S5 Werkstoffstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

S5-Werkzeugstahl wird als hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger Werkzeugstahl klassifiziert, der hauptsächlich zur Herstellung von Schneidwerkzeugen und Formen eingesetzt wird. Diese Stahlqualität ist bekannt für ihre ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und die Fähigkeit, die Härte bei höheren Temperaturen aufrechtzuerhalten. Die Hauptlegierungselemente in S5 sind Kohlenstoff (C), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo), die erheblichen Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften und Leistungseigenschaften haben.

Umfassende Übersicht

S5-Werkzeugstahl ist ein vielseitiges Material, das hohe Härte mit guter Zähigkeit kombiniert, wodurch es für verschiedene anspruchsvolle Anwendungen geeignet ist. Der Kohlenstoffgehalt liegt typischerweise zwischen 0,50% und 0,60%, während Chrom und Molybdän hinzugefügt werden, um die Verschleißfestigkeit und die Härtefähigkeit zu verbessern. Die Anwesenheit von Chrom trägt auch zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei, obwohl S5 nicht als rostfreier Stahl klassifiziert wird.

Merkmal	Beschreibung
Härte	Hohe Härte (bis zu 62 HRC) nach Wärmebehandlung
Zähigkeit	Gute Zähigkeit, die Widerstand gegen Abplatzen und Brechen ermöglicht
Verschleißfestigkeit	Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, ideal für Schneid- und Formwerkzeuge
Hitzebeständigkeit	Behält die Härte bei erhöhten Temperaturen, geeignet für Heißarbeitsanwendungen
Korrosionsbeständigkeit	Moderat, nicht geeignet für stark korrosive Umgebungen

Vorteile:
- Hohe Verschleißfestigkeit macht es ideal für Schneidwerkzeuge und Formen.
- Beibehaltung der Härte bei erhöhten Temperaturen, geeignet für Heißarbeitsanwendungen.
- Gute Zähigkeit verringert das Risiko von Abplatzen und Brechen.

Beschränkungen:
- Moderate Korrosionsbeständigkeit schränkt die Verwendung in stark korrosiven Umgebungen ein.
- Erfordert sorgfältige Wärmebehandlung, um optimale Eigenschaften zu erreichen.

Historisch gesehen war S5-Werkzeugstahl in der Werkzeugherstellungsindustrie von Bedeutung und bietet eine zuverlässige Option für Hochleistungsanwendungen. Ihre Marktstellung bleibt stark wegen der ausgewogenen Eigenschaften, was sie zu einer gängigen Wahl unter Werkzeugmachern macht.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standardorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region der Herkunft	Hinweise/Bemerkungen
UNS	T11302	USA	Nächster Äquivalent zu AISI D2
AISI/SAE	S5	USA	Allgemein in der Werkzeugherstellung verwendet
ASTM	A681	USA	Spezifikation für Werkzeugstähle
EN	1.2365	Europa	Kleine zusammensetzungsbedingte Unterschiede
JIS	SKD5	Japan	Ähnliche Eigenschaften, unterschiedliche Standards

Hinweise/Bemerkungen:
- Während S5 und D2 oft als äquivalent betrachtet werden, hat S5 typischerweise eine höhere Zähigkeit, was es bevorzugt für Anwendungen macht, bei denen Schlagfestigkeit entscheidend ist.
- Die JIS SKD5 Bezeichnung teilt ähnliche Eigenschaften, könnte aber leichte Variationen in der Zusammensetzung aufweisen, die die Leistung in bestimmten Anwendungen beeinflussen könnten.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol)	Prozentsatzbereich (%)
Kohlenstoff (C)	0,50 - 0,60
Chrom (Cr)	4,00 - 5,00
Molybdän (Mo)	1,00 - 1,50
Mangan (Mn)	0,20 - 0,50
Silizium (Si)	0,20 - 0,50
Phosphor (P)	≤ 0,030
Schwefel (S)	≤ 0,030

Erklärung der Elementrollen:
- Kohlenstoff (C): Erhöht die Härte und Festigkeit durch die Bildung von Carbiden während der Wärmebehandlung.
- Chrom (Cr): Verbessert die Verschleißfestigkeit und Härtefähigkeit und trägt zur allgemeinen Zähigkeit des Stahls bei.
- Molybdän (Mo): Verbessert die Festigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen, sodass der Stahl die Härte unter thermischem Stress beibehalten kann.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperierung	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Abgeschreckt & angelassen	1.200 - 1.400 MPa	174 - 203 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2% Offset)	Abgeschreckt & angelassen	1.000 - 1.200 MPa	145 - 174 ksi	ASTM E8
Elongation	Abgeschreckt & angelassen	5 - 10%	5 - 10%	ASTM E8
Härte	Abgeschreckt & angelassen	58 - 62 HRC	58 - 62 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit	Abgeschreckt & angelassen	20 - 30 J	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Interpretation der mechanischen Eigenschaften:
Die Kombination aus hoher Zug- und Streckfestigkeit sowie erheblicher Härte macht S5-Werkzeugstahl besonders geeignet für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen und Anforderungen an die Strukturintegrität. Seine Zähigkeit ermöglicht es, Schlagkräfte ohne Bruch zu widerstehen, was ihn ideal für Schneidwerkzeuge und Formen macht, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	Raumtemperatur	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt/-bereich	-	1425 - 1470 °C	2600 - 2678 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	25 W/m·K	14,5 BTU·in/h·ft²·°F
Speziere Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	Raumtemperatur	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·in

Bedeutung der physikalischen Eigenschaften:
- Dichte: Die relativ hohe Dichte trägt zur Festigkeit und Haltbarkeit des Materials bei und macht es für schwere Anwendungen geeignet.
- Wärmeleitfähigkeit: Moderate Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine effektive Wärmeabfuhr während der Bearbeitungsprozesse und reduziert das Risiko von Wärmeschäden.
- Schmelzpunkt: Der hohe Schmelzpunkt stellt sicher, dass S5 unter Hochtemperaturbedingungen seine Integrität bewahrt, was es für Heißarbeitsanwendungen geeignet macht.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Medium	Konzentration (%)	Temperatur (°C)	Widerstandsbewertung	Hinweise
Chloride	Variabel	Umgebung	Ausreichend	Risiko der Lochkorrosion
Äuren	Niedrig	Umgebung	Schlecht	Nicht empfohlen
Alkalische Lösungen	Niedrig	Umgebung	Ausreichend	Moderater Widerstand
Atmosphärisch	-	Umgebung	Gut	Benötigt Schutz

Erzählung zur Korrosionsbeständigkeit:
S5-Werkzeugstahl zeigt eine moderate Korrosionsbeständigkeit, die ihn für Anwendungen in weniger aggressiven Umgebungen geeignet macht. Er ist jedoch anfällig für Lochkorrosion in chloride-reichen Umgebungen, was ein Problem in Küsten- oder marinen Anwendungen darstellen kann. Die Anwesenheit von Chrom bietet ein gewisses Maß an Schutz gegen Oxidation, reicht jedoch nicht für stark korrosive Umgebungen, wie solche mit starken Säuren oder Alkalien.

Im Vergleich zu anderen Werkzeugstählen wie D2 und A2 bietet S5 eine bessere Zähigkeit, könnte jedoch in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit nicht so gut abschneiden. D2 hat beispielsweise einen höheren Chromgehalt, was seine Korrosionsbeständigkeit verbessert, während A2 ein gutes Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bietet.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Max. kontinuierliche Betriebstemperatur	500 °C	932 °F	Geeignet für längere Exposition
Max. intermittierende Betriebstemperatur	600 °C	1112 °F	Kurzzeitige Exposition
Skalierungstemperatur	700 °C	1292 °F	Risiko der Oxidation bei höheren Temperaturen

Erzählung zur Hitzebeständigkeit:
S5-Werkzeugstahl behält seine Härte und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, was ihn für Anwendungen geeignet macht, die thermisches Zyklen beinhalten. Es muss jedoch darauf geachtet werden, eine längere Exposition gegenüber Temperaturen über 500 °C zu vermeiden, da dies zu Oxidation und Skalierung führen kann. Die Leistung des Stahls bei hohen Temperaturen ist entscheidend in Anwendungen wie dem Heißformen und Druckguss, wo thermische Stabilität von größter Bedeutung ist.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empf. Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon/CO2-Gemisch	Vorwärmen empfohlen
TIG	ER80S-Ni	Argon	Erfordert Nachbehandlung nach dem Schweißen
Stab	E7018	-	Nicht empfohlen für dicke Abschnitte

S5-Werkzeugstahl wird aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts im Allgemeinen nicht zum Schweißen empfohlen, da dies zu Rissbildung führen kann. Wenn das Schweißen notwendig ist, sind Vorwärmung und Nachbehandlung nach dem Schweißen unerlässlich, um Spannungen zu reduzieren und das Risiko der Härtung in der wärmebetroffenen Zone zu verringern.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	S5-Werkzeugstahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	60	100	Erfordert Hochgeschwindigkeitswerkzeuge
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30 m/min	60 m/min	Für beste Ergebnisse Hartmetallwerkzeuge verwenden

S5-Werkzeugstahl hat eine moderate Bearbeitbarkeit, die Hochgeschwindigkeitswerkzeuge und geeignete Schneidbedingungen erfordert, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Anwesenheit von harten Carbiden kann zu Werkzeugverschleiß führen; daher ist die Verwendung geeigneter Schneidflüssigkeiten und Geschwindigkeiten entscheidend.

Formbarkeit

S5-Werkzeugstahl ist aufgrund seiner hohen Härte und Festigkeit nicht besonders für das Kaltformen geeignet. Heißformungsprozesse werden bevorzugt, da sie eine bessere Verformung ohne Rissbildung ermöglichen. Das Material zeigt eine Werkhärtung, die kalte Formungsoperationen komplizieren kann.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primäres Ziel / Erwartetes Ergebnis
Glühen	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Härte reduzieren, Bearbeitbarkeit verbessern
Abschrecken	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 Minuten	Öl	Hohe Härte erreichen
Anlassen	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 Stunde	Luft	Brittleness reduzieren, Zähigkeit verbessern

Erzählung zur Wärmebehandlung:
Der Wärmebehandlungsprozess für S5-Werkzeugstahl umfasst das Abschrecken aus hoher Temperatur, um maximale Härte zu erreichen, gefolgt von Anlassen, um Spannungen zu lösen und die Zähigkeit zu verbessern. Die metallurgischen Umwandlungen während dieser Behandlungen führen zu einer feinen Verteilung von Carbiden innerhalb der Matrix, was die Verschleißfestigkeit verbessert und gleichzeitig die Duktilität beibehält.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wesentliche Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (kurz)
Werkzeugherstellung	Schneidwerkzeuge	Hohe Härte, Verschleißfestigkeit	Unverzichtbar für Haltbarkeit
Automobil	Stanzformen	Zähigkeit, Schlagfestigkeit	Reduziert das Risiko eines Versagens
Luft- und Raumfahrt	Formwerkzeuge	Stabilität bei hohen Temperaturen	Eigenschaften unter Stress erhalten
Bau	Stanz- und Schnittformen	Verschleißfestigkeit, Zähigkeit	Gewährleistet Langlebigkeit in der Anwendung

• S5-Werkzeugstahl wird häufig in der Herstellung von Schneidwerkzeugen, Formen und Stanzern aufgrund seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und Zähigkeit eingesetzt.
• Er wird auch in der Automobil- und Luftfahrtindustrie für Komponenten verwendet, die hohe Festigkeit und Haltbarkeit unter extremen Bedingungen erfordern.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	S5-Werkzeugstahl	D2-Werkzeugstahl	A2-Werkzeugstahl	Kurzpro/Contra oder Abwägungsnotiz
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Hohe Härte	Höhere Korrosionsbeständigkeit	Gute Zähigkeit	S5 bietet bessere Zähigkeit, D2 bessere Korrosionsbeständigkeit
Wesentliche Korrosionsaspekt	Moderat	Hoch	Moderat	D2 wird für korrosive Umgebungen bevorzugt
Schweißbarkeit	Schlecht	Schlecht	Ausreichend	S5 und D2 erfordern besondere Überlegungen beim Schweißen
Bearbeitbarkeit	Moderat	Moderat	Gut	A2 ist leichter zu bearbeiten als S5
Formbarkeit	Schlecht	Schlecht	Ausreichend	A2 bietet bessere Formbarkeit als S5
Ungefähre relative Kosten	Moderat	Moderat	Moderat	Kosten sind im Allgemeinen vergleichbar
Typische Verfügbarkeit	Gewöhnlich	Gewöhnlich	Gewöhnlich	Alle Grade sind weit verbreitet erhältlich

Diskussion:
Bei der Auswahl von S5-Werkzeugstahl sind Überlegungen wie Kosten-Nutzen, Verfügbarkeit und spezifische Anwendungsanforderungen entscheidend. Während S5 ein gutes Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit bietet, könnte es nicht die beste Wahl für Anwendungen sein, die hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern. In solchen Fällen könnten Alternativen wie D2 oder A2 geeigneter sein. Darüber hinaus sollten die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Schweißen und der Bearbeitung in den Entscheidungsprozess einbezogen werden, um sicherzustellen, dass der ausgewählte Grad mit der beabsichtigten Nutzung und den Verarbeitungskapazitäten übereinstimmt.

Zusammenfassend bleibt S5-Werkzeugstahl ein wertvolles Material in der Werkzeug- und Formenindustrie, das eine zuverlässige Option für Hochleistungsanwendungen bietet, die eine Kombination aus Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.