Google+ Facebook Twitter XING LinkedIn GoogleCurrents YouTube

Automatenstahl

Erhöhung der Zerspanbarkeit austenitischer Automatenstähle ohne negative Effekte

17.08.2007 | Autor / Redakteur: Dieter Ott und Jeanette Grund / Josef-Martin Kraus

Je komplexer ein Werkstück, umso wichtiger ist die optimale Zerspanbarkeit. Hauptkriterium bei Automatenstählen ist daher die Bearbeitungszeit.
Je komplexer ein Werkstück, umso wichtiger ist die optimale Zerspanbarkeit. Hauptkriterium bei Automatenstählen ist daher die Bearbeitungszeit.

Firma zum Thema

Eine kontrollierte Stahlerzeugung verhindert den Einschluss harter Oxide. Diese Einschlüsse werden durch geschmeidigere Oxide mit niedrigerem Schmelzpunkt ersetzt. Das ermöglicht, die Zerspanbarkeit austenitischer Stähle zum Automatendrehen zu steigern, ohne dass sich die Korrosionsbeständigkeit, Schweiß- und Umformbarkeit verschlechtern.

Gefertigte Drehteile müssen hinsichtlich der Maßgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit hohe Anforderungen erfüllen. Daher werden sie einer Vielzahl von Bearbeitungsschritten unterzogen. Teilweise laufen diese Schritte gleichzeitig ab, wobei die Werkzeuge sowie die Bearbeitungsprozesse hinsichtlich der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sehr unterschiedlich sind. So können heutzutage auf einer modernen Maschine zur Herstellung eines Drehteils sowohl Arbeitsgänge mit hoher Geschwindigkeit – wie das Außendrehen – als auch Arbeitsgänge mit niedriger Geschwindigkeit – wie das Gewindeschneiden – ausgeführt werden.

Kurze Bearbeitung wichtiger als niedriger Materialpreis

Um diese Prozesse auf seiner Maschine zu optimieren, ist für den Dreher die Wahl des bearbeiteten Stahls von großer Bedeutung. Denn die Auswahl des geeigneten Werkstoffs ermöglicht eine Senkung der Fertigungskosten. Der Grund dafür liegt weniger im Materialpreis, sondern hauptsächlich in der Bearbeitungsdauer. Sie hängt wesentlich von den Bearbeitungseigenschaften des Werkstoffs ab.

Je komplizierter das Drehteil, 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 Schnittbedingungen, als auch langsamer und einfacher Schnittbedingungen erfüllt.

Die Auswahl des optimalen Stahls innerhalb einer vorgegebenen Qualität – das heißt, des am besten auf die betreffenden Schnittprozesse abgestimmten, leistungsfähigsten Werkstoffs – ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Vor diesem Hintergrund hat Ugitech eine Anzahl korrosionsresistender Stähle entwickelt, die auf den Bedarf des Marktes zugeschnitten sind. Der Entwurf und die Realisierung dieser Produktpalette erfolgte in der eigenen Forschungsabteilung auf leistungsfähigen Bearbeitungszentren. Auf diese Weise wurde unter anderem jene verbesserte Zerpanbarkeit bei Stählen erzielt, die sich unter den Markennamen Ugima und Ugima 2 am Markt etabliert haben.

Sulfide verbessern Zerspanung zu Lasten anderer Merkmale

Konventionelle Verfahren zur Stahlerzeugung verbessern die Zerspanbarkeit von Stählen durch Anreicherung mit Schwefel. Schwefel führt in nichtrostenden Stählen zur Bildung von Sulfiden. Diese Sulfide tragen zu einer signifikanten Verbesserung der Zerspanung bei – einem Kernproblem nichtrostender Stähle. Die verbesserte Zerspanbarkeit offenbaren metallographische Untersuchungen von Spänen, anhand der man eine Dehnung der Sulfide in der Scherzone zwischen Metall und Span sowie in der Reibungszone zwischen Span und Werkzeug nachweisen konnte.

Außerdem bilden die im Metall vorhandenen Sulfide einen Schmierfilm an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span. Dieser Film verringert die Reibung des Spans am Werkzeug und dient als thermische und chemische Barriere, die zwischen Metall und Werkzeug die Diffusion begrenzt. Die unmittelbare Folge ist eine verlängerte Lebensdauer der Werkzeuge – um bis das Drei- oder Vierfache – oder eine Steigerung der Produktivität, je nach Anforderung des Bearbeitungsbetriebs. Darüber hinaus wird eine Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit und Zerspanung erreicht. Der Nachteil der Sulfide besteht jedoch darin, dass sich die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verschlechtert und dessen Schweißbarkeit, Warm- und Kaltumformung beeinträchtigt werden.

Automatenstähle, bei denen die Zerspanbarkeit eine entscheidende Rolle spielt, haben einen Schwefelgehalt von 0,2 bis 0,35%. Diese aufgeschwefelten Güten sind in den drei großen Stahlfamilien vertreten: bei den martensitischen Stählen wie 1.4005 (AISI 416), den ferritischen Stählen wie 1.4105 (AISI 430F) und den austenitischen Stählen wie 1.4305 (AISI 303). Der Einfluss von Schwefelzugaben auf die Zerspanbarkeit des Werkstoffs geht aus Tabelle 1 hervor.

Geschmeidigere Oxide statt harter Einschlüsse

Außer Mangansulfiden sind beim nichtrostenden Stahl Ugima auch Oxideinschlüsse vorhanden. Werkstoffe, die keiner besonderen Behandlung unterzogen wurden, enthalten eine Vielzahl unterschiedlicher Oxide. So erhält man bei nichtrostenden Stählen quasi auf „natürliche Weise“ Oxideinschlüsse wie Aluminiumoxide, Chromoxide und Silikate. Sie wirken sich auf die Bearbeitbarkeit von Automatenstählen sehr nachteilig aus, weil deren abrasive Wirkung zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führt. Außerdem schwanken die Beschaffenheit und Menge der Oxideinschlüsse je nach Schmelze beträchtlich.

Im Gegensatz dazu ermöglicht eine genaue Prozesskontrolle beim Erschmelzen, harte Einschlüsse durch geschmeidigere Oxide mit niedrigerem Schmelzpunkt zu ersetzen. So hat Ugitech aufgrund von umfassenden Forschungsaktivitäten ein fundiertes Know-how auf diesem Gebiet erworben. Auf dieser Grundlage wurden nichtrostende Stähle mit „kontrollierten“ Oxiden entwickelt, die heute unter der Bezeichnung Ugima am Markt bekannt sind. Deren Verformbarkeit bei hohen Temperaturen zeigt sich im Verlauf der Warmumformung durch Walzen. Dieser Walzprozess erfolgt bei Temperaturen von etwa 1200 °C. Diese Temperaturen liegen auch in den heißen Zonen der Späne vor, wenn die Bearbeitung mit relativ hohen Schnittparametern vorgenommen wird.

Wie inzwischen nachgewiesen werden konnte, ähneln die Wirkungsmechanismen dieser Oxide den Mangansulfiden. Die Eigenschaften der Oxide sind ausreichend für die Verformung beim Schneiden sowie für die Dehnung in den Scherzonen des Spans beziehungsweise in den Reibungszonen zwischen Metall und Werkzeug. Folglicherweise ist einerseits eine bessere Zerspanbarkeit und andererseits die Bildung eines Oxidfilms zu beobachten. Der Oxidfilm übt eine Schmierwirkung auf das Schneidwerkzeug aus und reduziert so dessen Abnutzung. Darüber hinaus ist eine bessere Oberflächenbearbeitung möglich.

In Zusammenarbeit mit der Hochschule in Nantes/Frankreich wurden die Studien zu den beschriebenen Wirkungsmechanismen der Ugima-Oxide während des Bearbeitungsprozesses durchgeführt. Diese Studien haben auch deren Wirksamkeit bei hoher Schnittgeschwindigkeit bestätigt. So besteht – neben dem Schutz der Schneidkante – der Haupteffekt des Stahls Ugima darin, dass die Belastung der Kante sowie der Freifläche reduziert und gleichzeitig die Zerspanung optimiert wird.

Aus diesem Grund können die mit dem Zusatz von Schwefel verbundenen Nachteile ausgeschlossen werden, so dass alle übrigen Gebrauchseigenschaften des Stahls voll und ganz erhalten bleiben. Das gilt insbesondere für die Korrosionsbeständigkeit, die Schweißbarkeit sowie die Warm- oder Kaltumformbarkeit der normalen Stahlgüten.

Weiterer Produktivitätsanstieg durch verbesserten Stahl

Des Weiteren hat diese Art der Verbesserung der Zerspanbarkeit keine Auswirkungen auf die Normenbezeichnung des betreffenden Werkstoffs. Diese metallurgische Verbesserung beeinflusst weder dessen Wiederverwertung noch Umweltverträglichkeit. Die kontrollierte Oxiderzeugung bietet ebenfalls signifikante Bearbeitungsvorteile, die Tabelle 2 deutlich macht. In Kombination mit Schwefelzusätzen kann die Zerspanbarkeit noch weiter verbessert werden (Bild 1).

Wie Tabelle 3 zeigt, sind die Bearbeitungsparameter des nichtrostenden Stahls Ugima 4305 HM noch deutlich besser als die der Basisversion Ugima. Unter den in Tabelle 3 aufgeführten, in der Praxis erprobten Bedingungen wurde ein Produktivitätsgewinn von 20% beziehungsweise ein Anstieg der Produktion um 200 zusätzliche Drehteile erzielt. Darüber hinaus gewährleistet der Stahl Ugima 4305 HM eine glänzendere Werkstückoberfläche nach der Bearbeitung.

Bis zu 15% mehr Produktivität nach Werkstoffwechsel

Die Umsetzung der Bearbeitungsparameter in Tabelle 3 macht sich wirtschaftlich deutlich bemerkbar. So werden aus Stangen mit 35 mm Durchmesser zylindrische Teile mit Bohrungen für die Möbelindustrie in einem CNC-Drehautomat gefertigt (Bild 2). Zur Anwendung kommt dabei der Stahl Ugima 4305 HM (geschält, poliert h11). Die Scherzone wird mit Schneidöl geschmiert. Das Ergebnis: Die Produktivität steigt um bis zu 15%. Die Schnittgeschwindigkeit wird lediglich durch die Schmierung sowie die Geradheit der Stäbe begrenzt.

Mit dem Stahl Ugima 4404 HM ist es Ugitech gelungen, zum ersten Mal einen molybdänlegierten korrosionsbeständigen Stahl im Ugima-2-Produktionsverfahren herzustellen. Im Gegensatz zum Stahl 1.4305 – dem gut zu verarbeitenden Standardwerkstoff für die spanende Bearbeitung – bietet der Stahl 1.4404 den Vorteil einer wesentlich höheren Korrosionsbeständigkeit. Dieser Vorteil geht allerdings zu Lasten der Bearbeitbarkeit.

Am Beispiel eines hülsenförmi-gen Drehteils aus dem Stahl Ugima 4404 lassen sich die wirtschaftlichen Vorteile verdeutlichen (Bild 3). Das Drehteil hat einen Durchmesser von 10 mm. Bei der Herstellung einer Serie von 100 000 Teilen führt die erzielte Produktivitätssteigerung zu einer Einsparung von 0,04 Euro je Teil beziehungsweise 4000 Euro insgesamt – bei einer Maschineneffektivität von 83%.

Reduzierung der Stückkosten infolge höherer Produktivität

Im Vergleich zum Werkstoff 1.4404 (Produktivität 100%) ermöglicht der Stahl Ugima 4404 eine Steigerung der Produktivität auf 117,5% – bei 83% Maschineneffektivität. Beim Stahl Ugima 4404 HM liegt die Produktivität um weitere 20 Prozentpunkte höher. Alle anderen Eigenschaften des Stahls Ugima 4404 HM entsprechen dem Werkstoff 1.4404. Die neue Stahlqualität entspricht den Anforderungen der Norm EN 10088-3. Zeugnisse nach AD 2000-W2 können auf Anfrage von Ugitech geliefert werden.

Der Stahl Ugima 4307 HM entspricht der Norm des Werkstoffs 1.4307/AISI 304L sowie 1.4301/AISI 304. Auch dieser Werkstoff hat außergewöhnliche Bearbeitungsmerkmale – unabhängig von den Bedingungen beim Zerspanen und den dabei verwendeten Maschinen und Werkzeugen. Der Stahl Ugima 4307 HM eignet sich besonders für die Automatenbearbeitung.

Die Vorteile dieses Automatenstahls sind die längere Lebensdauer der Werkzeuge sowie eine sehr gu-te Oberflächenbeschaffenheit der Werkstücke nach der Bearbeitung. Auch bei sehr vielen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen erhält man eine gute Korrosionsbeständigkeit. Im Vergleich zum Stahl Ugima 4307 wird eine Produktivitätssteigerung von durchschnittlich 20% erreicht. Dabei lässt sich mit dem Stahl Ugima 4307 schon eine Produktivitätssteigerung von durchschnittlich 20% im Vergleich zu einer herkömmlichen Stahlqualität erzielen. Darüber hinaus wird eine signifikante Verlängerung der Werkzeugstandzeit ermöglicht. Sie liegt im Allgemeinen in einer Größenordnung von 20 bis 50%.

Der Beweis ist in Bild 4 dargestellt: eine Hülse, die in einer Stückzahl von 7500 Teilen hergestellt wurde. Bei diesem Drehteil ermöglicht die erzielte Produktivitätssteigerung eine Einsparung von 3,3 Cent pro Teil beziehungsweise 247,50 Euro insgesamt.

Dieter Ott ist technischer Assistent bei der Ugitech GmbH in 71272 Renningen, Jeanette Grund ist dort zuständig für die Unternehmenskommunikation, Tel. (0 71 59) 92 60-31, Fax (0 71 59) 92 60-35, jeanette.grund@ugitech.com

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 203260 / Werkstoffe)

Themen-Newsletter Konstruktion abonnieren.
* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

Gut zu wissen

Der Business-Knigge

Wohin kommt die Serviette? Wer sitzt wo im Dienstwagen? Und darf ich eigentlich Notizen auf eine fremde Visitenkarte machen? Wir haben die Antworten. lesen

Marktübersicht

Die Top-100 Automobilzulieferer des Jahres 2018

Das Jahr 2018 überraschte mit hohen Wachstumsraten und neuen Rekordumsätzen. Allerdings zeigten sich auch kräftige Bremsspuren: Viele Unternehmen wurden mit rückläufigen Margen konfrontiert. lesen