SNAP Werkzeug zum Anfasen der Vorder- und Rückseite von Bohrungen in einem Durchgang

Eigenschaften von Metallen: Der Leitfaden für die Zerspanung

In diesem umfassenden Artikel erklären wir Ihnen alle wichtigen Eigenschaften von Metallen aus der Perspektive der Zerspanung und mechanischen Bearbeitung. Sie erfahren, was Metalle auszeichnet, wie ihr Aufbau ihre Bearbeitbarkeit bestimmt und welche Herausforderungen und Funktionen sich daraus für die Industrie ergeben. Dieses Grundwissen ist entscheidend für einen prozesssicheren und effizienten Fertigungsprozess.
COFA Werkzeug entgratet Bohrungskante an Metallblock im CNC-Bearbeitungsraum

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Grundlagen: Metalle sind chemische Elemente mit charakteristischen Eigenschaften, die ihre Zerspanbarkeit massgeblich beeinflussen. Etwa 80% aller Elemente im Periodensystem sind Metalle.
  • Aufbau: Das Metallgitter mit frei beweglichen Elektronen (Elektronengas) ist verantwortlich für die typischen Eigenschaften der Metalle wie die Verformbarkeit. Diese bestimmt massgeblich die Span- und Gratbildung während der Bearbeitung. Die Metallbindung hält die positiv geladenen Atomrümpfe zusammen.
  • Relevanz für die Zerspanung: Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemische Reaktivität bestimmen Werkzeugverschleiss, Schnittparameter und die erreichbare Oberflächengüte. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist der Schlüssel zur Optimierung jedes Fertigungsprozesses und der Bearbeitung mit den richtigen Werkzeugen.

Was sind Metalle? Definition und Grundlagen

Metalle bilden den Grossteil der chemischen Elemente und befinden sich im Periodensystem auf der linken Seite und unterhalb der Trennungslinie von Bor bis Polonium. Diese Gruppe umfasst etwa 80% aller bekannten Elemente und spielt eine zentrale Rolle in der modernen Fertigung. Von Bauteilen aus Aluminium im Leichtbau über Kupfer-Komponenten in der Elektrotechnik bis zu hochfesten Stahl-Trägern – Metalle sind überall präsent.

 

Der Begriff "Metall" leitet sich vom griechischen "metallon" ab, was "Bergwerk" oder "Mine" bedeutet. Diese Materialien zeichnen sich durch spezifische physikalische und chemische Eigenschaften aus, die sie von Nichtmetallen und Halbmetallen deutlich unterscheiden. Im Periodensystem bilden sie eine klar abgegrenzte Gruppe, wobei der Übergang zu den Halbmetallen fliessend verläuft.

Metallgitter mit Elektronen und Elektronengas

Aufbau von Metallen: Das Metallgitter als Schlüssel zur Zerspanbarkeit

Der besondere Aufbau des Metallgitters erklärt alle charakteristischen Eigenschaften der Metalle. In dieser Struktur sind positiv geladene Atomrümpfe regelmässig angeordnet, während sich die Valenzelektronen als sogenanntes "Elektronengas" frei zwischen den Atomen bewegen können. Diese frei beweglichen Elektronen sind der Schlüssel zum Verständnis der Metallphysik und der Bearbeitbarkeit.

 

Die Metallbindung entsteht durch die elektrostatische Anziehung zwischen den positiven Atomrümpfen und dem negativ geladenen Elektronengas. Dieser Zusammenhalt sorgt für die mechanische Stabilität, während die Beweglichkeit der Elektronen und die Gitterstruktur die einzigartigen Funktionen und das Verhalten unter Krafteinwirkung bestimmen.

 

Materialien mit höherer Duktilität wie Kupfer oder Aluminium erfordern speziell angepasste Werkzeuge, um die Herausforderungen der Gratbildung und der Aufbauschneidenbildung zu meistern. Unsere Werkzeuge sind so konzipiert, dass sie für diese Materialien höchste Präzision und Langlebigkeit bieten.

Für die Zerspanung relevante physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften der Metalle ergeben sich direkt aus ihrem atomaren Aufbau. Für die Zerspanung sind jedoch nicht alle Eigenschaften gleichermassen relevant.

 

Verformbarkeit (Duktilität) und Spanbildung

Die Biegsamkeit und Verformbarkeit von Metallen ist eine der wichtigsten Eigenschaften für die Zerspanung. Sie resultiert aus der besonderen Art der Metallbindung. Bei mechanischer Belastung durch eine Werkzeugschneide können die Atomschichten im Metallgitter gegeneinander verschoben werden, ohne dass die Bindung bricht.

 

  • Zähe Werkstoffe (z.B. Kupfer, rostfreier Stahl): Die hohe Verformbarkeit führt zur Bildung von langen Fliessspänen und einem ausgeprägten Grat. Dies stellt hohe Anforderungen an die Prozessführung. Durch die Verwendung von Werkzeugen, die speziell für diese Anwendungen angepasst sind, lassen sich diese Späne effizient abführen, bspw. durch Entgrater von HEULE. 
  • Spröde Werkstoffe (z.B. Gusseisen): Eine geringere Verformbarkeit führt zu kurzen Bruchspänen und geringerer Gratbildung.
  • Gold (Au) ist das Paradebeispiel für extreme Verformbarkeit und lässt sich zu hauchdünnen Blättern auswalzen.

Härte und mechanische Eigenschaften

Die Härte von Metallen bestimmt massgeblich den Werkzeugverschleiss und die notwendigen Schnittkräfte. Während reines Aluminium relativ weich ist, erreichen gehärtete Legierungen wie Chrom-Vanadium-Stahl oder Chrom-Nickel-Stahl extreme Härtegrade. Zugfestigkeit und Streckgrenze sind entscheidende Kennwerte, die definieren, wie ein Material auf die Krafteinwirkung der Werkzeugschneide reagiert.

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Wärmeleitfähigkeit

Eng verbunden mit der elektrischen Leitfähigkeit ist die Fähigkeit von Metallen, Wärme zu leiten. Diese Eigenschaft ist in der Zerspanung kritisch:

 

  • Gute Wärmeleiter (z.B. Aluminium, Kupfer): Die Prozesswärme wird schnell vom Werkzeug weg in den Span und das Werkstück abgeleitet.
  • Schlechte Wärmeleiter (z.B. Titan, rostfreier Stahl): Die Hitze konzentriert sich an der Schneidkante des Werkzeugs, was zu extrem hohem Verschleiss führt. Eine gezielte Kühlung ist hier unerlässlich.

Chemische Eigenschaften und ihr Einfluss auf die Bearbeitung

Chemisch neigen Metalle dazu, Elektronen abzugeben. Diese Reaktivität hat direkte Auswirkungen auf die Zerspanung.

 

Unedle Metalle wie Eisen, Zink oder Aluminium reagieren leicht mit anderen Stoffen. Bei der Bearbeitung von Aluminium kann dies zur Bildung von Aufbauschneiden führen, bei denen sich Material auf der Werkzeugschneide festschweisst.

 

Edelmetalle wie Gold oder Platin zeigen eine sehr geringe Reaktivität. Sie neigen weniger zu chemischen Reaktionen mit dem Werkzeugmaterial. Während extrem reaktive Elemente wie Natrium (Na 2 war hier wahrscheinlich ein Typo für Na) in reiner Form keine Rolle in der Zerspanung spielen, ist die Reaktivitätsskala entscheidend für die Auswahl von Werkzeugbeschichtungen.

Einteilung der Metalle für die Werkstatt

Die Klassifizierung von Metallen erfolgt nach verschiedenen Kriterien. Für die Praxis ist vor allem die Einteilung nach Dichte und Korrosionsbeständigkeit relevant.

 

Leichtmetalle vs. Schwermetalle

Als Grenzwert gilt eine Dichte von 5 g/cm³.

 

  • Leichtmetalle: Aluminium (2,7 g/cm³), Magnesium (1,74 g/cm³) und Titan (4,5 g/cm³) sind typische Vertreter. Sie sind oft gut zerspanbar, können aber spezifische Herausforderungen wie eine hohe Wärmedehnung (Aluminium) oder eine geringe Wärmeleitfähigkeit (Titan) aufweisen.
  • Schwermetalle: Blei (11,34 g/cm³), Kupfer (8,96 g/cm³) oder Gold (19,32 g/cm³). Ihre hohe Dichte beeinflusst die Handhabung, aber ihre Zerspaneigenschaften werden durch andere Faktoren bestimmt.

Edelmetalle vs. unedle Metalle

Diese Einteilung nach Korrosionsbeständigkeit korreliert oft mit der chemischen Reaktivität während der Bearbeitung.

 

  • Edelmetalle: Gold, Silber, Platin. Sie sind meist weich, zäh und neigen zur Bildung starker Grate.
  • Unedle Metalle: Eisen, Zink, Aluminium. Ihre Neigung zur Oxidation ist für die Zerspanung weniger relevant als ihre Tendenz zu chemischen Reaktionen unter Druck und Temperatur an der Schneide.
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Legierungen: Gezielte Anpassung der Bearbeitungseigenschaften

Legierungen entstehen durch die Mischung verschiedener Metalle oder durch Zugabe von Nichtmetallen. Diese Zusammensetzung ermöglicht es, die Eigenschaften gezielt für bestimmte Anwendungen und für eine bessere Zerspanbarkeit anzupassen.

 

  • Stahl: Entsteht durch die Zugabe von Kohlenstoff zu Eisen. Die Herstellung unterschiedlicher Sorten ist der Haupt-Anwendungsfall.
  • Chrom-Nickel-Stahl (rostfreier Stahl): Kombiniert Korrosionsbeständigkeit mit hoher Zähigkeit, ist aber aufgrund schlechter Wärmeleitfähigkeit schwer zerspanbar.
  • Chrom-Vanadium-Stahl: Wird für Werkzeuge verwendet und kombiniert hohe Festigkeit mit Zähigkeit.
  • Automatenstähle: Durch gezielte Modifikationen mit Blei oder Schwefel wird der Spanbruch verbessert, was die Bearbeitung erheblich erleichtert.

Konkrete Metallbeispiele und ihre Zerspaneigenschaften

Die Vielfalt der Metalle zeigt sich in den unterschiedlichen Herausforderungen bei der Bearbeitung.

 

Werkstück Aluminium_Entgraten

Aluminium

Als Leichtmetall ist Aluminium grundsätzlich gut zerspanbar und erlaubt hohe Schnittgeschwindigkeiten.

  • Herausforderung: Es neigt stark zur Bildung von Aufbauschneiden und zur Gratbildung. Die langen Fliessspäne erfordern ein gutes Spanmanagement.
  • Lösung: Sehr scharfe Schneidkanten, polierte Oberflächen am Werkzeug und hohe Schnittgeschwindigkeiten sind erforderlich.
  • Geeignete Werkzeuge: Aluminium lässt sich sehr gut mit allen Systemen von HEULE bearbeiten, so bspw. dem Entgrater COFA, dem Faswerkzeug SNAP oder dem Rückwärtssenker BSF. Dank optimal beschichteter Messer wird das Anhaften reduziert. Kritisch sind stumpfe Werkzeuge – sie führen schnell zu Schmieren und unkontrollierter Gratbildung.
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Kupfer

Kupfer ist nach Silber das Metall mit der besten elektrischen Leitfähigkeit. In der Zerspanung ist es jedoch anspruchsvoll.

  • Herausforderung: Extreme Zähigkeit und Verformbarkeit führen zu langen, zähen Fliessspänen und einer sehr starken Gratbildung, die schwer zu entfernen ist.
  • Lösung: Scharfe Werkzeuge mit spezieller Geometrie sind notwendig, um den Span sauber zu schneiden und die Gratbildung zu minimieren.
  • Geeignete Werkzeuge: Kupfer benötigt sehr scharfe Schneiden und geringe Bearbeitungskräfte. Die Werkzeuge von HEULE für die rückseitige Bohrungsbearbeitung (bspw. COFA, DL2 und DEFA) arbeiten alle mit definierten Schneiden. Sie sind deshalb bestens geeignet, um Werkstücke aus Kupfer zu bearbeiten. 
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Eisen/Stahl

Als häufigstes Gebrauchsmetall bildet Eisen die Grundlage für die verschiedenen Stahl-Sorten.

  • Reines Eisen: Relativ weich und zäh, ähnlich wie Kupfer in der Bearbeitung.
  • Stahl-Legierungen: Die Zerspanbarkeit variiert dramatisch. Unlegierter Baustahl ist gut bearbeitbar, während hochlegierte, rostfreie Stähle (z.B. Chrom-Nickel-Stahl) durch ihre Zähigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit zu den anspruchsvollsten Materialien gehören.
  • Herausforderung: Hohe Schnittkräfte und Wärmeentwicklung führen zu Werkzeugverschleiss und können die Bauteilqualität beeinträchtigen.
  • Lösung: Robuste Schneidstoffe, stabile Prozesse und angepasste Schnittparameter sind entscheidend.
  • Geeignete Werkzeuge: Stahl ist ein idealer Einsatzbereich für die Werkzeuglösungen von HEULE. Die Werkzeuge liefern dank spezifisch beschichteter Messer auch bei hohen Belastungen konstante Entgratungen (COFA, DL2, COFA-X), Fasen (SNAP, DEFA, GH-K) oder Senkungen (BSF, SOLO). Problematisch wären hingegen unbeschichtete Werkzeuge resp. Messer – sie verschleissen schnell und führen zu unsauberen Ergebnissen.
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Titan

Titan ist ein Hochleistungswerkstoff mit sehr hoher Festigkeit bei geringem Gewicht.

  • Herausforderung: Die geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu starker Hitzeentwicklung an der Schneide. Gleichzeitig besteht die Gefahr von Spannungsrissen im Material.
  • Lösung: Sehr hochwertige Schneidstoffe und kontrollierte Schnittbedingungen sind notwendig.
  • Geeignete Werkzeuge: Titan erfordert stabile Werkzeuge mit hoher Schnittkontrolle. COFA sorgt für sicheres Entgraten, SNAP ermöglicht präzises Fasen, während der Rückwärtssenker BSF durch seine Hartmetallschneiden saubere Senkungen auch bei hoher Belastung liefert.
Gussteil_Maschinenbau

Gusseisen

Gusseisen ist ein typischer Gusswerkstoff mit ungleichmässigen Oberflächen und Toleranzen.

  • Herausforderung: Unregelmässige Kanten und Höhenunterschiede erschweren eine gleichmässige Entgratung.
  • Lösung: Werkzeuge müssen flexibel auf Geometrieabweichungen reagieren können.
  • Geeignete Werkzeuge: Hier spielen Systeme mit beweglicher Schneide ihre Stärke aus. Denn das Messer beginnt erst bei Kontakt mit der Bohrungskante mit dem Entgraten. So können beispielsweise Gussteile mit ihren typischen Toleranzschwankungen zuverlässig und mit gleichbleibendem Entgratergebnis bearbeitet werden. Sämtliche HEULE Lösungen, bspw. der Entgrater COFA oder das Faswerkzeug SNAP (siehe Video), sorgen somit für gleichmässige Ergebnisse. Starre Werkzeuge sind ungeeignet, da sie Toleranzen nicht ausgleichen können.
Werkstück_Inconel_Entgraten

Inconel

Inconel gehört zu den anspruchsvollsten Werkstoffen in der Zerspanung.

  • Herausforderung: Extreme Hitzebeständigkeit, hohe Festigkeit und die Bildung langer Späne führen zu schnellem Werkzeugverschleiss.
  • Lösung: Spezielle Schneidstoffe und optimierte Prozessführung sind notwendig.
  • Geeignete Werkzeuge: Inconel verursacht hohen Werkzeugverschleiss und bildet lange Späne. COFA ermöglicht ein prozesssicheres Entgraten auch bei schwierigen Kanten. Für starke Gratbildung ist DEFA ideal, da es speziell für unterbrochene Schnitte ausgelegt ist. SNAP sorgt zusätzlich für saubere, definierte Fasen in einem Arbeitsgang.

Das richtige Werkzeug für jeden Werkstoff

Die Eigenschaften von Metallen bestimmen massgeblich den Erfolg Ihres Bearbeitungsprozesses. Ob Sie zähen Edelstahl, weiches Aluminium oder abrasiven Guss bearbeiten – für jede Herausforderung gibt es eine optimale Werkzeuglösung, um Grate zu entfernen und eine perfekte Oberfläche zu erzielen. 

 

Das Wissen um das Thema Werkstoff ist Bestandteil jeder guten Prozessauslegung. Ein besonderes Augenmerk gilt auch der Arbeitssicherheit, da bei extremen Prozessen wie Hochgeschwindigkeitszerspanung ohne Kühlung lokal sehr hohe Temperaturen entstehen können, die theoretisch zur Bildung von Metalldämpfen führen könnten.

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Häufig gestellte Fragen zu Eigenschaften von Metallen