Freischneidestahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

Freischneidstahl ist eine Stahlkategorie, die speziell für verbesserte Zerspanbarkeit entwickelt wurde und sich somit ideal für Anwendungen mit Hochgeschwindigkeitsspannungsbearbeitung eignet. Diese Stahlgüte wird hauptsächlich als niedriglegierter Kohlenstoffstahl klassifiziert, mit einer bemerkenswerten Aufnahme von Schwefel und Phosphor als Legierungsbestandteile, die ihre Schneideigenschaften erheblich verbessern. Die Hauptlegierungsbestandteile in Freischneidstahl sind:

• Schwefel (S): Verbessert die Zerspanbarkeit, indem er das Spanbrechen fördert und den Werkzeugverschleiß reduziert.
• Phosphor (P): Verbessert die Festigkeit und Härte, kann aber auch die Verformbarkeit beeinträchtigen.
• Blei (Pb): Oft hinzugefügt, um die Zerspanbarkeit weiter zu verbessern, obwohl seine Verwendung in vielen Regionen durch gesetzliche Bestimmungen eingeschränkt ist.

Eigenschaften und Merkmale

Freischneidstähle zeichnen sich durch ihre hervorragende Zerspanbarkeit aus, die schnellere Schnittgeschwindigkeiten und eine längere Werkzeuglebensdauer ermöglicht. Sie weisen typischerweise eine gute Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit auf, was sie für Präzisionsbauteile geeignet macht. Allerdings können sie im Vergleich zu anderen Stahlgüten eine geringere Zähigkeit und Verformbarkeit aufweisen, was ihre Verwendung in bestimmten strukturellen Anwendungen einschränken kann.

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile	Einschränkungen
Hervorragende Zerspanbarkeit	Niedrigere Zähigkeit im Vergleich zu anderen Stählen
Gute Oberflächenqualität	Begrenzte Schweißbarkeit
Fähigkeit zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung	Kann spezielle Handhabung aufgrund des Bleigehalts erfordern
Kosteneffektiv für die Massenproduktion	Nicht geeignet für Hochbelastungsanwendungen

Freischneidstähle haben aufgrund ihrer weitverbreiteten Verwendung in der Herstellung von Präzisionsteilen, wie Befestigungen, Zahnrädern und Wellen, eine bedeutende Position auf dem Markt. Historisch gesehen waren diese Stähle entscheidend für die Entwicklung automatisierter Bearbeitungsprozesse, die höhere Produktionsraten und Effizienz ermöglichen.

Alternative Namen, Standards und Entsprechungen

Standardorganisation	Bezeichnung/Güte	Land/Region Herkunft	Hinweise/Anmerkungen
UNS	C12L14	USA	Näheste Entsprechung zu AISI 1212
AISI/SAE	1212	USA	Gute Zerspanbarkeit, geringer Kohlenstoffgehalt
ASTM	A108	USA	Standardbeschreibung für kaltbearbeitete Stahlstangen
EN	1.0718	Europa	Entspricht AISI 1212 mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
JIS	S12C	Japan	Ähnliche Eigenschaften, jedoch mit regionalen Variationen

Die Unterschiede zwischen diesen Güten liegen oft in ihren spezifischen Zusammensetzungen und Verarbeitungsmethoden, die die Leistung in der Bearbeitung und die mechanischen Eigenschaften beeinflussen können. Zum Beispiel sind AISI 1212 und C12L14 zwar ähnlich, jedoch kann das Vorhandensein von Blei in C12L14 die Zerspanbarkeit verbessern, könnte aber auch Umweltbedenken hervorrufen.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
Kohlenstoff (C)	0.08 - 0.15
Mangan (Mn)	0.30 - 0.60
Phosphor (P)	0.05 - 0.15
Schwefel (S)	0.15 - 0.35
Blei (Pb)	0.15 - 0.35

Die Hauptrolle von Schwefel in Freischneidstahl besteht darin, die Zerspanbarkeit zu verbessern, indem er die Spanbildung während der Bearbeitungsprozesse fördert. Mangan trägt zur Festigkeit und Härte bei, während Phosphor den Verschleißwiderstand verbessern kann, aber die Verformbarkeit verringern kann. Blei, wenn vorhanden, verbessert die Zerspanbarkeit erheblich, unterliegt jedoch strengen rechtlichen Kontrollen.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Prüftemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für die Prüfmethodik
Zugfestigkeit	Glühen	Raumtemp	450 - 600 MPa	65 - 87 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2% Versatz)	Glühen	Raumtemp	250 - 350 MPa	36 - 51 ksi	ASTM E8
Elongation	Glühen	Raumtemp	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Härte (Brinell)	Glühen	Raumtemp	120 - 160 HB	120 - 160 HB	ASTM E10
Schlagzähigkeit	Charpy (20°C)	20°C	20 - 30 J	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht Freischneidstahl geeignet für Anwendungen, die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Präzision erfordern. Seine relativ niedrige Streckgrenze und hohe Dehnung ermöglichen eine einfache Verformung während der Bearbeitung, während seine Härte für Langlebigkeit sorgt.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	Raumtemp	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmewiderstand	Raumtemp	50 W/m·K	29 BTU·in/hr·ft²·°F
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemp	460 J/kg·K	0.11 BTU/lb·°F

Die Dichte von Freischneidstahl trägt zu seinem Gesamtgewicht und seiner Festigkeit bei, während sein Schmelzpunkt die Eignung für Hochtemperatureinsätze anzeigt. Die Wärmeleitfähigkeit ist für Bearbeitungsprozesse erheblich, da sie die Wärmeabfuhr während des Schneidens beeinflusst.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C)	Widerstandseinstufung	Anmerkungen
Chloride	3 - 10	20 - 60	Ausreichend	Risiko von Lochkorrosion
Säuren	5 - 20	20 - 40	Schlecht	Nicht empfohlen
Alkalisch	1 - 5	20 - 60	Gut	Mittlerer Widerstand

Freischneidstahl zeigt allgemein eine moderate Korrosionsbeständigkeit. Er ist anfällig für Lochkorrosion in Chloridumgebungen und hat eine schlechte Beständigkeit gegen saure Bedingungen. Im Vergleich zu rostfreien Stählen, wie AISI 304, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bieten, sind Freischneidstähle weniger für Anwendungen geeignet, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Anmerkungen
Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur	300 °C	572 °F	Begrenzt durch Oxidationsbeständigkeit
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	400 °C	752 °F	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	600 °C	1112 °F	Risiko der Skalierung über dieser Temperatur

Bei erhöhten Temperaturen kann Freischneidstahl oxidieren, was seine mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen kann. Er wird nicht für Anwendungen empfohlen, die längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Verarbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißprozess	Empfohlener Zusatzwerkstoff (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flux	Anmerkungen
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Vorwärmen empfohlen
TIG	ER70S-2	Argon	Benötigt Nachwärmebehandlung

Freischneidstähle werden aufgrund ihres hohen Schwefelgehalts im Allgemeinen nicht zum Schweißen empfohlen, da dieser zu Rissbildung führen kann. Vorwärmen und Nachwärmebehandlung können einige Probleme mildern, doch muss darauf geachtet werden, Mängel zu vermeiden.

Zerspanbarkeit

Bearbeitungsparameter	[Freischneidstahl]	[AISI 1212]	Hinweise/Tipps
Relativer Zerspanbarkeitsindex	100	80	Freischneidstahl ist leichter zu bearbeiten
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	80 m/min	60 m/min	Höhere Geschwindigkeiten für Freischneidstahl

Freischneidstähle sind für eine hohe Zerspanbarkeit ausgelegt, die schnellere Schnittgeschwindigkeiten und verringerte Werkzeugabnutzung ermöglicht. Dies macht sie ideal für die Massenproduktion von Präzisionsbauteilen.

Formbarkeit

Freischneidstähle zeigen eine moderate Formbarkeit, die kalte und warme Umformprozesse ermöglicht. Ihre Kaltverfestigungseigenschaften können jedoch das Maß an Verformung ohne Rissbildung einschränken. Biegeradien sollten sorgfältig berücksichtigt werden, um Versagen während der Formgebung zu vermeiden.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primärer Zweck/Erwartetes Ergebnis
Glühen	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Weichmachen, Verbesserung der Zerspanbarkeit
Härten	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 Minuten	Öl	Härten, Festigkeitssteigerung

Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen und Härten können die Mikrostruktur von Freischneidstahl erheblich verändern, wodurch seine Zerspanbarkeit und mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Während des Glühens wird der Stahl weicher, während das Härten die Härte erhöht, aber die Verformbarkeit verringern kann.

Typische Anwendungen und Endnutzung

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl
Automobil	Motorenteile	Hohe Zerspanbarkeit, gute Oberflächenqualität	Präzisionsfertigung
Luftfahrt	Befestigungen	Festigkeit, Maßgenauigkeit	Leicht und langlebig
Maschinenbau	Zahnräder	Verschleißfestigkeit, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung	Effizienz in der Produktion

• Befestigungen für Automobil- und Maschinenanwendungen
• Präzisionsbauteile in der Luftfahrt
• Zahnräder und Wellen in verschiedenen mechanischen Systemen

Freischneidstahl wird für diese Anwendungen aufgrund seiner hervorragenden Zerspanbarkeit und seiner Fähigkeit, qualitativ hochwertige Bauteile mit engen Toleranzen zu produzieren, ausgewählt.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	[Freischneidstahl]	[AISI 4140]	[AISI 1018]	Kurze Pro-/Kontra- oder Trade-off-Anmerkung
Wichtige mechanische Eigenschaft	Moderat Festigkeit	Hohe Festigkeit	Geringe Festigkeit	Kompromiss zwischen Festigkeit und Zerspanbarkeit
Wichtiger Korrosionsaspekt	Ausreichend	Gut	Schlecht	Freischneidstahl ist weniger korrosionsbeständig
Schweißbarkeit	Schlecht	Gut	Ausreichend	Alternativen für geschweißte Anwendungen in Betracht ziehen
Zerspanbarkeit	Exzellent	Moderat	Gut	Beste Wahl für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Ungefährer relativer Preis	Moderat	Höher	Niedriger	Kosteneffektivität in der Massenproduktion
Typische Verfügbarkeit	Hoch	Moderat	Hoch	Leicht verfügbar für Bearbeitungsbedürfnisse

Bei der Auswahl von Freischneidstahl sollten Überlegungen zur Kosteneffektivität, Verfügbarkeit und den spezifischen mechanischen Eigenschaften, die für die Anwendung erforderlich sind, angestellt werden. Während er in der Zerspanbarkeit überlegt, müssen seine Einschränkungen in der Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen die Anforderungen der beabsichtigten Nutzung abgewogen werden. Darüber hinaus sollten Sicherheits- und Umweltvorschriften hinsichtlich des Bleigehalts in den Auswahlprozess einbezogen werden.