammensetzung und Gefüge fordern, wie sie mit den üblichen Verfahren nicht zu erreichen ist. Die Pulvermetallurgie erlaubt abgestimmte chemische Zusammensetzungen mit sehr hohen Gehalten an Kohlenstoff und Legierungselementen und damit eine höhere Carbiddichte und bessere mechanische Eigenschaften.
Weiterentwickelte Sinterverfahren wie das heißisostatische Pressen (HIP) und das Spark Plasma Sintering könnten vollständige Verdichtung bei sehr feinem Gefüge erreichen und Werkzeugstählen Eigenschaftskombinationen eröffnen, die bisher ausgeschlossen waren.

11.2Moderne Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen

Moderne Beschichtungen (PVD, CVD, DLC) auf abgestimmten Werkzeugstählen ergeben Eigenschaftspaare aus Schicht und Grundwerkstoff, die sich auf die jeweilige Anwendung zuschneiden lassen. Die Schicht liefert extreme Oberflächenhärte und chemische Beständigkeit, der Grundwerkstoff Zähigkeit und tragende Struktur.
Nanostrukturierte und mehrlagige Schichten könnten die Verschleißfestigkeit weiter steigern und dabei zäher bleiben als die üblichen Schichten - ein Vorteil vor allem bei Werkzeugen unter wechselnder Last und Schlagbeanspruchung.

11.3Anbindung an die additive Fertigung

Die additive Fertigung von Werkzeugstählen eröffnet Geometrien, die spanend nicht herstellbar sind: konturnahe Kühlkanäle, gewichtsreduzierte Strukturen und topologieoptimierte Formen. Verfahren der Powder Bed Fusion erlauben es, einsatzfähige Werkzeuge unmittelbar aufzubauen, was Zeit und Kosten für Prototypen und Kleinserien senkt.
Zusammen mit abgestimmten Wärmebehandlungen im Anschluss könnten so Werkzeuge mit örtlich unterschiedlichen Eigenschaften entstehen: extreme Härte an den Wirkflächen, hohe Zähigkeit in den tragenden Abschnitten.

11.4Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft

Nachhaltigkeit in der Herstellung von Werkzeugstählen heißt geringere Umweltwirkung der Verfahren, sparsamer Einsatz der Ressourcen und Recyclingwege, die den metallurgischen Reinheitsgrad erhalten. Die Kreislaufwirtschaft verlangt eine Auslegung auf Reparierbarkeit, Aufarbeitung und vollständiges Recycling der Werkstoffe am Ende der Nutzung.
Werkzeugstähle mit durchgehender digitaler Rückverfolgbarkeit könnten diese Kreisläufe erleichtern, weil sie den Lebenszyklus nachvollziehbar machen und die gezielte Rückgewinnung hochwertiger Werkstoffe erlauben.

12Häufige Fragen zu Werkzeugstählen

Worin unterscheiden sich erschmolzene und gesinterte Werkzeugstähle?
Gesinterte Werkzeugstähle sind in Zusammensetzung und Aufbau deutlich gleichmäßiger, weil die Seigerungen des Erschmelzens entfallen. Die Pulvermetallurgie erlaubt Zusammensetzungen, die beim konventionellen Erschmelzen nicht möglich sind, und ein sehr feines Gefüge von Werkzeugstählen, kostet aber 200-400 % mehr als die entsprechenden erschmolzenen Sorten.

Warum behalten Schnellarbeitsstähle ihre Härte bei hoher Temperatur?

Schnellarbeitsstähle (HSS) bilden ihre Sekundärhärte durch die Ausscheidung feinster Carbide von V, Mo und W beim Anlassen bei hoher Temperatur. Diese Carbide härten die martensitische Matrix, sodass die Härte von Werkzeugstählen bis 600 °C über 60 HRC bleibt - Voraussetzung für die Hochgeschwindigkeitszerspanung.

Wie wählt man den passenden Warmarbeitsstahl aus?

Die Wahl der Warmarbeitsstähle richtet sich nach Arbeitstemperatur, Häufigkeit der Temperaturwechsel und Belastungsart. H13 ist der Standard für den Aluminium-Druckguss (500-550 °C), H11 ist beim Schmieden zäher. Oberhalb von 600 °C können Sondersorten oder Nickelbasislegierungen nötig werden.

Was bringt die Tiefkühlbehandlung?

Die Wärmebehandlung von Werkzeugstählen im Tiefkühlbereich wandelt den Restaustenit vollständig um, hebt die Härte um 2-4 HRC an und verbessert die Maßbeständigkeit. Besonders lohnend ist sie bei Schnellarbeitsstählen (HSS) und bei Sorten mit hohem Kohlenstoffgehalt, wo Restaustenit das Verhalten im Einsatz beeinträchtigen kann.

Wie wirkt die chemische Zusammensetzung auf die Verschleißfestigkeit?

Die Verschleißfestigkeit von Werkzeugstählen ergibt sich aus der Härte der Matrix und aus den Carbiden in Werkzeugstählen. Vanadiumcarbide (VC) erreichen die höchste Härte (rund 2800 HV), Wolframcarbide sorgen für thermische Stabilität, und Chromcarbide (M7C3) verbinden Härte mit günstiger Verfügbarkeit.

Welche Entwicklungen zeichnen sich bei Werkzeugstählen ab?

Zu den Entwicklungen zählen gesinterte Werkzeugstähle mit sehr feinem Gefüge, die Anbindung an die additive Fertigung für komplexe Geometrien, nanostrukturierte Schichten für höhere Leistung und Sorten, die für die Kreislaufwirtschaft mit durchgehender digitaler Rückverfolgbarkeit ausgelegt sind.

Werkzeugstähle sind ein Feld in stetiger Entwicklung: Fortgeschrittene Metallurgie, abgestimmte Wärmebehandlungen und Oberflächentechnik treffen dort auf die wachsenden Forderungen des modernen Maschinenbaus nach Produktivität, Qualität und Nachhaltigkeit. Werkstoffinnovation und Digitalisierung greifen dabei ineinander und sichern die Leistung in den kritischsten Anwendungen der industriellen Fertigung.