Einsatz keramischer Schneidstoffe in der Stanztechnik

Auf einer Schnellläuferpresse mit einem speziellen Versuchswerkzeug wurden im Rahmen des Projektes Standzeituntersuchungen mit Keramikstempeln im Vergleich zu konventionellen Schneidstoffen (Stahl und Hartmetall) bei einem Lochnenndurchmesser von 0,8 mm durchgeführt. Die Auswahl der Keramiken erfolgte dabei aufgrund von Voruntersuchungen und Überprüfung verschiedener Werkstoffe auf ihre Eignung als Stempelwerkstoff. Zum Einsatz kamen zwei ZrO2- sowie zwei Si3N4-Keramiken. Als Blechwerkstoffe wurden Stähle verschiedener Festigkeitsklassen (300 bis 900 N/mm² Zugfestigkeit) eine Aluminium- und eine Kupferlegierung eingesetzt. Aus den Versuchen ergeben sich folgende Ergebnisse: Grundsätzlich eignen sich die verwendeten keramischen Werkstoffe als Schneidstempel. Bis zu Zugfestigkeiten von ca. 500 N/mm² und 1,5 mm Dicke des Blechwerkstoffes bzw. 300 N/mm² und 2,5 mm konnten mit ZrO2 Cerazur® – und ZrO2 Z-1000- Schneidstempeln sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die Si3N4-Keramiken erreichen teilweise dieselben Standzeiten wie Zirkonoxid, fallen aber sporadisch durch Kantenausbrüche aus. Bis 1,2 Mio. Hübe konnten bei DC 04, t-= 0,8 mm mit allen Keramiken höhere Schnittflächenqualitäten als mit Hartmetallstempel erreicht werden. Bei DP 500, t = 1,5 mm erreichen die Keramiken nicht die Standzeit des Hartmetalls. Über diesem kritischen Belastungsniveau treten vermehrt Kantenausbrüche und Scharfbrüche auf. Dabei gilt die Regel, dass eine Belastungserhöhung über die Zugfestigkeit des Blechwerkstoffs sich stärker auf den Verschleiß auswirkt als eine Erhöhung der Blechdicke bei gleicher maximaler Schneidkraft. Keramische Schneidstempel erreichen bei allen Versuchsreihen einen höheren Glattschnittanteil (plus ca. 10%) und eine höhere Oberflächenqualität in der Glattschnittfläche als Hartmetall- oder HSS-Stenmpel. Wegen der höchsten Oberflächenhärte erzielen Si3N4- Stempel die besten Ergebnisse. Ein wesentlichen Vorteil der Si3N4-Stemepel gegenüber allen anderen (Keramik, Hartmetall und HSS) liegt darin, dass trotz Volumenverschleißes an Stirn- und Mantelflächen keine Aufrauung der Stempeloberfläche eintritt, so dass die erzeugte Oberflächenqualität in der Schnittfläche sich nicht mit der Einsatzdauer verschlechtert. Der Grund dafür ist ein Poliereffekt der Oberflächen des Stempels beim Eintauchen in den Blechwerkstoff. Beim schmierstoffarmen bzw. trockenem Schneiden von Al-Blechen bieten Keramikstempel ein weitaus höheres Standzeitpotenzial als HM- und HSS-Stempel. Beide Metallstempelsorten schweißen schon nach sehr kurzer Zeit auf und fressen in den Stempelführungsbuchsen. Der Effekt tritt zwar bei Keramikstempel ebenfalls auf, allerdings sehr viel langsamer und später. Die Si3N4-Stempel erreichen die doppelte bis dreifache Standzeit der Hartmetalle. Die Standzeiterhöhung mit Zirkonoxidstempel gegenüber HSS lag bei bis zum 200-fachen, gegenüber Hartmetall bis zum 20-fachen. Die ZrO2-Variante Cerazur® hebt sich aufgrund der geringsten Neigung zur Bildung von Kaltaufschweißungen in der Leistungsfähigkeit beim trockenen Schneiden von Aluminium von allen anderen Werkstoffen deutlich ab.