Schneidstoffe: HSS, HSS-Co, Hartmetall, Cermet, Keramik, CBN und PKD

Der erste Faktor, der die Leistung eines Zerspanungswerkzeugs bestimmt, ist nicht die Geometrie, sondern der Schneidstoff selbst. Dieselbe Geometrie arbeitet mit HSS im Bereich einiger zehn m/min, mit beschichtetem Hartmetall bei einem Mehrfachen davon und mit PKD noch darüber. Dieser Beitrag behandelt die Charakteristik von Härte, Zähigkeit, Warmhärte und Wärmeleitfähigkeit der sieben wesentlichen Schneidstofffamilien von HSS bis PKD, die Klassifizierung nach ISO 513 sowie die Anwendungsgrenze jeder Familie. Da Beschichtungslagen ein eigenes Thema sind, wird hier ausschließlich der Grundwerkstoff (Substrat) betrachtet.

1. Vier Eigenschaften, die einen Schneidstoff bestimmen

Die Auswahl des Schneidstoffs beruht auf dem Gleichgewicht von vier Eigenschaften, die einander zuwiderlaufen.

Härte ist der Widerstand der Schneidkante gegen Ritzen und abrasiven Abtrag durch das Werkstück. Sie wird nach Vickers (HV) oder bei gesinterten Hartstoffen nach Rockwell A (HRA) gemessen. Mit steigender Härte nimmt der Widerstand gegen abrasiven Verschleiß zu.

Zähigkeit ist die Fähigkeit der Schneidkante, sich unter Schlag- und Wechselbelastung zu verformen, ohne zu brechen. Zwischen Härte und Zähigkeit besteht ein gegenläufiges Verhältnis: die härtesten Werkstoffe sind zugleich die sprödesten. Deshalb ist bei unterbrochenem Schnitt, schwingungsanfälliger Aufspannung und ungleichmäßigem Spanungsquerschnitt eine zähere und damit weichere Sorte zu wählen.

Warmhärte (hot hardness) ist der Erhalt der Härte bei der Temperatur der Schnittzone. Sie ist die eigentliche Eigenschaft, die die Obergrenze der Schnittgeschwindigkeit bestimmt. HSS erweicht oberhalb von etwa 600 °C durch Anlassen, während gesintertes Hartmetall im Band von 800–1.000 °C seine Schneidfähigkeit behält; Keramik und CBN sind bei noch höheren Temperaturen stabil.

Wärmeleitfähigkeit bestimmt, wie schnell die in der Schnittzone erzeugte Wärme in den Werkzeugkörper abgeführt wird. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit senkt die Kantentemperatur, bedeutet aber zugleich, dass ein Teil der Wärme in das Werkzeug getragen wird. Bei Keramiken mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wird die Wärme überwiegend mit dem Span abgeführt; im Gegenzug wird der Werkstoff thermoschockempfindlich. Wie die Verschleißmechanismen mit diesen Eigenschaften zusammenhängen, ist unter Werkzeugverschleiß-Mechanismen und Standzeit ausführlich behandelt.

2. Klassifizierung nach ISO 513

Harte Schneidstoffe werden in der Norm ISO 513 mit zweistelligen Buchstabencodes bezeichnet. Der erste Buchstabe kennzeichnet die Werkstofffamilie, der zweite die Untergruppe. Dieselbe Norm definiert auch die Anwendungsgruppen (P, M, K, N, S, H); deren Zuordnung zu den Werkstückwerkstoffen ist im Beitrag ISO-Werkstoffgruppen P, M, K, N, S, H erläutert.

Kritischer Punkt: Der ISO-513-Code ist keine Sortenbezeichnung, sondern die Definition einer Werkstofffamilie. Zwei Hartmetallsorten mit demselben Code HC können sich in Korngröße, Kobaltgehalt und Beschichtung vollständig unterscheiden.

3. HSS und HSS-Co: Wirkung des Kobaltgehalts

Schnellarbeitsstahl (high speed steel, HSS) ist ein legierter Werkzeugstahl mit Wolfram, Molybdän, Chrom und Vanadium, der durch Wärmebehandlung gehärtet wird. Seine Härte liegt typischerweise im Band von 62–67 HRC. Sein größter Vorteil ist die Zähigkeit: da sich die Schneidkante vor dem Bruch in gewissem Umfang plastisch verformen kann, verhält sie sich bei schwacher Anbindung, Werkzeugmaschinen mit niedriger Drehzahl und schwingungsanfälligen Aufbauten zuverlässig.

HSS-Co-Sorten entstehen durch Zugabe von Kobalt. Das im Gefüge gelöste Kobalt erhöht bei hoher Temperatur den Widerstand des Martensits gegen Anlassen; praktisch bedeutet das eine höhere Rotwarmhärte (red hardness). Im Gegenzug wird die Matrix spröder.

M42 hält seine Härte durch den höheren Kobaltgehalt bis zu einer höheren Temperatur der Schnittzone als M35. Dieser Unterschied bewirkt bei nichtrostenden Stählen und warmfesten Legierungen, bei denen die Wärmeentwicklung ausgeprägt ist, einen sichtbaren Standzeitvorteil zugunsten von M42. Demgegenüber neigt die Sorte M42 bei unterbrochenem Schnitt und handvorgeschobenen Operationen stärker zum Kantenausbruch; unter diesen Bedingungen wird M35 bevorzugt.

Ein verbreitetes Missverständnis: Der Unterschied zwischen HSS und HSS-Co ist kein Geschwindigkeitsunterschied in der Größenordnung eines Vielfachen. Beide Sorten arbeiten im Schnittgeschwindigkeitsband derselben Größenordnung; Kobalt erhöht im Wesentlichen die Standzeit und die Wärmebeständigkeit.

4. Gesintertes Hartmetall

Gesintertes Hartmetall (cemented carbide) wird pulvermetallurgisch durch Sintern von Wolframkarbidkörnern mit Kobaltbinder hergestellt. Seine Härte liegt typischerweise im Band von 1.300–1.800 HV bzw. 89–93 HRA, und seine Warmhärte liegt weit über der von HSS. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist hoch; die für WC-Co-Zusammensetzungen in der Literatur berichteten Werte schwanken zwar mit Kobaltgehalt und Korngröße, liegen aber deutlich über denen von Werkzeugstahl.

Der eigentliche Vorteil des Hartmetalls ist seine Geschwindigkeitsfähigkeit. In technischen Veröffentlichungen der Hersteller wird angegeben, dass gesintertes Hartmetall eine um ein Mehrfaches höhere Schnittgeschwindigkeit als HSS zulässt; bei beschichteten Sorten und geeignetem Werkstückwerkstoff vergrößert sich dieses Verhältnis noch weiter. Die Ursache ist unmittelbar die Warmhärte: bei der Temperatur, bei der HSS erweicht, kann Hartmetall noch zerspanen.

Das Verhalten des Hartmetalls hängt von zwei Größen ab. Mit steigendem Kobaltgehalt nimmt die Zähigkeit zu und die Härte ab. Mit kleiner werdender Korngröße nehmen Härte und Kantenschärfe zu. Beim Schruppen werden Sorten mit höherem Kobaltgehalt und größerer Zähigkeit bevorzugt, beim Schlichten und bei harten Werkstoffen dagegen feinkörnige Sorten mit niedrigem Kobaltgehalt. Der Beitrag der Beschichtungslage wird unter Schaftfräser-Beschichtungen behandelt.

5. Cermet

Cermet ist ein Werkstoff, dessen Hartphase überwiegend aus Titankarbonitrid (TiCN) besteht und der mit einem nickel- und kobaltbasierten Binder gesintert wird. In ISO 513 wird er mit dem Code HT bezeichnet. Seine Härte liegt etwas über der von wolframkarbidbasierten Sorten, und da die chemische Affinität von TiCN zu Stahl gering ist, verringert sich die Bildung von Aufbauschneiden (built-up edge) deutlich.

Diese Eigenschaft macht Cermet zum Werkstoff der Schlichtbearbeitung: geringe Oberflächenrauheit, maßliche Stabilität und lange Standzeit werden erreicht. Demgegenüber liegen Zähigkeit, Druckfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit unter denen von gesintertem Hartmetall. Deshalb wird Cermet bei Schruppschnitten, unterbrochenem Schnitt, wechselndem Spanungsquerschnitt und unterbrochener Kühlung nicht empfohlen. Sein Anwendungsfeld sind Schlichtschnitte an Stahl, ferritisch-perlitischem Gusseisen und niedriggekohlten Stählen.

6. Keramiken: Al2O3, Si3N4 und SiAlON

Keramische Schneidstoffe bieten chemische Stabilität bei hoher Temperatur; in der Literatur wird angegeben, dass sie sich bis in die Größenordnung von 1.200 °C stabil verhalten. Ihre gemeinsame Schwäche sind niedrige Zähigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit. Es gibt drei Hauptgruppen.

Al2O3-basierte Oxidkeramiken (CA) besitzen die höchste chemische Stabilität, sind jedoch ausgeprägt thermoschockempfindlich. Deshalb werden sie überwiegend in der Trockenbearbeitung und im unterbrechungsfreien Schnitt eingesetzt. Das typische Anwendungsfeld ist das Drehen von Grauguss bei hoher Geschwindigkeit. Mischkeramiken (CM) werden durch Zugabe von TiC oder TiCN in Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit verbessert; sie sind auch bei gehärtetem Stahl einsetzbar. Verstärkte Keramiken (CR) sind Sorten, deren Bruchzähigkeit durch SiC-Whisker-Verstärkung erhöht wurde, und werden bei nickelbasierten Legierungen angewendet.

Si3N4-basierte Nitridkeramiken (CN) zeigen gegenüber Oxidkeramiken eine höhere Bruchzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Sie sind beim Hochgeschwindigkeitsschruppen von Grauguss verbreitet.

SiAlON ist eine Nitridkeramikart, die durch Lösung von Aluminium und Sauerstoff im Si3N4-Gitter entsteht. Da sie hohe Temperaturstabilität mit mittlerer Zähigkeit verbindet, wird sie bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nickelbasierter Superlegierungen eingesetzt. In wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird für SiAlON-Sorten beim Drehen von Inconel 718 ein hinsichtlich der Standzeit günstigstes Band von etwa 200–300 m/min berichtet; dieser Wert liegt um ein Vielfaches über der Geschwindigkeit, mit der derselbe Werkstoff mit Hartmetall bearbeitet wird. Die allgemeine Vorgehensweise bei der Bearbeitung von Superlegierungen ist im Beitrag Fräsen von Titan und warmfesten Legierungen (ISO S) behandelt.

Wichtig: Wegen der Sprödigkeit keramischer Werkzeuge sind die Steifigkeit der Werkzeugmaschine, die Qualität der Aufspannung und die Ein- und Austrittsstrategie weit bestimmender als bei Hartmetall. In einem nicht steifen Aufbau lässt sich der von einer Keramiksorte erwartete Gewinn nicht erzielen.

7. CBN

Kubisches Bornitrid (CBN) ist nach Diamant der härteste Werkstoff; seine Knoop-Härte liegt bei Raumtemperatur in der Größenordnung von etwa 45 GPa. Der Unterschied zum Diamanten besteht darin, dass es gegenüber eisenbasierten Werkstoffen chemisch stabil ist. Damit ist es der einzige praktikable superharte Schneidstoff für gehärteten Stahl.

Als Schneide wird es in der Regel in polykristalliner Form (PCBN) als auf ein Hartmetallsubstrat aufgelötete Schneidplatte eingesetzt. Es gibt zwei grundlegende Sortenfamilien:

• Sorten mit niedrigem CBN-Gehalt: hoher Anteil keramischen Binders; Einsatz beim unterbrechungsfreien Schlichten von gehärtetem Stahl. Im Vordergrund steht der Widerstand gegen chemischen Verschleiß.
• Sorten mit hohem CBN-Gehalt: metallisch gebunden, mit höherer Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit; bevorzugt bei Grauguss und unter Bedingungen des unterbrochenen Schnitts.

In technischen Veröffentlichungen der Hersteller wird das Anwendungsfeld von CBN-Schneiden als gehärteter Stahl oberhalb von 45 HRC definiert; die Obergrenze liegt bei 65 HRC und in einigen Anwendungen darüber. Unterhalb dieser Härte bleibt beschichtetes Hartmetall wirtschaftlich überlegen. Bei Werkzeugstählen wird die Sortenwahl neben dem Härteband danach bestimmt, ob der Schnitt unterbrochen ist und wie steif die Werkzeugmaschine ist.

8. PKD und die Grenze bei eisenbasierten Werkstoffen

Polykristalliner Diamant (PKD) wird durch Sintern feiner Diamantkörner mit Kobaltbinder unter hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt und ist der härteste bekannte Schneidstoff; die Knoop-Härte des Diamanten liegt in der Größenordnung von etwa 88 GPa. Auch seine Wärmeleitfähigkeit ist außerordentlich hoch; in veröffentlichten Daten wird angegeben, dass sie in der Größenordnung eines Mehrfachen der von Wolframkarbid liegt. Dadurch wird die Wärme in der Schnittzone rasch abgeführt und eine außerordentlich scharfe, verschleißbeständige Kante erhalten.

PKD hat zwei grundlegende Grenzen.

Die erste ist die Temperatur. Diamant verliert oberhalb von etwa 700–800 °C seine Stabilität; er reagiert mit Sauerstoff und graphitiert. Deshalb ist bei der Arbeit mit PKD die Temperatur der Schnittzone unter Kontrolle zu halten, wofür reichliche Kühlung oder eine geeignete MMS-Anwendung erforderlich ist.

Die zweite ist die Nichteinsetzbarkeit bei eisenbasierten Werkstoffen. Die chemische Affinität des Kohlenstoffs zu Eisen ist sehr hoch. Bei Schnitttemperatur wandelt sich die tetraedrische Kohlenstoffstruktur an der Diamantoberfläche in Grafit um; da die freigesetzten Kohlenstoffatome wesentlich kleiner als Eisenatome sind, diffundieren sie rasch in das Eisengitter des Werkstücks. Das Ergebnis ist ein vom mechanischen Verschleiß unabhängiger und außerordentlich schnell fortschreitender chemischer Verschleiß. Da dieselbe Affinität auch für Kobalt und Nickel gilt, wird PKD auch bei nickelbasierten Superlegierungen nicht eingesetzt.

Das Anwendungsfeld von PKD sind deshalb Nichteisen- und Nichtmetallwerkstoffe: Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt, Kupfer und Messing, kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe, Grafit, Kunststoffe und Holzwerkstoffplatten. Da bei Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt die abrasive Siliziumphase die Hartmetallschneide rasch verschleißt, tritt der Standzeitvorteil des PKD in dieser Gruppe am deutlichsten hervor.

9. Vergleichstabelle

Die folgende Tabelle fasst einen qualitativen Vergleich zusammen, der aus verbreiteten Hersteller- und Literaturdaten zusammengestellt wurde. Die Schnittgeschwindigkeitsbänder sind Anhaltspunkte für die Größenordnung; der tatsächliche Wert hängt vom Werkstückwerkstoff, von der Beschichtung, von der Steifigkeit der Werkzeugmaschine und von den Kühlbedingungen ab.

Die Auswahllogik lässt sich auf zwei Fragen zurückführen. Die erste ist, ob der Werkstückwerkstoff chemisch mit dem Schneidstoff verträglich ist; das Paar PKD–Eisen ist das schärfste Beispiel dieser Unverträglichkeit. Die zweite ist, ob die Steifigkeit des Aufbaus die Sprödigkeit des gewählten Werkstoffs trägt. Nachdem diese beiden Bedingungen erfüllt sind, wird das Schnittgeschwindigkeitsband nach der Warmhärte des Schneidstoffs festgelegt. Der Aufbau der Berechnung von Schnittgeschwindigkeit und Drehzahl ist im Beitrag Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Vorschub berechnen erläutert.

Beim allgemeinen Fräsen bietet beschichtetes Feinkornhartmetall weiterhin das breiteste Einsatzspektrum zwischen Geschwindigkeitsfähigkeit und Zähigkeit. Die Abmessungs- und Typvarianten der Hartmetall-Schaftfräser im Katalog von ATH Tools lassen sich in der Kategorie der flachen Schaftfräser einsehen.

Quellen

• ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application (iso.org)
• ISO 3685:1993 — Tool-life testing with single-point turning tools (iso.org)
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• Sandvik Coromant — Cutting tool materials (sandvik.coromant.com)
• Kennametal — PcBN turning inserts KBH10B & KBH20B, grade description and application range (kennametal.com)
• ASM International — ASM Handbook, Volume 16: Machining, Kapitel "Cutting Tool Materials"
• Machinery's Handbook, Industrial Press — Kapitel "Cutting Tool Materials" und "Cemented Carbides"
• Zong, W. J. et al. — A critical review on the chemical wear and wear suppression of diamond tools in diamond cutting of ferrous metals, International Journal of Extreme Manufacturing (iopscience.iop.org)