CNC-Bearbeitung von Legierungen: Welche Legierungen zu verwenden sind, wie sie bearbeitet werden und was Käufer wissen müssen

Die CNC-Bearbeitung von Legierungen deckt ein breites Spektrum von Metallen ab, die sich in Bezug auf Bearbeitbarkeit, Festigkeit, Kosten und Anwendungsanforderungen unterscheiden. Aluminiumlegierungen (6061, 7075) lassen sich 3-4-mal schneller bearbeiten als Stahl und sind bei der Herstellung von Prototypen und leichten Strukturteilen vorherrschend. Rostfreie Stahllegierungen (304, 316, 17-4PH) bieten Korrosionsbeständigkeit für medizinische und maritime Anwendungen. Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) bieten das beste Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht, sind aber in der Bearbeitung 5-10 mal teurer als Aluminium. Dieser Leitfaden behandelt mehr als 15 Legierungssorten, ihre realen Bearbeitungseigenschaften, typische Anwendungen und wie Sie die richtige Legierung für Ihr Projekt auswählen.

Sie haben in Ihrer Bestellung “Stahl” angegeben. Ihr Lieferant lieferte Teile aus unlegiertem Stahl, obwohl für Ihre Anwendung 4140 legierter Stahl benötigt wurde, der auf 28-32 HRC wärmebehandelt wurde. Die Teile versagten unter zyklischer Belastung innerhalb von zwei Wochen.

Dieses Versagen ist darauf zurückzuführen, dass “Stahl” kein Material ist. Es ist eine Kategorie, die Hunderte von Legierungen mit dramatisch unterschiedlichen Eigenschaften umfasst. Der Unterschied zwischen unlegiertem Stahl 1018 und legiertem Stahl 4340 in Bezug auf die Ermüdungsbeständigkeit beträgt etwa das Dreifache. Der Unterschied bei den Bearbeitungskosten beträgt etwa das Doppelte. Die Wahl der richtigen Legierungssorte ist eine der wichtigsten Entscheidungen, die Sie bei der Bestellung von CNC-gefertigten Teilen treffen.

Die CNC-Bearbeitung von Legierungen erfordert die Auswahl des richtigen Werkstoffs für die mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen Ihrer Anwendung und die anschließende Bearbeitung mit Parametern, die für das Verhalten der jeweiligen Legierung geeignet sind. Dieser Leitfaden führt Sie durch alle wichtigen Legierungsfamilien, die wichtigsten Sorten und wie Sie die richtige Auswahl für Ihr nächstes Projekt treffen. CNC-Bearbeitung bestellen.

Was ist eine Legierung und warum ist die Qualität bei der CNC-Bearbeitung wichtig?

Eine Legierung ist ein Metall, das mit einem oder mehreren anderen Elementen kombiniert wird, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern: Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit oder thermische Leistung. Reine Metalle werden in der Präzisionsfertigung nur selten verwendet, da Legierungen sie in fast jeder messbaren Hinsicht übertreffen.

Die Sorte (z. B. 6061-T6 oder 17-4PH) definiert die genaue chemische Zusammensetzung und den Wärmebehandlungszustand. Zwei Legierungen der gleichen Familie können sich auf der Maschine und im Betrieb völlig unterschiedlich verhalten. Aluminium 6061 lässt sich leicht bearbeiten und kostet $8-12/kg in Stangenware. Aluminium 7075 ist 40% stärker, aber schwieriger zu bearbeiten und kostet $15-25/kg. Die Angabe der falschen Sorte ist Geldverschwendung (Überspezifikation) oder führt zum Ausfall von Teilen (Unterspezifikation).

Bei der CNC-Bearbeitung wirkt sich die Wahl der Legierung direkt aus auf: Schnittgeschwindigkeit und Vorschub (Zykluszeit und Kosten), Werkzeugstandzeit (Werkzeugkosten), erreichbare Toleranzen und Oberflächengüte, Optionen für die Wärmebehandlung nach der Bearbeitung und die Leistung des Teils während des Betriebs.

Aluminium-Legierungen: Die Standardwahl für die meisten CNC-Arbeiten

Aluminiumlegierungen dominieren bei der CNC-Bearbeitung, da sie eine geringe Dichte (2,7 g/cm³, etwa ein Drittel des Gewichts von Stahl), eine hervorragende Bearbeitbarkeit, natürliche Korrosionsbeständigkeit und einen wettbewerbsfähigen Preis miteinander verbinden. Aluminiummaschinen 3-4x schneller als Stahl aus der gleichen Blockgeometrie, was die Zykluszeit und die Kosten pro Teil direkt reduziert.

6061-T6 ist die in der CNC-Bearbeitung am häufigsten verwendete Aluminiumlegierung. Gute Festigkeit (276 MPa Streckgrenze), ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, leicht zu eloxieren, schweißbar und überall zu wettbewerbsfähigen Preisen erhältlich. Verwenden Sie es für: strukturelle Halterungen, Gehäuse, Rahmen, Vorrichtungen und allgemeine Teile, bei denen Gewicht und Korrosionsbeständigkeit eine Rolle spielen. Wenn Sie keine Sorte angeben, wählen die meisten CNC-Werkstätten standardmäßig 6061.

7075-T6 bietet etwa 40% höhere Festigkeit als 6061 (503 MPa Streckgrenze) und ist damit in Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht mit vielen Stählen vergleichbar. Standard für Luft- und Raumfahrt Strukturbauteile, hoch beanspruchte Halterungen und Verteidigungsanwendungen. Kostet mehr als 6061 und ist schwieriger zu bearbeiten, aber die Leistung rechtfertigt es für anspruchsvolle Anwendungen.

2024-T3 zeichnet sich durch eine hohe Ermüdungsbeständigkeit aus und ist daher die erste Wahl für die Außenhaut von Flugzeugen, Tragflächenstrukturen und alle Anwendungen mit zyklischer Belastung. Geringere Korrosionsbeständigkeit als 6061, daher wird es in der Regel plattiert oder beschichtet.

5083-H116 bietet die beste Korrosionsbeständigkeit aller Aluminiumlegierungen, insbesondere in Salzwasserumgebungen. Standard für Schiffsteile, Bootskomponenten und Offshore-Ausrüstung. Ohne signifikanten Festigkeitsverlust schweißbar.

MIC6 (Aluminiumguss) ist eine Präzisionsgussplatte mit außergewöhnlicher Ebenheit und Maßhaltigkeit. Wird für Werkzeugplatten verwendet, Vorrichtungs- und Befestigungsmittel Sockel, Formteile und optische Montageplatten, bei denen die Langzeitstabilität wichtiger ist als die Festigkeit.

Für die meisten Prototypen und allgemeinen CNC-Arbeiten ist 6061-T6 die richtige Ausgangsbasis. Steigen Sie nur dann auf 7075 um, wenn Ihre Belastungsanalyse dies erfordert.

Stahl-Legierungen: Wenn Festigkeit und Härte nicht verhandelbar sind

Stahllegierungen weisen je nach Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und Wärmebehandlung eine große Bandbreite an Eigenschaften auf. Sie lassen sich langsamer bearbeiten als Aluminium, kosten mehr Zykluszeit und erfordern robustere Werkzeuge, aber sie bieten eine Festigkeit und Härte, die Aluminium nicht erreichen kann.

1018 (Baustahl) ist der am besten bearbeitbare Kohlenstoffstahl. Der niedrige Kohlenstoffgehalt (0,18%) macht ihn weich, leicht zu bearbeiten und schweißbar. Die Zugfestigkeit liegt bei 440 MPa. Verwendung für: unkritische Strukturteile, Stifte, Wellen und Halterungen, bei denen die Festigkeitsanforderungen moderat sind und die Bearbeitbarkeit die Kostenentscheidung bestimmt.

4140 (legierter Stahl) ist ein Chrom-Molybdän-Stahl mit guten mechanischen Gesamteigenschaften. Kann für Anwendungen mit mittlerer Härte auf 28-32 HRC wärmebehandelt werden. Häufig verwendet für Zahnräder, Wellen, Achsen und Automobil Bauteile, die Festigkeit und Zähigkeit erfordern.

4340 (legierter Stahl) ist die Hochleistungsvariante von 4140 mit Nickelzusatz für verbesserte Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Wärmebehandelbar auf über 50 HRC. Wird für Fahrwerke, Kurbelwellen, Kraftübertragungsgetriebe und alle Anwendungen verwendet, bei denen die Ermüdungsfestigkeit entscheidend ist.

O1 (Werkzeugstahl) ist ein ölgehärteter Werkzeugstahl, der im geglühten Zustand bearbeitbar ist und anschließend auf 58-65 HRC wärmebehandelt wird. Er wird für Schneidwerkzeuge, Matrizen, Stempel und verschleißfeste Komponenten verwendet. Die zerspanende Bearbeitung muss vor dem Härten abgeschlossen sein.

D2 (Werkzeugstahl) bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit. Wird häufig für Stanzformen, Umformwerkzeuge und Verschleißplatten verwendet. Aufgrund des hohen Chrom- und Kohlenstoffgehalts selbst im geglühten Zustand schwer zu bearbeiten. Erfordert oft Drahterodieren für Merkmale nach dem Härten.

Rostfreie Stahllegierungen: Korrosionsbeständigkeit mit Kompromissen bei der Bearbeitung

Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5% Chrom und bilden eine schützende Oxidschicht, die der Korrosion widersteht. Dieselbe Eigenschaft macht sie schwieriger zu bearbeiten: Das Kaltverfestigungsverhalten austenitischer nichtrostender Stähle (Serie 300) lässt die Werkzeuge schneller abstumpfen als Kohlenstoffstahl.

304 ist die gebräuchlichste Edelstahlsorte. Gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Duktilität und mittlere Festigkeit. Wird für Lebensmittelausrüstungen, chemische Verarbeitung und allgemeine korrosionsbeständige Teile verwendet. Lässt sich mit scharfen Werkzeugen und geeigneten Vorschüben recht gut bearbeiten.

316 Zusatz von Molybdän für verbesserte Beständigkeit gegen Chloridkorrosion (Salzwasser, chemische Umgebungen). Standard für Schiffsbeschläge, Medizinprodukt Komponenten und pharmazeutische Geräte. Etwas schwieriger zu bearbeiten als 304.

303 ist die frei bearbeitbare Version von 304, mit Schwefelzusatz für bessere Bearbeitbarkeit. Verwenden Sie es, wenn Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, aber die Bearbeitungskosten minimiert werden müssen. Nicht zum Schweißen geeignet.

17-4PH ist ein ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl, der Korrosionsbeständigkeit mit hoher Festigkeit (bis zu 1.310 MPa nach Alterung) kombiniert. Er wird für Armaturen in der Luft- und Raumfahrt, Ventilkomponenten und medizinische Instrumente verwendet. Lässt sich im lösungsgeglühten Zustand gut bearbeiten und wird dann auf Endhärte wärmebehandelt.

15-5PH bietet ähnliche Eigenschaften wie 17-4PH mit etwas besserer Zähigkeit und gleichmäßigerer Durchhärtung. Bevorzugt für dickere Querschnitte in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich.

Titan-Legierungen: Höchste Leistung, höchste Kosten

Titanlegierungen bieten das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aller Konstruktionsmetalle. Sie behalten 80% ihrer Festigkeit bei 300°C, sind in praktisch jeder Umgebung korrosionsbeständig und für medizinische Implantate biokompatibel. Der Nachteil: Sie kosten 5-10x mehr zu bearbeiten als Aluminium für ähnliche Geometrien.

Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) ist die meistverwendete Titanlegierung, die über 50% des gesamten Titanverbrauchs ausmachen. Streckgrenze 880 MPa. Wird für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Implantate (Hüft- und Knieprothesen) verwendet, Robotik Komponenten und Hochleistungs-Autoteile.

Klasse 2 (handelsüblich rein) bietet eine geringere Festigkeit, aber hervorragende Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Wird für chemische Verarbeitungsanlagen, Schiffsteile und Wärmetauscher verwendet, bei denen die Festigkeit gegenüber der Korrosionsbeständigkeit zweitrangig ist.

Die Bearbeitung von Titan erfordert: starre Maschinenaufbauten (5-Achsen bevorzugt für kürzere, steifere Werkzeuge), niedrige Schnittgeschwindigkeiten (30-60 m/min gegenüber 200-400 m/min bei Aluminium), Hochdruckkühlmittel zur Beherrschung der Wärme an der Werkzeugspitze und beschichtete Hartmetall- oder Keramikeinsätze. Die Standzeit von Werkzeugen für Titan ist 3-5 mal kürzer als für Aluminium.

Für Käufer: Geben Sie kein Titan an, es sei denn, Ihre Belastungs-, Temperatur- oder Biokompatibilitätsanalyse erfordert es. Ein Ingenieur, der von Titan zu 7075-T6-Aluminium wechselt, wenn die Leistung dies zulässt kann die Bearbeitungskosten um 80% reduzieren und trotzdem die Spezifikationen erfüllen.

Kupfer-, Messing- und Bronze-Legierungen

Diese Legierungen eignen sich für bestimmte Anwendungen, bei denen Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder reibungsarme Eigenschaften wichtig sind.

Messing C360 (frei bearbeitendes Messing) ist eine der die meisten zerspanbaren Materialien verfügbar, die bei hohen Schnittgeschwindigkeiten hervorragende Oberflächengüten erzeugen. Wird für elektrische Anschlüsse, Armaturen, Ventile und dekorative Beschläge verwendet. Ideal für die Großserienproduktion auf CNC-Drehen Maschinen aufgrund der Spänebildungseigenschaften.

Kupfer C101 (sauerstofffreies Kupfer) bietet die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit. Verwendet für Kühlkörper, elektrische Stromschienen und RF/Mikrowellen-Komponenten in Halbleiter und Unterhaltungselektronik Anwendungen.

Bronze C932 (Lagerbronze) bietet hervorragende Verschleißfestigkeit und geringe Reibung. Verwendet für Buchsen, Lager, Verschleißplatten und Gleitkontaktanwendungen in Automatisierung und Industriemaschinen.

Superlegierungen auf Nickelbasis

Für Anwendungen bei extremen Temperaturen (über 600°C) sind Nickelsuperlegierungen die einzige Option.

Inconel 718 behält über 90% seiner Festigkeit bei 700°C bei. Wird für Gasturbinenteile, Teile von Raketentriebwerken und Einbauten in Kernreaktoren verwendet. Äußerst schwierig zu bearbeiten: das Material härtet schnell aus, erzeugt starke Hitze in der Schneidzone und verschleißt die Werkzeuge stark. Erfordert starre 5-Achsen-Einrichtungen, Keramik- oder CBN-Wendeplatten und erfahrene Programmierer.

Hastelloy X bietet hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 1.200°C. Wird für Brennkammern und Nachbrenner-Komponenten verwendet.

Die Bearbeitung von Superlegierungen kostet in der Regel 10-15 mal mehr pro Teil als entsprechende Aluminiumgeometrien. Reservieren Sie diese Werkstoffe für Anwendungen, für die es keinen Ersatz gibt.

Wie Sie die richtige Legierung für Ihre CNC-gefertigten Teile auswählen

Der Entscheidungsbaum der Legierung folgt dieser Logik:

Beginnen Sie mit den Bewerbungsanforderungen. Welchen Belastungen wird das Teil ausgesetzt (statisch, zyklisch, Stoß)? Welcher Temperaturbereich? Welche korrosive Umgebung? Muss es biokompatibel, lebensmittelecht oder elektrisch leitfähig sein?

Identifizieren Sie die in Frage kommenden Legierungen. In der Regel erfüllen 2-3 Sorten die funktionalen Anforderungen. Beispiel: Für eine Halterung in der Luft- und Raumfahrt, die eine mittlere Festigkeit und ein geringes Gewicht erfordert, kommen sowohl 6061-T6 als auch 7075-T6 in Frage.

Berücksichtigen Sie die Bearbeitbarkeit und die Kosten. Wählen Sie unter den Kandidaten, die den Spezifikationen entsprechen, denjenigen aus, der schneller arbeitet und weniger kostet. Die Material, das sich schneller bearbeiten lässt führt zu niedrigeren Stückkosten, selbst wenn das Rohmaterial ähnlich teuer ist.

Berücksichtigen Sie Nachbearbeitungsprozesse. Soll das Teil eloxiert werden? (Nicht alle Aluminiumlegierungen lassen sich gleich gut eloxieren.) Wärmebehandelt? (Stahllegierungen reagieren unterschiedlich auf das Härten.) Geschweißt? (Einige Legierungen brechen beim Schweißen.) Beschichtet? (Oberflächengüte Prozesse mit der Chemie der Legierung interagieren).

Erkundigen Sie sich bei Ihrem Lieferanten. Ein guter Partner für die CNC-Bearbeitung bestätigt die Auswahl der Legierung, weist auf mögliche Probleme hin (Kaltverfestigung, Instabilität der Abmessungen nach der Wärmebehandlung, Bedenken hinsichtlich des Werkzeugverschleißes) und empfiehlt Alternativen, wenn die von Ihnen gewünschte Legierung schwer zu beschaffen oder für die Anwendung unnötig teuer ist.

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Schlussfolgerung

Die CNC-Bearbeitung von Legierungen beginnt mit der Materialauswahl. Die richtige Legierung bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen mechanischer Leistung, Bearbeitbarkeit, Kosten und Nachbearbeitungsanforderungen für Ihre spezifische Anwendung.

Drei praktische Regeln: Beginnen Sie mit 6061-T6 Aluminium, es sei denn, Ihre Analyse erfordert etwas Stärkeres, Schwereres oder Korrosionsbeständigeres. Geben Sie niemals “Stahl” oder “rostfrei” ohne Angabe der Güteklasse an. Und überprüfen Sie die Auswahl der Legierung immer mit Ihrem CNC-Lieferanten, bevor Sie sich zu einer Produktionsserie verpflichten.

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Häufig gestellte Fragen

Welche Legierungen werden am häufigsten für die CNC-Bearbeitung verwendet?

Aluminium 6061-T6 ist die insgesamt am häufigsten verwendete CNC-Legierung. Für höhere Festigkeit ist 7075-T6 Aluminium Standard in der Luft- und Raumfahrt. Edelstahl 304 und 316 dominieren bei korrosionsbeständigen Anwendungen. Die Stahllegierung 4140 deckt mittelstarke mechanische Teile ab. Titan Ti-6Al-4V wird für gewichtskritische und biokompatible Anwendungen verwendet. Messing C360 ist die erste Wahl für gedrehte elektrische Komponenten in hohen Stückzahlen.

Wie wirkt sich die Wahl der Legierung auf die Kosten der CNC-Bearbeitung aus?

Die Wahl der Legierung wirkt sich direkt auf die Zykluszeit, die Werkzeuglebensdauer und die Rohmaterialkosten aus. Aluminium lässt sich bei gleicher Geometrie 3-4 Mal schneller bearbeiten als Stahl, was zu niedrigeren Kosten pro Teil führt. Die Bearbeitung von Titan ist 5-10 mal teurer als die von Aluminium, da die Schnittgeschwindigkeit geringer ist und die Werkzeuge schneller verschleißen. Frei bearbeitbare Legierungen (303 Edelstahl, C360 Messing) senken die Kosten im Vergleich zu ihren Standard-Gegenstücken (304 Edelstahl, C101 Kupfer).

Können Sie Titan auf Standard-CNC-Maschinen bearbeiten?

Titan kann auf Standard-CNC-Fräs- und Drehmaschinen bearbeitet werden, erfordert aber starre Aufspannungen, niedrige Schnittgeschwindigkeiten (30-60 m/min), Hochdruckkühlmittel und beschichtete Hartmetall- oder Keramikeinsätze. Die 5-Achsen-Bearbeitung wird bevorzugt, weil sie kürzere, steifere Werkzeuge ermöglicht, die die Durchbiegung und das Rattern verringern. Die Standzeit der Werkzeuge ist bei Titan 3 bis 5 mal kürzer als bei Aluminium.

Was ist der Unterschied zwischen 6061 und 7075 Aluminium?

6061-T6 hat eine Streckgrenze von 276 MPa, eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und ist schweißbar. 7075-T6 hat eine Streckgrenze von 503 MPa (etwa 40% höher) und ist damit im Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht mit vielen Stählen vergleichbar. 7075 kostet mehr, ist schwieriger zu bearbeiten und lässt sich nicht so sauber schweißen. Verwenden Sie 7075 nur, wenn Ihre Belastungsanalyse die zusätzliche Festigkeit erfordert.

Wie gebe ich die richtige Legierung in meinem CNC-Bearbeitungsauftrag an?

Geben Sie auf Ihrer Zeichnung und Bestellung immer die spezifische Legierungssorte und den Härtegrad/Zustand an (z. B. “6061-T6” und nicht “Aluminium” oder “17-4PH Zustand H900” und nicht “Edelstahl”). Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Legierung für Ihre Anwendung geeignet ist, beschreiben Sie Ihrem CNC-Lieferanten Ihre Belastungs-, Temperatur- und Korrosionsanforderungen und bitten Sie ihn um eine Empfehlung.