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~~==Schneidstoffe==~~ Als Schneidstoffe werden diejenigen Werkstoffe bezeichnet, aus denen der schneidende Teil eines Zerspanungswerkzeuges besteht. Schneidstoffe bestimmen wesentlich die Wirtschaftlichkeit eines spanenden Prozesses, aufgrund dessen müssen diese verschleißfest und ausreichend zäh sein, um lange Standzeiten und hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die heute noch anhaltende Entwicklung der Schneidstoffe geht auf das Ende des

Seit dem ersten Kohlenstoffstahl aus dem Jahre 1894 haben die Schneidstoffe eine rasante Entwicklung hinter sich, die vor allem seit 1970 mit der Einführung beschichteter Hartmetalle zu einem sprunghaften Anstieg der Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe geführt hat. Die hier aufgeführten Werte beziehen sich immer auf die Bearbeitung von Stahl unter günstigen Bedingungen.

Während die Schnittgeschwindigkeiten 1894 noch bei etwa 5 m/min lag, konnte sie mit dem 1900 von der Bethlehem Steel Corporation auf der EMO in Paris vorgestellten Schnellarbeitsstahl mehr als verdoppelt werden. Eine weitere deutliche Anhebung geschah 1913 durch verbesserte Schnellarbeitsstähle auf 30 m/min und 1914 mit gegossenen Hartlegierungen auf 40 m/min.

Eine Revolution waren die 1926 eingeführten und 1931 mit Wolframcarbid gesinterten Hartmetalle, die Geschwindigkeiten von etwa 200 m/min zuließen.

Eine weitere Verdopplung erfolgte schließlich 1955 mit hochtitancarbidhaltigen Hartmetallen. 1958 schließlich tauchten die ersten Keramiken als Schneidstoff auf dem breiten Markt auf und ermöglichten ein Anheben der Geschwindigkeit auf 500 m/min.

Auch synthetischer Diamant wurde zu dieser Zeit erstmals industriell als Schneidstoff eingesetzt. Mit superharten Schneidstoffen auf Bornitridbasis konnte 1965 nun auch gehärteter Stahl wirtschaftlich bearbeitet werden.

Beschichtete Hartmetalle auf Titancarbidbasis erhöhten 1970 die Standzeit der Werkzeuge beträchtlich, doch kurz darauf, 1975, kamen schon mehrfach beschichtete Hartmetalle auf den Markt.

Dem großen Nachteil der Schneidkeramik, der Sprödheit, konnte 1978 mit verbesserten Schneidkeramiken beziehungsweise Siliziumnitrid entgegengewirkt werden. Ebenfalls für gehärtete Stähle und schwerste Zerspanarbeit wurden 1979 superharte Verbund- und Mischschneidstoffe entwickelt.

Der letzte große Meilenstein war die Entwicklung von so genannten Feinstkornhartmetallen, die einige Vorteile gegenüber gewöhnlichen Hartmetallen besitzen, wie hohe Zähigkeit bei gleichzeitiger hoher Härte.

Schneidstoffe sind Belastungen wie schlagartigen Schnittkräften, hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie Reibung und Verschleiß ausgesetzt.

An den Werkzeugschneiden von Werkzeugmaschinen wird fast die gesamte eingebrachte Antriebsleistung in Reibungswärme umgesetzt, nur ein vernachlässigbar kleiner Teil wird in die Verfestigung der Werkstückoberfläche umgesetzt. Deshalb muss für eine gute Abfuhr dieser Wärme gesorgt werden.

Der Großteil von ihr, wird mit dem Span abgeführt, ein kleiner Teil verbleibt im Werkstück oder gelangt in das Werkzeug und muss durch Kühlung mit einem Kühlschmiermittel oder durch Ableiten der Energie durch das Werkzeug selbst auf einem zulässigen Temperaturniveau gehalten werden.

Da die Schnittgeschwindigkeit für die Wärmeentwicklung den entscheidenden Faktor darstellt, hat der Wunsch der Industrie nach immer weiteren Steigerungen, die bisher bekannten Schneidstoffe an ihre Leistungsgrenzen gebracht.

Nur mit neuen Bearbeitungsstrategien können noch wesentliche Steigerungen erzielt werden, wie es beispielsweise durch das wärmeinduzierte Zerspanen geschieht.

Eine weitere Möglichkeit das Zeitspanvolumen und auch die Oberflächengüte zu erhöhen, wird mit Werkstückwerkstoffen umgesetzt, die auf Spanbarkeit optimiert wurden, wie Automatenstähle oder bleihaltige Aluminiumlegierungen.

*Warmhärte oder auch Anlassbeständigkeit: Auch unter den hohen Temperaturen, die beim Spanen entstehen, muss der Schneidstoff seine Härte behalten.

*Warmfestigkeit: Sie ist ein Maß dafür, wie gut ein Schneidstoff bei hohen Temperaturen seine Festigkeit und damit mechanischen Beanspruchungen widersteht.

*Temperaturwechselbeständigkeit: Dient der Vermeidung von Rissbildung durch Materialermüdung infolge starker Temperaturschwankungen. Diese treten auf, wenn die Schneiden wie etwa beim Fräsen immer nur kurz im Einsatz und wechselnd im Einsatz sind.

*Thermoschockbeständigkeit: Darunter versteht man die Eigenschaft, schlagartige Temperaturwechsel ohne Kantenausbrüche zu überstehen. Ein geringer [[Wärmeausdehnungskoeffizient ]] sowie eine geringe [[Wärmeleitfähigkeit ]] erhöhen die Beständigkeit. Beim Fräsen oder bei mangelnder Kühlschmierstoffversorgung ist dies wichtig.

*Chemische Stabilität: Der Schneidstoff sollte keine Verbindung mit den ihn umgebenden Stoffen eingehen. Vor allem gegenüber dem Span, aber auch dem Kühlschmierstoff und der Luft soll er chemisch beständig sein. Bildungsenthapie (Wärmebildung durch Reaktion von mindestens zwei unterschiedlichen Stoffen) ist ein Maß der chemischen Stabilität.

*Gute Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit ist das Vermögen des Schneidstoffes thermische Energie mittels Wärmeleitung in Form von Wärme zu abzutransportieren.

Werkzeugstähle dienen wegen ihrer geringen Warmhärte, die Arbeitstemperatur liegt bei unlegierten Werkzeugstählen bei maximal 200°C, und der daraus resultierend gering möglichen Schnittgeschwindigkeit, zur Herstellung von Werkzeugen (Hammer, Feile, Reibahle usw.) und Holzsägeblättern Verwendung. Der Kohlenstoffanteil bewegt sich zwischen 0,45 und 1,5%. Sie erhalten ihre hohe Kalthärte und den daraus hervorgehenden Verschleißwiderstand durch einen Härteprozess, Härteprozess 760 – 850°C; Anlasstemperatur 200 – 350°C; Arbeitstemperatur bis 200°C, bei dem sich ein martensitisches (hart und feinkörniges) Gefüge ausbildet.

Legierte Werkzeugstähle besitzen je nach Legierungsbestandteilen bei einem C-Gehalt zwischen 0,2 und 1,5% eine maximale Arbeitstemperatur von 400°C. Aufgrund ihrer guten Schneidhaltigkeit und des günstigen Preises werden aus ihnen verschiedenste Schneidwerkzeuge gefertigt. Legierungszusätze betragen bis zu 5% von: Chrom – Cr; Wolfram – W; Molybdän – Mo; Vanadium – V, welche eine höhere Anlassbeständigkeit ermöglichen. Sie erreichen eine höhere Verschleißfestigkeit durch den Zusatz von karbidbildenen Elementen. Durch den höheren Kohlenstoffgehalt wird eine größere Härte erreicht: Härteprozess 780 – 850°C; Anlasstemperatur 200 – 350°C; Arbeitstemperatur bis 400°C.

Schnellarbeitsstähle (HSS: High Speed Steel) sind ledeburitische (feinkörniges Gefüge aus Perlit und Zementhitkristallen), hochlegierte Werkzeugstähle.

Er wird hauptsächlich bei Werkzeugen verwendet, die hohe Zähigkeit, große Spanwinkel, kleine Keilwinkel, hohe Schneidenfestigkeit und eine scharfe Schneide aufweisen müssen, die geringste mögliche Schnittgeschwindigkeit aber unwesentlich ist.

Die Härte und der hohe Verschleißwiderstand ergeben sich aus dem martensitischen Grundgefüge (sehr feines und sehr hartes Gefüge) und aus eingelagerten Karbiden (Kohlenstoffverbindungen): W-, W-, Mo-, Cr- und V-Karbide. Die Eigenschaften von HSS werden in erster Linie von den Legierungselementen W und Mo bestimmt. Die W- und Mo-Gehalte werden daher zur Klassifizierung von HSS in vier Gruppen genutzt. Sie werden mit S für Schnellarbeitsstahl und den Prozentangaben der Legierungselemente W-Mo-V-Co bezeichnet (z. B. S 10-4-3-10).

HSS wird schmelzmetallurgisch hergestellt. Die Härtetemperaturen (1180-1280°C je nach Legierung) und die Tauchzeiten werden so gewählt, dass ein möglichst großer Teil der Karbide in Lösung geht, so dass keine Grobkörnigkeit entsteht. Der verbleibende Austenitanteil kann durch mehrmaliges Anlassen (540-580°C) verringert werden. Dem damit verbundenen Härteabfall durch Zerfall von Martensit wirkt die Ausscheidung von Karbiden entgegen. Der Härteabfall ist jedoch mit einer Zunahme der Zähigkeit verbunden.

Bei der schmelzmetallurgischen Herstellung neigt das HSS während der Erstarrungsphase zu Seigerungen (Entmischung in der Schmelze), die sich nachteilig auf das Verschleißverhalten auswirken können.

Um diese Nachteile zu umgehen, werden das Elektroschlackumschmelzverfahren (ESU) und die pulvermetallurgische Herstellung (PM) eingesetzt. Beide Verfahren führen zu einer gleichmäßigeren Gefügeausbildung und zu feinerem Korn.

Höhere Standzeiten und Schnittgeschwindigkeiten lassen sich mit HSS-Werkzeugen durch Beschichten mit Titannitrid (TiN) mit einer Schichtstärke von 2-7 m erreichen. Durch TiN wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff herabgesetzt und somit der adhäsive Verschleiß sowie auch die erforderliche Schnittleistung und Schnittkraft um 10-20% verringert.

*(physikal vapor deposition – Vakuum Aufdampfen) Geringe Prozesstemperaturen 450-550°C, wobei kaum Anlasseffekt auftreten.

*Prozesstemperatur liegt bei 900-1000°C, also weit über der Anlasstemperatur von HSS, daher muss bei diesem Verfahren nachgehärtet werden. Wegen der auftretenden Verzugsgefahr gelingt dies nur bei einfachen Formen (z.B. Wendeschneidplatten).

Beschichtete Werkzeuge weisen erheblich längere Standzeiten auf. Selbst bei nachgeschliffenen Werkzeugen stellt sich noch ein deutlicher Effekt ein. Ursachen liegen in Stütz- und Schutzwirkungen als Folge von TiN – Verschleppungen. Beschichtet werden u.a Spiralbohrer, Fräser, Wälzfräser, Gewindebohrer, Reibahlen und Räumwerkzeuge.

In der industriellen Fertigung spielen sie inzwischen eine untergeordnete Rolle, jedoch werden sie in absehbarer Zeit in einigen Bearbeitungsfällen nicht durch andere Schneidstoffe zu ersetzen sein.

Hartmetalle sind zwei- oder mehrphasig, pulvermetallurgisch (sintern) hergestellte Schneidstoffe, die aus metallischen Hartstoffen [Wolfram- (-Phase], [Titan-, Tantal- und Niobkarbid (-Phase)] oder Titankarbonnitrid und andere Titanmischkarbide) und einem Bindemittel, welches die Zähigkeit beeinflusst, [Kobalt (-Phase)] bestehen.

Die günstige Eigenschaftskombination von Härte und Zähigkeit hat zur Vorraussetzung, dass Wolframkarbide von Kobalt sehr gut benetzt werden, so das Kobalt größere Teile des Wolframkarbids lösen kann. Die gute Benetzbarkeit bewirkt, dass Hartmetall nie entlang der Bindemetall-Karbid-Grenzflächen bricht. Das Lösungsvermögen bewirkt hohe innere Bindekräfte und eine gute Kantenfestigkeit des Hartmetalls.

Durch Anfügen von Ziffern innerhalb jeder Zerspanungshauptgruppe werden Zähigkeit und Verschleißfestigkeit gekennzeichnet. Mit zunehmenden Ziffern steigt die Zähigkeit, während die Verschleißfestigkeit abnimmt.

Durch Beschichten des Schneidstoffes mit Substralmaterial (TiC, TiN, TiCN und ~~Al2O3~~Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) kann der begrenzende Dualismus, hohe Härte und Verschleißfestigkeit oder hohe Biegefestigkeit und Zähigkeit, zu wesentlichen Teilen überwunden werden. Dieses Prinzip der Funktionstrennung kombiniert verschleißfeste Schichten mit zähem Grundstoff. Wegen der großen Temperaturunterschiede, die in spanenden Werkzeugen auftreten, ist die Beherrschung der Temperaturrisse als Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten Vorraussetzung für haltbare, rissfreie Schichten. Bei etwa 1000°C werden unter Vakuum meist mehrlagige Hartstoffschichten (Substrahlmaterial) auf den Schneidstoff aufgebracht (2-10m).

*Titannitrid: Durch seine chemische Trägheit wirkt es Diffusions- und Oxidationsverschleiß entgegen. Durch seine geringe Klebeneigung senkt es den adhäsiven Verschleiß

Es sind Vielkomponentenmetalle und als Härtträger dienen Titankarbonnitrid mit Tantal, Niob uns Vanadium. Im Gegensatz zu Schneidkeramik, bindet Cermet eine metallische Bindephase zu Nickel und Kobalt auf.

*Zu den wichtigsten Oxidkeramischen Schneidstoffen (weißen Oxidkeramiken) zählen Aluminiumoxid (Härteträger und sehr spröde) und [[Zinkoxid ]] (steigert die Bruchzähigkeit).

*Zu den wichtigsten Nichtoxidkeramischen Schneidstoffen (schwarze Mischkeramiken) zählen Siliziumnitrid (höhere Zähigkeit und Thermoschock unempfindlich), Titankarbid und Titannitrid (erhöht die Härte und die abrasive Verschleißbeständigkeit des reinen Aluminiumoxids)

*Mischkeramik (CM) wird aus Aluminiumoxid und Hartstoffen wie Titancarbid, Wolframcarbid oder auch Titannitrid, die sie schwarz oder grau erscheinen lassen, gesintert. Sie besitzt eine höhere Temperatur- und Kantenfestigkeit und eignet sich vom Schlichtdrehen bis zum Schruppdrehen vieler Werkstoffe bis ca. 62 HRC.

Zu den negativen Eigenschaften keramischer Schneidstoffe zählen ihre Thermoschockempfindlichkeit sowie ihre begrenzte Zähigkeit und die daraus resultierende Sprödbrüchigkeit durch Schlag- und Biegebeanspruchung. Daher ist beim Einsatz von Schneidkeramik ohne Kühlung auf gleichmäßige Schnittbedingungen zu achten.

Schneidkeramik kann aufgrund der höheren Härte auch Werkstoffe zerspanen und Feinbearbeitungen ausführen, bei denen Hartmetalle versagen und teure Schneiddiamanten verwendet werden mussten.

Kubisch kristallines Bornitrid (CBN) ist nach Diamant der nächst härteste Schneidstoff, jedoch ist es im Gegensatz zum Diamanten chemisch beständiger gegenüber Eisen und anderen karbidbildenden Werkstoffen, sowie das es bis zu Temperaturen von 1400°C seine Stabilität beibehält.

Ebenso ist es für die Bearbeitung von gehärteten Stählen, Hartguss, Nickelbasislegierungen und aufgespritzten Hartstoffschichten aufgrund seiner Bornidschutzschicht (B2O3), die einer Oxidation bis 1300°C verhindert, geeignet.

Werden meist als Einkristalle eingesetzt und zwar dort wo Schneidkeile höchster Schärfe und geringster Schartigkeit erforderlich sind. Typische Anwendungsbereiche sind das Ultrapräzisionsspanen und das Glanzspanen von NE-Metallen wie Aluminium, Kupfer und ihrer Legierungen.

Zudem verfügt dieser Stoff über anisotropische Eigenschaften, d.h. seine physikalischen Eigenschaften ([[Härte]], [[E-Modul]], Wärmeleitfähigkeit u.a.) sind stark Richtungsabhängig. Aufgrund dessen wird er möglichst in seine harten, verschleißfesten Richtungen orientiert.

Kleine Diamantkörper lassen unter Synthesebedingungen von 6Gpa und 2000°C direkt aus Graphit durch Beigabe von Lösungsmitteln und Katalysatoren (Kobalt, Nickel, Silizium, Bor, Beryllium und Eisen) herstellen.

Je nach Synthesebedingungen besitzt Kobalt ein Lösungsvermögen für Kohlenstoff, jedoch nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoff bei Erhöhung von Druck und Temperatur ab, wobei Diamant ausgeschieden wird.

Durch mehrmaliges Durchlaufen dieser Synthesebedingungen lassen sich aus dieser Diamantsynthese Körner im Bereich von 2-400μm erreichen, die nach Sortierung in einem weiteren Prozess, durch das Hochdruck – Flüssigphasensintern, zu einer polykristallinen Matrix verbunden werden können (PKD). In diesen zweiten Prozess werden Diamantenkörper auf ein kobaltreiches Hartmetallsubstrat aufgebracht, wobei eine kobaltreiche Zwischenschicht eine Haftbesserung garantiert.

Die Eigenschaften des ~~PKD’s~~ PKDs lassen sich über die Größe der eingesetzten Körnung und über Art und Menge der metallischen Phasen [[steuern]]. Korngrößen von 2 – 60μm werden im Endzustand erreicht, wobei die Körnung während des Sinterprozesses abnimmt.

PKD hat aufgrund seines kristallinen ungerichteten Haufwerks weitgehend isotropische Eigenschaften, ist allerdings durch seine Korngrenzen und metallischen Einschlüsse weniger hart und zäher als Monokristalle.

Anwendungsbereiche sind Schruppschlicht- und Schlichtbearbeitung von NE-Werkstoffen ([[Aluminium]], [[Kupfer]], Kunststoffe, Holz und Graphit wo von den Einstellbedingungen her kein chemischer Verschleiß und keine Schneidkeiltemperatur oberhalb von 700°C eintreten).

Um dem Anwender eine Hilfe bei der Auswahl des richtigen Schneidstoffes zu geben, werden Schnellarbeitsstähle allgemein in vier Gruppen, in Hartmetalle, Cermets, Schneidkeramiken, polykristalline Schneidstoffe polykristallines kubisches Bornitrid, in Zerspanungshauptgruppen und weiterhin Anwendungsgruppen unterteilt.

Die Schnellarbeitsstähle werden nach den Legierungsbestandteilen [[Molybdän ]] und vorwiegend [[Wolfram ]] in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe enthält ungefähr 18%, die zweite ungefähr 12%, die dritte ungefähr 6% und die vierte ungefähr 2% Wolfram. Der Molybdänanteil bewegt sich zwischen 0 und 10%. Nach DIN ISO 4975, welche die DIN 17350 ablöste, werden Schnellarbeitsstähle mit einem vorgesetzten HS gekennzeichnet und folgend prozentual die Anteile der Legierungsbestandteile in der Reihenfolge Wolfram-Molybdän-Vanadium-Kobalt angegeben. Beispielsweise HS6-5-2-5, ein Schnellarbeitsstahl für höchstbeanspruchte Spiralbohrer, Fräser oder Schruppwerkzeuge.

Harte Schneidstoffe ab Hartmetall werden nach DIN ISO 513 feiner als die Schnellarbeitsstähle unterteilt. Auf die oben angegeben Kennbuchstaben des jeweiligen Schneidstoffes folgt eine der drei Zerspanungshauptgruppen. Die drei, auch farblich gekennzeichneten, Gruppen stellen jeweils ein bestimmtes Spanverhalten des Werkstückwerkstoffes dar. So steht die Gruppe P (blau) für langspanende Werkstoffe, die Gruppe M (Gelb) als Universalschneidstoff für lang- und kurzspanende Werkstoffe und die Gruppe K (Rot) für kurzspanende Werkstoffe.

Innerhalb jeder Gruppe wiederum wird mit der Anwendungsgruppe nach der Härte bzw. der Zähigkeit des Schneidstoffes unterschieden. Eine Zahl zwischen 01 und 40 kennzeichnet die Anwendungsgruppe, wobei mit größer werdender Zahl die Härte abnimmt und die Zähigkeit zunimmt. Im Anschluss daran folgen noch zwei weitere Buchstaben, die angeben, welcher Werkstoff und mit welchem Zerspanverfahren die besten Ergebnisse erzielbar sind.

So steht beispielsweise das Kennzeichen HW-P20N-M für ein unbeschichtetes Hartmetall mit mittlerer Härte und Zähigkeit, geeignet für die Zerspanung von NE-Metallen durch das Verfahren Fräsen. Jedem Hersteller obliegt die Aufgabe, seine Schneidstoffe in eine Gruppe einzuteilen, doch wird dies in manchen Fällen nicht in vollem Umfang erbracht.

So vertreiben einige Hersteller ihre Werkzeuge unter geschützten Markenbezeichnungen oder ordnen sie nur einer Haupt- und Anwendungsgruppe zu, ohne einen Werkstoffkennbuchstaben und ein für den Schneidstoff geeignetes Zerspanverfahren anzugeben.

*1.# Welchen C-Gehalt besitzen unlegierte WZ-Stähle?*2.# Wie werden Hartmetalle hergestellt und aus welchen Hauptphasen setzen sie sich zusammen?*3.# Weshalb werden Werkzeuge beschichtet und welche Probleme treten bei diesen Werkzeugen auf?*4.# Was sind Cermets?

*1.# Unlegierte Werkzeugstähle (Kohlenstoffstähle) besitzen einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,3%.*2.# Hartmetalle sind zwei- oder mehrphasig, pulvermetallurgisch hergestellte Legierungen.*3.# Sie werden beschichtet um höhere Standzeiten und Schnittgeschwindigkeiten zu erzielen, adhäsiver Verschleiß wird verringert und die die Standzeit verlängert. Die Werkzeuge müssen nachgehärtet werden, durch die damit verbundene Verzugsgefahr gelingt das nur bei einfachen Formen wie bei Wendeschneidplatten. 4.# Cermets sind Hartmetalle ohne freie Wolframkarbide (aus den Wortstämmen „ceramics“ und „metals“).

*1.http://www.lpm.uni-sb.de/technik/schneid/index.htm*2http://www.precifast.de/fraeser-grundlagen-und-bauarten/* http://www.techniker-forum.de*3.Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnungen, von Heinz Tschätsch, Vieweg Verlag, 6 . Auflage Oktober 2002*4.Zerspantechnik, von H. Victor; M. Müller; R. Opferkuch, Springer Verlag, 11 . Auflage 1982 --[[Benutzer:Anthony|Anthony]]