Werkzeugstahl

Werkzeugstahl (WS) ist Stahl, der zur Fertigung von Werkzeugen und Formen sowie von Normteilen verwendet wird. Der Verbrauch an Werkzeugstählen liegt weltweit bei ca. 1 Million Tonnen pro Jahr.

Begriffsdefinition

Bei Werkzeugstählen handelt es sich nach DIN EN ISO 4957 (2018-11) ausschließlich um (nicht notwendigerweise rostfreie) Edelstähle, welche vorwiegend für das Bearbeiten bzw. Verarbeiten von Werkstücken eingesetzt werden. Weiterhin können Werkzeugstähle auch für die Herstellung von Handhabungseinrichtungen und Messgeräten genutzt werden.

Nationale Normung (zurückgezogen)

Eine Übersicht ist in DIN 17350 Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen (1980-10) wiedergegeben.

Tabelle 9 - Gegenüberstellung vergleichbarer Stähle nach deutschen sowie nach internationalen Unterlagen für Werkzeugstähle
Deutsche Unterlagen			ISO/DIS 4957		EURONORM 96-79
Quelle¹⁾	Kurzname	Werkstoffnummer	Kurzname	Grad der Übereinstimmung²⁾	Kurzname	Grad der Übereinstimmung²⁾
Unlegierte Kaltarbeitsstähle (Tabelle 2)
DIN 17350	C 45 W	1.1730
DIN 17350	C 60 W	1.1740
DIN 17350	C 70 W 2	1.1620	TC 70	●	CT 70	●
DIN 17350	C 80 W 1	1.1525	TC 80	○	CT 80	●
DIN 17350	C 85 W	1.1830
			TC 90		CT 90
DIN 17350	C 105 W 1	1.1545	TC 105	○	CT105	●
SEL	C 125 W	1.1663	TC 120	○	CT 120	○
SEL	C 135 W	1.1673	TC 140	●
Legierte Kaltarbeitsstähle (Tabelle 3)
DIN 17350	X 210 CrW 12	1.2436	210 CrW 12	○	X 210 CrW 12 1	○
DIN 17350	X 210 Cr 12	1.2080	210 Cr 12	●	X 210 Cr 12	●
DIN 17350	X 165 CrMoV 12	1.2601	160 CrMoV 12	○	X 160 CrMoV 12 1	○
DIN 17350	X 155 CrVMo12 1	1.2379	160 CrMoV 12	○	X 160 CrMoV12	○
SEL	X 100 CrMoV 5 1	1.2363	100 CrMoV 5	○	X 100 CrMoV 5 1	○
SEL	100 V 1	1.2833	TCV 105	○	100 V 2	○
SEL	70 Si 7	1.2823	60 SiMn 2	○	60 SiMn 7	○
DIN 17350	115 CrV 3	1.2210			107 CrV 3	○
DIN 17350	100 Cr 6	1.2067	100 Cr 2	●	102 Cr 6	●
DIN 17350	145 V 33	1.2838
DIN 17350	21 MnCr 5	1.2162
DIN 17350	90 MnCrV 8	1.2842	90 MnV 2	○	90 MnV8	●
DIN 17350	51 CrV 4³⁾	1.2241³⁾	51 CrMnV 1	●	51 CrMnV 4	●
DIN 17350	105 WCr 6	1.2419	105 WCr 1	○	107 WCr 5	○
W 200	145 WCrV 7	1.2542	45 WCrV 2	●	45 WCrV 8	●
			50 WCrV 2
DIN 17350	60 WCrV 7	1.2550	60 WCrV 2	○	55 WCrV 8	○
SEL	100 MnCrW 4	1.2510	95 MnWCr 1	○	95 MnWCr 5	○
SEL	X 6 CrMo 4	1.2341	5 CrMo 4	○	5 CrMo 16	○
					X 5 CrMo 5 1
			7 CrMoNi 2		7 CrNiMo 8
			35 CrMo 2		35 CrMo 8
SEL	X 20 Cr 13	1.2082	20 Cr 13	○	X 21 Cr 13	○
			30 Cr 13		X 31 Cr 13
SEL	X 42 Cr 13	1.2083	40 Cr 13	○	X 41 Cr 13	○
DIN 17350	X 45 NiCrMo 4	1.2767	40 NiCrMoV 4⁴⁾	○	40 NiCrMoV16⁴⁾	○
DIN 17350	X 19 NiCrMo 4	1.2764
DIN 17350	X 36 CrMo 17	1.2316	38 CrMo 15	●	X 38 CrMo 16 1	●
DIN 17350	40 CrMnMoS 8 6	1.2312
			110 CrMo 17		X 102 CrMo 17
Warmarbeitsstähle (Tabelle 4)
SEL	35 NiCrMo 16	1.2766	40 NiCrMoV 4	○	40 NiCrMoV 16	○
DIN 17350	X 45 NiCrMo 4⁵)	1.2767⁵⁾	40 NiCrMoV 4	○	40 NiCrMoV 16	○
DIN 17350	55 NiCrMoV 6	1.2713	55 NiCrMoV 2	○	55 NiCrMoV 7	○
DIN 17350	56 NiCrMoV 7	1.2714	55NiCrMoV 2	●	55 NiCrMoV 7	●
			35 CrMo 2		35 CrMo 8
DIN 17350	X 38 CrMoV 5 1	1.2343	35 CrMoV 5	○	X 37 CrMoV 5 1	○
DIN 17350	X 40 CrMoV 5 1	1.2344	40 CrMoV 5	●	X 40 CrMoV 5 1 1	●
DIN 17350	X 32 CrMoV 3 3	1.2365	30 CrMoV 3	●	30 CrMoV 12 11	●
W 250	X 30 WCrV 5 3	1.2567	30 WCrV 5	○	X 30 WCrV 5 3	○
SEL	X 30 WCrV 9 3	1.2581	30 WCrV 9	○	X 30 WCrV 9 3	○
SEL	X 20 Cr 13	1.2082			X 21 Cr 13	○
SEL	X 22 CrNi 17	1.2787			X 22 CrNi 17	○
SEL	X 15 CrNiSi 25 20	1.2782			X 16 CrNiSi 25 20	●
SEL	X12 NiCrSi 36 16	1.2786			X 13 NiCrSi 35 16	●
Schnellarbeitsstähle (Tabelle 5)
DIN 17350	S 6-5-2	1.3343	HS 6-5-2	○	HS 6-5-2	○
DIN 17350	SC 6-5-2	1.3342
DIN 17350	S 6-5-3	1.3344	HS 6-5-3	●	HS 6-5-3	●
DIN 17350	S 6-5-2-5	1.3243	HS 6-5-2-5	○	HS 6-5-2-5	○
DIN 17350	S 7-4-2-5	1.3246	HS 7-4-2-5	○	HS 7-4-2-5	○
DIN 17350	S 10-4-3-10	1.3207	HS 10-4-3-10	●	HS 10-4-3-10	●
DIN 17350	S 12-1-4-5	1.3202
DIN 17350	S 18-1-2-5	1.3255	HS 18-1-1-5	○	HS 18-1-1-5	○
DIN 17350	S 2-10-1-8	1.3247	HS 2-9-1-8	●	HS 2-9-1-8	●
SEL	S 18-0-1	1.3355	HS 18-0-1	●	HS 18-0-1	●
DIN 17350	S 2-9-2³⁾	1.3348³⁾	HS 2-9-2	●	HS 2-9-2	●
SEL	S 2-9-1	1.3346	HS 1-8-1	●	HS 1-8-1	●
					HS 6-5-4
SEL	S 18-1-2-10	1.3265	HS 18-0-1-10	○	HS 18-0-1-10	○
W 320	S 12-1-4-5	1.3202	HS 12-1-5-5	○	HS 12-1-5-5	○
Werkzeugstähle für besondere Verwendungszwecke (Tabelle 7)
DIN 17350	75 Cr 1	1.2003
DIN 17350	62 SiMnCr 4	1.2101
DIN 17350	31 CrV3	1.2208
DIN 17350	80 CrV 2	1.2235
DIN 17350	51 CrV 4	1.2241	51 CrMnV 1⁶⁾	●	51 CrMnV 4⁶⁾	●
DIN 17350	48 CrMoV 6 7	1.2323
DIN 17350	45 CrMoV 7	1.2328
DIN 17350	X 96 CrMoV 12	1.2376
DIN 17350	110 WCrV 5	1.2519
DIN 17350	60 MnSiCr 4	1.2826
DIN 17350	S 3-3-2	1.3333
DIN 17350	S 2-9-2	1.3348	HS 2-9-2	●	HS 2-9-2	●
¹⁾ DIN 17350 = enthalten in DIN 17350 - Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen -; W 200 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 200 -69 - Legierte Kaltarbeitsstähle -; W 250 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 250 - 70 - Warmarbeitsstähle -; W 320 = enthalten im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 320 - 69 - Schnellarbeitsstähle -; SEL = enthalten in Stahl-Eisen-Liste, 6. Auflage 1977. ²⁾ In dieser Spalte ist der Grad der Übereinstimmung in der chemischen Zusammensetzung der deutschen Werkzeugstähle einerseits und der Stähle nach ISO/DIS 4957 - Werkzeugstähle - bzw. nach EURONORM 96 - Werkzeugstähle; Technische Lieferbedingungen - andererseits gekennzeichnet. Es bedeuten: ● = geringfügige Abweichungen, ○ = nicht unwesentliche Abweichungen. ³⁾ Dieser Stahl ist in Tabelle 7 - Werkzeugstähle für besondere Verwendungszwecke - aufgeführt. ⁴⁾ Dieser Stahl wird in ISO/DIS 4957 bzw. in EURONORM 96 unter den Warmarbeitsstählen aufgeführt. ⁵⁾ Dieser Stahl wird in DIN 17350 unter den legierten Kaltarbeitsstählen aufgeführt. ⁶⁾ Dieser Stahl wird in ISO/DIS 4957 bzw. in EURONORM 96 unter den legierten Kaltarbeitsstählen aufgeführt.

Eigenschaften

Werkzeugstähle weisen eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften auf. Abhängig vom Einsatzfall muss ein Werkzeugstahl gewählt werden, dessen Eigenschaften allen gegebenen Randbedingungen genügt. Dieser Auswahlprozess kann sehr zeitaufwendig sein, wenn beispielsweise diametral verlaufende Eigenschaften, unter anderem hohe Härte bei gleichzeitig hoher Zähigkeit, benötigt werden. In diesem Fall muss abgewägt werden, welche Eigenschaft die Werkzeuglebensdauer wesentlicher beeinflusst.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige der wichtigsten Eigenschaften von Werkzeugstählen aufgeführt. Insbesondere die Zugfestigkeit bezieht sich auf Werte im vergüteten Zustand von Werkzeugstählen.

Eigenschaft	Einheit	Wertebereich (ca.)
Zugfestigkeit	Megapascal (MPa)	800 – 1500
E-Modul	MPa	210.000 – 246.000^[1]
Maximale Arbeitshärte	Härte Rockwell Skala C (HRC)	40 – 72^[2]
Kerbschlagzähigkeit	Joule (J)
Maximale Oberflächentemperatur	Grad Celsius (°C)	bis zu 615^[3]
Korrosionsbeständigkeit	mm/Jahr	0,001 – über 1
Verschleißfestigkeit	---	---

Neben diesen Kriterien existieren noch weitere. So ist beispielsweise die Zerspanbarkeit im Lieferzustand (Siehe Zerspanbarkeit von Stahl) bei manchen Anwendungsfällen ein wesentlicher Aspekt der Stahlauswahl. Um einen möglichst geeigneten Werkzeugstahl für ein Werkzeug auf Basis mehrerer Kriterien zu finden, werden Computerprogramme eingesetzt.

Einstellung der Eigenschaften

Bei vielen Werkzeugstählen können die Eigenschaften durch eine geeignete Wärmebehandlung den Erfordernissen des Einsatzes angepasst werden. Die am häufigsten eingesetzte Wärmebehandlung stellt das Vergüten dar. Abhängig vom Anwendungsfall kann beispielsweise eine hohe Härte notwendig und gleichzeitig die Zähigkeit nur zu einem sehr geringen Teil relevant sein. Somit kann der Werkstoff nahe bzw. bei maximaler Einsatzhärte betrieben werden. Die maximal sinnvolle Härte ist in der Regel in den Datenblättern zu den einzelnen Werkstoffen angegeben. Ein Beispiel hierfür ist ein Datenblatt von erasteel.com. Es ist deutlich zu erkennen, wie mit steigender Härte die Zähigkeit abnimmt.^[4]

Reicht die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffs nicht aus, so kann diese durch weitere Maßnahmen erhöht werden. Dies sind unter anderem:

das Aufbringen einer verschleißmindernden Schicht, unter anderem CVD-Schicht, PVD-Schicht, DLC-Schicht etc. und
das Ändern der Stoffeigenschaften, beispielsweise durch Nitrieren.

Bei allen Verfahren ist unbedingt darauf zu achten, dass die Verfahrentemperatur nicht oberhalb der zuvor gewählten Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs, in diesem Fall Werkzeugstahl, liegt, da es ansonsten zu einem Härte- bzw. Festigkeitsverlust kommt und so das hergestellte Bauteil unter Umständen den im Einsatz auftretenden Beanspruchungen nicht oder nicht ausreichend lange widerstehen kann.

Unterscheidungsmöglichkeiten

Werkzeugstähle lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten charakterisieren. Zum einen kann nach der Zusammensetzung unterschieden werden und zum anderen nach dem Temperaturbereich, welcher im Einsatz eingehalten werden sollte. In Bezug auf die Zusammensetzung werden die Werkzeugstähle in unlegierte und legierte Stähle eingeteilt. Hinsichtlich des Temperaturbereichs wird zwischen Kalt- und Warmarbeitsstählen differenziert. Eine Sonderklasse der Warmarbeitsstähle sind die sogenannten Schnellarbeitsstähle. Weiterhin kann eine Einteilung hinsichtlich des Einsatzbereiches erfolgen.

Einsatzgebiete

Werkzeugstähle werden für eine Vielzahl an Anwendungen eingesetzt. Abhängig von den Eigenschaften des Werkstoffs kommen die nachfolgend aufgeführte Einsatzgebiete in Betracht. Werkzeugstähle werden vorwiegend zur Herstellung von Aktivelementen von Werkzeugen, beispielsweise Stempel und Matrize, verwendet. Die Aufteilung in der folgenden Tabelle orientiert sich an der DIN 8580 (Fertigungsverfahren).

Umformverfahren	Beispielhaftes Verfahren	Aktivelemente
Druckumformen	Walzen, Fließpressen, Strangpressen	Walzen, Stempel, Matrize, Armierungsring
Zugdruckumformen	Durchziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen	Ziehstein, Stempel, Matrize, Niederhalter
Zugumformen	Tiefen, Längen, Weiten	Stempel, Matrize
Biegeumformen	Freies Biegen, Gesenkbiegen, Walzprofilieren	Gesenk, Walzen, Biegeschwert
Schubumformen	Verdrehen, Verschieben	Matrize

Legierte Werkzeugstähle

Legierungselemente

Die Hauptlegierungselemente von Werkzeugstählen neben Kohlenstoff können der folgenden Tabelle entnommen werden. Je nach Anforderungsprofil an den Stahl werden verschiedene Legierungselemente der Stahlzusammensetzung hinzugefügt.

Element	Beeinflussung Eigenschaft
	Positiv	Negativ
Chrom (Cr)	Härtbarkeit, Korrosionsbeständigkeit	Kerbschlagzähigkeit, Schweißbarkeit
Kobalt (Co)	Warmfestigkeit, Anlasssprödigkeit	---
Mangan (Mn)	Härtbarkeit, Streckgrenze, Zugfestigkeit,	Wärmeausdehnung
Molybdän (Mo)	Härtbarkeit, Anlasssprödigkeit, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Warmfestigkeit	Zunderbeständigkeit
Nickel (Ni)	Streckgrenze, Kerbzähigkeit, Zähigkeit, Temperaturausdehnung	---
Stickstoff (N)	Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit, Kaltverfestigung, Festigkeit	Blausprödigkeit, Alterungsempfindlichkeit
Vanadium (V)	Verschleißwiderstand, Warmfestigkeit, Anlassbeständigkeit	---
Wolfram (W)	Zugfestigkeit, Streckgrenze, Zähigkeit, Warmfestigkeit, Verschleißbeständigkeit	---

Kaltarbeitsstähle

Kaltarbeitsstähle werden in der Regel genutzt, wenn während des Einsatzes die Temperatur an der Oberfläche 200 °C nicht übersteigt. Wird diese Temperatur überschritten, so kommt es in aller Regel zu einem Härteabfall, da Kaltarbeitsstähle nur eine sehr geringe Anlassbeständigkeit aufweisen. Kaltarbeitsstähle können sowohl legierte als auch unlegierte Werkzeugstähle sein. In der nachfolgenden Tabelle sind un-, niedrig- und hochlegierte Kaltarbeitsstähle aufgeführt.

Bezeichnung	Werkstoffnummer	Klasse
C 45 W	1.1730	Unlegiert
C 85 W	1.1830	Unlegiert
90 MnCrV 8	1.2842	Niedriglegiert
100 Cr 6	1.2067	Niedriglegiert
21 MnCr 5	1.2162	Niedriglegiert
X 210 Cr 12	1.2080	Hochlegiert
X 155 CrVMo 12 1	1.2379	Hochlegiert
X 36 CrMo 17	1.2316	Hochlegiert

Warmarbeitsstähle

Kann während des Einsatzes eine Oberflächentemperatur von mehr als 200 °C auftreten, so ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahles angezeigt. Bei dieser Stahlsorte handelt es sich fast ausschließlich um hochlegierte Stähle um die Anlassbeständigkeit und Warmhärte zu verbessern. Darüber hinaus müssen sie auch bei Temperaturen über 200 °C eine ausreichende Verschleißfestigkeit Warmhärte aufweisen. Warmarbeitsstähle werden insbesondere zur Herstellung von Gesenken zum Schmieden verwendet. Eine Auswahl an Warmarbeitsstählen ist in der anschließenden Tabelle aufgeführt.

Bezeichnung	Werkstoffnummer	Klasse
X38 CrMoV 5 1	1.2343	Hochlegiert
X40 CrMoV 5 1	1.2344	Hochlegiert
X32 CrMoV 3 3	1.2365	Hochlegiert

Eine Sonderklasse der Warmarbeitsstähle stellen die so genannten Schnellarbeitsstähle („HSS“) dar.

Unlegierte Werkzeugstähle

Der Kohlenstoffanteil unlegierter Werkzeugstähle liegt zwischen 0,5 % und 1,5 %, oft sind noch geringe Mengen Wolfram enthalten. Durch eine Vergütung wird ihre Oberflächenhärte drastisch erhöht, die Aufhärtbarkeit ist dabei im Wesentlichen vom Kohlenstoffgehalt des Stahls abhängig. Allerdings sind unlegierte Werkzeugstähle nicht durchhärtbar (große kritische Abkühlgeschwindigkeit) und auch nicht für hohe Betriebstemperaturen geeignet, da schon bei ca. 200 °C der temperaturbedingte Härteabfall eintritt. Deswegen fallen die unlegierten Werkzeugstähle in die Kategorie Kaltarbeitsstahl.

Hergestellt werden aus diesem Stahl einfache Schneidplatten und Stempel sowie Zieh- und Biegewerkzeuge.

Beispiele: C85W1 → Werkzeugstahl, Güteklasse 1; C85W2 → Werkzeugstahl, Güteklasse 2

Weblinks

Wiktionary: Werkzeugstahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Vergleichsmöglichkeit verschiedener Werkzeugstähle auf Basis ihrer Eigenschaften

Einzelnachweise

↑ Johannes Noneder: Beanspruchungserfassung für die Validierung von FE-Modellen zur Auslegung von Massivumformwerkzeugen. In: Fertigungstechnik Erlangen. Nr. 255, Meisenbach, Bamberg, 2014, ISBN 978-3-87525-371-9
↑ Crucible Industries: CPM® REX® 121(HS)* High hardness high vanadium cobalt high speed steel, abgerufen am 7. Januar 2017
↑ Böhler-Uddeholm:Warmarbeitsstahl (PDF, 0,94 MB) (Memento vom 22. April 2014 im Internet Archive), abgerufen am 7. Januar 2017
↑ ASP®2015. (PDF) erasteel.com, abgerufen am 12. November 2019 (englisch).

[1] Johannes Noneder: Beanspruchungserfassung für die Validierung von FE-Modellen zur Auslegung von Massivumformwerkzeugen. In: Fertigungstechnik Erlangen. Nr. 255, Meisenbach, Bamberg, 2014, ISBN 978-3-87525-371-9

[2] Crucible Industries: CPM® REX® 121(HS)* High hardness high vanadium cobalt high speed steel, abgerufen am 7. Januar 2017

[3] Böhler-Uddeholm:Warmarbeitsstahl (PDF, 0,94 MB) (Memento vom 22. April 2014 im Internet Archive), abgerufen am 7. Januar 2017

[4] ASP®2015. (PDF) erasteel.com, abgerufen am 12. November 2019 (englisch).

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