Tool steel

Metallographische Präparation von hochlegiertem Werkzeugstahl

Die Zahl der hochlegierten Werkzeugstähle, die ganz auf kundenspezifische Anwendungen abgestimmt sind, wächst stetig. Für die Qualitätssicherung bedeutet dies, dass die metallographische Präparation und Analyse von hochlegiertem Werkzeugstahl einen immer größer werdenden Anteil ihrer Zeit beansprucht. Was gilt es bei der metallographischen Präparation und Analyse von hochlegiertem Werkzeugstahl besonders zu beachten?

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Die wichtigsten Eigenschaften von hochlegiertem Werkzeugstahl

Stähle lassen sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung grob in drei Kategorien einteilen:
  • Kohlenstoffstähle
  • Niedriglegierte Stähle mit einem geringen Anteil an Legierungselementen
  • Hochlegierte Stähle mit >6 % Legierungselementen

Werkzeugstahl ist ein hochlegierter Stahl mit einem hohen Anteil an Legierungselementen, wie Chrom, Nickel, Vanadium, Wolfram oder Molybdän. Diese Legierungselemente verleihen dem Stahl eine höhere Verschleißfestigkeit, Zähigkeit, Festigkeit oder Härte – oder bestimmte Eigenschaften, wie Korrosions- und Wärmebeständigkeit, Härtebeständigkeit bei hohen Temperaturen, Festigkeitsbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen usw.

Metallographische Analyse bei der Fertigung von hochlegiertem Werkzeugstahl

Bei der Fertigung von hochlegiertem Werkzeugstahl ist die metallographische Analyse unverzichtbar, um hohe Qualität zu gewährleisten. Die metallographische Analyse von hochlegiertem Werkzeugstahl dient in erster Linie folgenden Zwecken:
  • Bestimmung der Verteilung und Größe von Karbiden im Werkzeugstahl
  • Bestimmung von Randentkohlung bei gehärteten und vergüteten Stählen
  • Erkennung von Mikroseigerungen und Bestimmung des Reinheitsgrades

Werkzeugstahl
Abb. 1: Kunststoffformenstahl, geätzt mit 5%iger Pikrinsäure; bei hoher Vergrößerung sind in dem ansonsten amorphen Martensit einzelne Nadeln und Plättchen zu erkennen (Vergrößerung: 1000x, DIC)

Problemlösung bei der metallographischen Präparation von hochlegierten Werkzeugstählen

Vermeidung thermischer Beschädigung
Da Wärmebehandelbarkeit bei hochlegierten Werkzeugstählen eines der Qualitätskriterien ist, müssen Wärmeeinflüsse beim Trennen vermieden werden, um die Darstellung des wahren Gefüges sicherzustellen. Beim Trennen größerer Blöcke muss dieser Schritt der Präparation mit größter Sorgfalt durchgeführt werden.

Werkzeugstahl
Abb. 2: Thermische Beschädigung aufgrund ungeeigneter Trennbedingungen 

Erhaltung von Karbiden und Einschlüssen
Die größte Herausforderung beim Schleifen und Polieren von hochlegierten Werkzeugstählen ist der Erhalt von Karbiden und nichtmetallischen Einschlüssen. Die Primärkarbide in Kaltarbeitsstahl sind sehr groß und zerbrechen sehr leicht während des Schleifens. Im geglühten Zustand sind die Sekundärkarbide sehr fein und können leicht aus der weichen Matrix gerissen werden.

Werkzeugstahl
Abb. 3: Zerbrochene Primärkarbide (Vergrößerung: 200x) 


Verarbeitung von hochlegierten Werkzeugstählen mit hohem Durchsatz
Die Qualitätssicherung von hochlegierten Werkzeugstählen während der Fertigung verlangt aufgrund der Verarbeitung hoher Probendurchsätze eine hocheffiziente Organisation des Arbeitsablaufs, die Automatisierung der Ausrüstung und standardisierte Verfahren.

 

Empfehlungen für das Trennen und Einbetten von hochlegierten Werkzeugstählen


Trennen

Die meisten Proben aus hochlegiertem Werkzeugstahl werden grobmechanisch von Brammen und anderen Produkten eines Blockwalzwerks in Standardgrößen abgetrennt. Wichtige Trennschnitte bei Proben für die Untersuchung der Wärmebeständigkeit oder Fehleranalyse werden immer mit einer metallographischen Trennmaschine durchgeführt.

Hochlegierte Werkzeugstähle sind thermischer Beschädigung gegenüber ausgesprochen empfindlich:
  • Deswegen muss die passende Trennscheibe mit großer Sorgfalt ausgewählt werden.
  • Beim Trennen ist auf eine ausreichende Kühlung zu achten, um thermische Beschädigungen zu vermeiden.
  • Weiche Aluminiumoxidscheiben oder kunstharzgebundene Bornitridscheiben werden zum Trennen empfohlen.
Einbetten

Proben aus hochlegiertem Werkzeugstahl können nicht eingebettet, kalt- oder warmeingebettet untersucht werden.
  • Oberflächenbehandelte Proben, bei denen eine gute Randschärfe erforderlich ist, sollten mit einem faserverstärkten Einbettmittel (DuroFast) warmeingebettet werden.
  • Proben, bei denen eine gute Randschärfe weniger wichtig ist, können nicht eingebettet untersucht werden, wenn ihre Abmessungen das Einspannen in einen Probenhalter zulassen.
  • Bei der Arbeit mit hohen Durchsätzen sind standardisierte Probengrößen vorteilhaft. In diesem Fall sind rechteckige Einbettformen aus Silikonkautschuk (FlexiForm) empfehlenswert. Wichtig ist auch die Wahl eines Kalteinbettmittels mit geringer Schrumpfung, um Reinigung und Ätzung zu vereinfachen.
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