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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.

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.

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

*Hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit: Schneidkantenbrüche und Rissausbreitungen unter (Biege-) Beanspruchung sollen möglichst vermieden werden.

*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).

*(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).

*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.

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 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