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Automatenstähle Automatenstähle und ihr Einfluss auf die Fertigung

| Autor / Redakteur: Christian Thiele / Mag. Victoria Sonnenberg

Automatenstähle werden auf Drehautomaten oder Dreh-Bearbeitungszentren in großen Serien zu Drehteilen verarbeitet und erzeugen dabei kurzbrechende Späne für einen störungsfreien Betrieb der meist mannlosen Bearbeitung. Je komplizierter die Drehteile, desto wichtiger ist die optimale Zerspanbarkeit – die nicht immer gegeben ist.

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Automatenstahl kommt größtenteils bei Drehanwendungen zum Einsatz.
Automatenstahl kommt größtenteils bei Drehanwendungen zum Einsatz.
(Bild: Horn/Sauermann)

Die Hauptanwendung von Automatenstählen liegt in der Massenfertigung von gering belasteten Kleinteilen mit hoher Zerspanungsrate wie Verbindungs- und Befestigungselemente, kleinere Wellen, Hydraulikteile, Fittings und ähnliche Produkte.

Automatenstähle sind unlegierte oder niedrig legierte Qualitätsstähle mit erhöhtem Schwefel- und Phosphorgehalt. Sie enthalten 0,07 bis 0,65 % Kohlenstoff, 0,18 bis 0,4 % Schwefel, 0,06 bis 0,11 % Phosphor, 0,6 bis 1,5 % Mangan, 0,05 bis 0,4 % Silicium und, wenn ein besonders guter Spanbruch und eine glatte Oberfläche verlangt werden, 0,15 bis 0,3 % Blei.

Durch Legieren mit Phosphor oder Schwefel bilden sich spröde Einschlüsse, an denen die Späne leichter brechen können. Blei sorgt für heterogene feinverteilte Bleieinschlüsse im Stahl, die den Spanbruch erleichtern und die Oberflächenqualität verbessern. Schwefel, in Verbindung mit Mangan, sorgt für weiche, zeilenförmige Mangansulfiteinschlüsse im Stahlgefüge und fördert ebenfalls den Spanbruch.

Die wichtigsten Automatenstähle sind in der DIN 1651/EN 10087 beziehungsweise EN 10277-3 aufgeführt. Stahlsorten im unlegierten Bereich sind zum Beispiel 9S20, 11SMn30, 11SMnPb30 oder 11SMnPbBiTe37. Die relativ niedrige Zugfestigkeit reicht von 380 – 570 N/mm².

Die in Großserie gefertigten Drehteile unterliegen teils hohen Anforderungen an Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Sie werden in mehreren Operationen bearbeitet. Oft laufen mehrere Bearbeitungsoperationen parallel zueinander – mit durchmesserbedingt unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten.

Beim Optimieren der Bearbeitungsprozesse gewinnt die Auswahl des am besten geeigneten Werkstoffs an Bedeutung. Denn dieser kann erheblich zu einer Senkung der Fertigungskosten beitragen. Der Grund liegt weniger im Werkstoffpreis sondern mehr in der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Ein Automatenstahl mit etwa 0,15 bis 0,30 % Blei ermöglicht bis zu 75 % höhere Schnittgeschwindigkeiten bei doppelter Standzeit der Werkzeuge. Blei wirkt dabei wie ein werkzeugschonendes Schmiermittel.

Je anspruchsvoller die Drehteile, desto wichtiger die Zerspanbarkeit

Je komplizierter die Drehteile, desto wichtiger ist die optimale Zerspanbarkeit des eingesetzten Stahls. Dieses Verhältnis gilt unabhängig vom Bearbeitungsschritt. In den meisten Fällen wird also ein Stahl mit einem möglichst großen Zerspanbarkeitsspektrum erforderlich sein, der sowohl die Anforderungen hinsichtlich schneller und komplizierter als auch langsamer und einfacher Schnittbedingungen erfüllt.

Der Werkstoff selbst ist bei der spanenden Bearbeitung relativ unproblematisch. Da aber bei der Massenfertigung von großen Stückzahlen um jeden Sekundenbruchteil und jeden Hundertstel Cent gekämpft wird, fahren die Bearbeitungsmaschinen an der Grenze der Kinematik und die Werkzeuge an der Grenze der Belastung. Mehrmaschinenbedienung und bis zu 18 Schichten pro Woche erfordern höchste Prozesssicherheit. Hohe Zerspanungsraten fordern von den Werkzeugschneiden und der Kühlung Höchstleistung – die manchmal nur mit den Kniffen erfahrener Zerspaner und Werkzeugspezialisten zu erbringen ist. Große, aber dennoch unterschiedliche Standmengen bei den Werkzeugschneiden erfordern häufige Wechseleingriffe.

Hohe Schnittgeschwindigkeiten und große Zustellung erzeugen Spanschlag und hohe Schneideckenbelastung an den Schneidplatten. Eng tolerierte Nenndurchmesser bei geforderter anspruchsvoller Oberflächengüte erfordern eine gute Schneidkantenqualität und Schneidkantenstabilität, teilweise sogar unterschiedliche Schneidkantenverrundung. Profilplatten erzeugen unterschiedlich tiefe Einstiche mit unterschiedlichen Spanraten und Schnittgeschwindigkeiten. Diese Formplatten erhalten daher im Profilverlauf unterschiedliche Mikrogeometrien, um die unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse auszugleichen. Schneidplatten zum Ein- und Abstechen benötigen Geometrien zur Spankontrolle, um Flanken und Planflächen nicht zu beschädigen. Alle Geometrien müssen gratfrei bearbeitet werden.

Wenn die Bearbeitung für die Großserie optimiert ist, alle Parameter richtig gesetzt, die Leistungsreserven ausgereizt sind und alles funktioniert, wird die Charge gewechselt oder Stahl von einem anderen Hersteller bearbeitet. Stahlsorte und Werkstoffnummer sind identisch, doch das Zerspanungsverhalten hat sich mehr oder weniger verändert. Zerspaner von Automatenstahl klagen in den letzten Jahren immer häufiger über schwankende Qualitäten bei identischen Stahlsorten. Wo liegen die Gründe dafür?

Wegen unterschiedlicher Qualitäten kann man Automatenstähle nicht generell über einen Kamm scheren.
Wegen unterschiedlicher Qualitäten kann man Automatenstähle nicht generell über einen Kamm scheren.
(Bild: Horn)

Geringe Beimengungen von Metallsorten können die Qualität beeinflussen

Automatenstahl ist am Markt äußerst preissensibel. Die Händler kaufen ihn dort, wo die Konditionen am günstigsten sind. DIN und EN schützen vor schlechter Qualität und geben die Legierungsinhalte vor. Wo liegt also das Problem? Woher kommt der billige Stahl? Oft aus China, Osteuropa, Russland, Brasilien, et cetera; dort wird in die Hochöfen und Schmelzen gekippt, was der lokale, wenig auf Sortenreinheit achtende Schrottmarkt bietet. Obwohl die in der jeweiligen Stahlsorte einzuhaltenden Laborierungen eingehalten werden, kommt es zum Beispiel durch das Verwenden von Automobilschrott zu Beimengungen von Metallsorten, die zwar wegen ihrer Menge nicht ausgewiesen werden müssen, jedoch die Stahlqualitäten und ihre Bearbeitbarkeit beeinflussen. Dies sind zum Beispiel Mikrolegierungen mit Aluminium, Kupfer, Magnesium, Chrom, Nickel, Molybdän, Titan und Vanadium. Diese Beimengungen dürfen zwar einen in den Werkstoffnormen ausgewiesenen Höchstgehalt nicht überschreiten, können aber schon in extrem geringen Konzentrationen und Reaktionen untereinander durch eine nachteilige Ausbildung der Gefügemasse negative Auswirkungen auf die Stahleigenschaften und die Bearbeitbarkeit ausüben.

* Christian Thiele ist Pressesprecher der Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH in 72072 Tübingen, Tel. (0 70 71) 70 04 18 20, christian.thiele@phorn.de

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