Duktilität vs. Formbarkeit: Hauptunterschiede und Auswirkungen auf die CNC-Bearbeitung

Duktilität und Formbarkeit sind Verhaltensweisen der plastischen Verformung von Materialien. Während der CNC-Bearbeitung können diese beiden Parameter die Morphologie der Schneidkante, die Kontrolle von Graten, das Risiko des Risses sowie die endgültige Oberflächenqualität direkt beeinflussen. Daher verfassen wir heute diesen Artikel, um die Bedeutungen von Duktilität und Formbarkeit, ihre wesentlichen Unterschiede sowie ihren Einfluss auf die CNC-Bearbeitung zu erläutern.

Was ist Duktilität?

Duktilität ist die mechanische Eigenschaft eines Materials, die es ihm ermöglicht, unter Zugbelastung eine plastische Verformung zu erfahren, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Diese Eigenschaft bestimmt, wie viel Energie ein Material aufnehmen kann, bevor es beim Dehnen oder Biegen bricht.

Im Allgemeinen werden Materialien mit hoher Duktilität als duktile Materialien bezeichnet, während Materialien mit geringer Duktilität als spröde Materialien gelten.

Wie Duktilität gemessen wird

Die Duktilität lässt sich auf zwei Arten messen:

Zugversuch

Im Zugversuch dienen Dehnung und Flächenreduktion als Indikatoren zur Bestimmung der Duktilität von Materialien.

Dehnung

Die Dehnung gibt an, um wie viel sich das Material nach dem Bruch verlängert.

Die Berechnungsmethode lautet:

Dehnung (%) = [(L_f – L₀)/L₀]*100%

Spezifische Kriterien zur Beurteilung des Grades der Duktilität

Der typische Duktilitätsbereich für duktile Materialien: (zur Bestimmung von niedriger oder hoher Duktilität)

Diese Tabelle kann als ingenieurtechnische Referenz dienen, um festzustellen, ob Materialien eine hohe oder niedrige Duktilität aufweisen.

Reduktion der Querschnittsfläche

Die Flächenreduktion dient dazu, zu beobachten, wie stark die Bruchfläche sich verdünnt. Die entsprechende Berechnungsformel lautet:

Reduzierung der Fläche (%)= [(A_f – A₀)/A₀]*100%

Ist der Wert der Flächenreduktion hoch, bedeutet dies, dass das Material vor dem Bruch eine erhebliche plastische Verformung erfahren hat. Die folgende Tabelle liefert Referenzbereiche:

Warum Duktilität in der Fertigung von Bedeutung ist

Während der Fertigung bestimmt die Duktilität eines Materials dessen Widerstand gegen Rissbildung während des Umformprozesses. Materialien mit hoher Duktilität ermöglichen das Tiefziehen, das Biegen von Rohren sowie das Gewinderollen ohne Glühprozesse. Bei der CNC-Bearbeitung kann die Duktilität die Spankontinuität beeinflussen:

Duktiles Material kann lange, kontinuierliche Drehspäne erzeugen.

Spröde Materialien neigen leicht zur Bildung von pulverförmigen oder fragmentierten Spänen; diese sind zwar leicht zu entfernen, unterliegen jedoch bei Schwingungsbelastungen einem plötzlichen Bruch.

Was ist Formbarkeit

Knetbarkeit ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Druckbelastung ohne Rissbildung plastisch verformen zu können. Diese Eigenschaft ist unmittelbar relevant für die Metallbearbeitung flacher Bleche, Gehäuse oder dreidimensionaler komplexer Formen durch Verfahren wie Schmieden, Walzen und Stanzen.

Wie die Formbarkeit bewertet wird

Die Knetbarkeit wird anhand der Fähigkeit eines Materials bewertet, sich unter Druckkraft ohne Rissbildung plastisch verformen zu können. Sie wird in der Regel mittels Kompressions- und Umformprozessen geprüft.

Warum Knetbarkeit bei der Metallumformung wichtig ist

Die Knetbarkeit entscheidet unmittelbar darüber, ob Materialien durch Kompressionsprozesse in gewünschte Geometrien gebracht werden können. Materialien mit hoher Knetbarkeit ermöglichen das Kaltschmieden oder Kaltpressen unter erheblicher Deformation, wodurch Erwärmungsprozesse reduziert und die Herstellungskosten gesenkt werden. Materialien mit geringer Knetbarkeit hingegen erfordern thermische Umformprozesse, um ihre plastische Fließfähigkeit zu erhöhen und ihr Verhalten unter Druckbelastung zu verbessern.

Duktilität vs. Knetbarkeit: Was ist der Unterschied?

Der wesentliche Unterschied zwischen Duktilität und Knetbarkeit liegt in den jeweiligen Belastungsarten und Verformungsmechanismen. Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zugspannung plastisch zu verformen, während Knetbarkeit die Fähigkeit ist, sich unter Druckspannung ohne Rissbildung plastisch zu verformen.

Duktilität vs. Formbarkeit: Unterschiedliche Fertigungsverfahren

Duktilität und Formbarkeit können die bei der Bearbeitung von Werkstoffen eingesetzten Fertigungsverfahren erheblich beeinflussen. Daher kann das Verständnis von Duktilität und Formbarkeit von Materialien die Auswahl geeigneter Fertigungsprozesse effizient steuern.

Verschiedene Anwendungen in der Fertigung

Werkstoffe mit hoher Duktilität eignen sich zur Herstellung von Kabeln, Federn, Befestigungselementen sowie strukturellen Bauteilen. Hingegen werden Werkstoffe mit hoher Formbarkeit bevorzugt für Druckbehälterdeckel, Karosserieteile im Automobilbau, Münzen sowie für alle Komponenten verwendet, die durch Schmieden oder Stanzen geformt werden.

Bei der CNC-Bearbeitung benötigen axiale Bauteile eine ausreichende Duktilität, um den durch das Drehmoment verursachten Scherbelastungen standzuhalten, während schalenförmige Bauteile über eine gute Schmiedbarkeit verfügen müssen, um sekundäre Niet- oder Pressnietvorgänge zu ermöglichen.

Metalle mit hoher Duktilität und Formbarkeit

Einige Materialien weisen sowohl eine ausgezeichnete Formbarkeit als auch eine hohe Duktilität auf. Wir stellen Ihnen diese vor.

Kupfer

Kupfer zeichnet sich sowohl durch hohe Duktilität als auch durch hohe Formbarkeit aus,, was es zu einem der formbarsten Metalle macht. Die Dehnung reinen Kupfers im geglühten Zustand kann 45% bis 60% erreichen, wobei die Flächenreduktion mehr als 80% beträgt. Seine hohe Duktilität ermöglicht es, Kupfer zu extrem dünnen Metalldrähten zu ziehen; daher wird Kupfer häufig für elektrische Leitungen und Kabel verwendet. Gleichzeitig lassen sich kupferne Werkstoffe mit hoher Formbarkeit durch Walzen zu dünnen Blechen, Rohren oder anderen Komponenten verarbeiten.

Allerdings entstehen beim CNC-Fräsen aufgrund der Weichheit und hohen Duktilität des Kupfers leicht lange Späne sowie Grate,

Gold

Gold gehört zu den Metallen mit der höchsten Duktilität und Formbarkeit. Die Dehnung reinen Goldes beträgt etwa 45%. Aufgrund der hohen Kosten wird Gold in der Regel nicht für gewöhnliche CNC-Bearbeitungen eingesetzt; dennoch ist es ein unverzichtbares Material in der Elektronik, der Luft- und Raumfahrt sowie für Hochleistungsprodukte.

Aluminium

Die Dehnung reinen Aluminiums liegt bei etwa 25%–45%. Reines Aluminium sowie geglühtes Aluminium weisen eine höhere Duktilität und gute Formbarkeit auf. Diese Eigenschaften machen Aluminium besonders geeignet für Walzen, Strangpressen, Biegeprozesse sowie für die Blechbearbeitung.

Bei der CNC-Bearbeitung kann die hohe Duktilität von Aluminium leicht zu kontinuierlichen Spänen führen, die sich leicht an der Vorderkante des Schneidwerkzeugs festsetzen und so einen Spänentumor bilden können. Dies lässt sich durch die Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten sowie durch das Polieren der Oberfläche der Schneidwerkzeuge kontrollieren.

Weichstahl

Weichstahl weist eine mittlere bis hohe Duktilität auf, und mittlere Schmiedbarkeit. Seine Duktilität hilft Weichstahl, plötzliche Brüche unter Zugbelastungen zu vermeiden, und seine Schmiedbarkeit ermöglicht es, ihn unter Druck zu formen.

Im Vergleich zu spröden Materialien zeigt Weichstahl vor dem Bruch eine deutliche plastische Verformung, wodurch er sich gut zum Biegen, Schweißen, Walzen und zur strukturellen Umformung eignet.

Weichstahl gehört aufgrund seines stabilen Spanabtragverhaltens zu den am besten vorhersehbaren Materialien für die CNC-Bearbeitung.

Materialien mit geringer Duktilität oder geringer Schmiedbarkeit

Materialien mit niedriger Duktilität oder geringer Schmiedbarkeit weisen typischerweise eine kubisch-raumzentrierte oder hexagonal-dichtgepackte Kristallstruktur auf oder enthalten harte, spröde Partikel der zweiten Phase. Diese Eigenschaften schränken die Bewegung von Versetzungen ein und führen frühzeitig zu einem Bruch.

Gusseisen

Gusseisen ist in der Regel ein sprödes Material, da seine Dehnung weniger als 1% beträgt, was bedeutet, dass praktisch keine plastische Verformung auftritt.

Hochkohlenstoffstahl

Hochkohlenstoffstahl (Kohlenstoffgehalt über 0,6%) weist im unbehandelten Zustand typischerweise eine Dehnung unter 10% auf und kann nach einer Abschreckbehandlung sogar unter 2% sinken.

Keramik

Keramikmaterialien sind typische spröde Werkstoffe. Es findet keine plastische Verformung statt; sobald die maximale Zugfestigkeit erreicht ist, kommt es zum katastrophalen Bruch. Zudem fehlt jegliche Schmiedbarkeit. Bei der CNC-Bearbeitung müssen Keramiken durch Schleifen oder Laserbearbeitung geformt werden, jedoch nicht mittels herkömmlicher Zerspanungstechniken.

Warum Duktilität und Schmiedbarkeit bei der CNC-Bearbeitung von Bedeutung sind

Duktilität und Schmiedbarkeit beeinflussen während der CNC-Bearbeitung die Morphologie der Schnittkante, die Entstehung von Graten sowie die Oberflächengüte.

Auswirkung auf die Spanbildung

Duktile Materialien behalten auch nach erheblicher plastischer Verformung im Scherbereich ihre Kontinuität und bilden längliche oder spiralförmige Späne. Diese Späne neigen dazu, sich um das Werkstück oder das Werkzeug zu winden, was zu automatischen Werkzeugwechsel-Fehlfunktionen oder Oberflächenkratzern führt.

Bei Materialien mit geringer Duktilität hingegen lassen sich die Späne zwar leicht abführen, doch treten starke Schwankungen der Schnittkraft auf, die leicht zu Vibrationen führen können.

Die Lösung:

• Verwendung einer Spanbrechergeometrie
• Verwendung einer hohen Vorschubgeschwindigkeit
• Verwendung von Hochdruckkühlschmiermittel

Auswirkung auf die Gratausbildung

Duktile Werkstoffe neigen dazu, große Grate zu bilden, da sie vor dem Bruch erhebliche plastische Verformungen aushalten können. Zudem beeinflusst die Formbarkeit die Entstehung von Eintrittsgraten.

Lösung:

• Vergrößern Sie die negative Fase des Werkzeugs
• Verwenden Sie eine Aufsteig-Fräsbewegung
• Bringen Sie Vorfräs-Nuten zur Entfernung von Graten an

Einfluss auf die Oberflächengüte

Duktile Werkstoffe neigen während der Zerspanung zur Bildung einer Aufbauschicht, die auf der bearbeiteten Oberfläche Mikrokrater und Kratzer hinterlassen kann, was zu einem Anstieg des Rauheitswertes Ra führt.

In der praktischen Produktion besteht die Lösung darin, die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen, um die Schneidtemperatur zu steigern und dadurch die Streckgrenze der Materialien zu senken. Durch diese Methode lässt sich die Bildung einer Aufbauschicht hemmen und die Oberflächengüte verbessern.

Duktilität vs. Formbarkeit gängiger Metalle

Die Unterschiede in Duktilität und Formbarkeit zwischen verschiedenen metallischen Werkstoffen resultieren aus Variationen ihrer inneren atomaren Struktur sowie ihren Fähigkeiten zur plastischen Verformung. Im Folgenden wird ein vergleichender Überblick aus Sicht der ingenieurtechnischen Anwendung vorgestellt.

Kupfer vs. Aluminium

Die Dehnung von reinem Kupfer ist höher als die von reinem Aluminium. Hinsichtlich der Formbarkeit liegt Aluminium jedoch vor Kupfer. Die Streckgrenze von Aluminium beträgt etwa ein Drittel derjenigen von Kupfer.

Bei der CNC-Bearbeitung zeigt Kupfer eine stärkere Spanhaftung und neigt zur Bildung einer Aufbauschicht. Aluminium hingegen erzeugt kontinuierliche Späne, die sich durch den Einsatz von Hochdruckkühlschmierstoff leichter abbrechen lassen.

Edelstahl vs. Kohlenstoffstahl

Edelstahl, insbesondere austenitischer Edelstahl, weist eine äußerst hohe Duktilität auf, die sogar über jener von Kohlenstoffstahl liegt. Allerdings ist die Formbarkeit von Kohlenstoffstahl gegenüber austenitischem Edelstahl überlegen.

Aus Sicht der CNC-Bearbeitung beträgt die Schnittkraft von Edelstahl etwa das 1,5-fache derjenigen von Kohlenstoffstahl, und seine Späne brechen weniger leicht ab.

Wie man Werkstoffe nach Duktilität und Formbarkeit auswählt

Während der mechanischen Konstruktionsphase muss die Materialauswahl auf dem Fertigungsprozess und den Betriebsbedingungen des jeweiligen Bauteils basieren; dabei sind Duktilität und Schmiedbarkeit abzuwägen, wobei eine umfassende Entscheidung unter Berücksichtigung von Festigkeit, Kosten und Bearbeitbarkeit getroffen werden sollte.

Für CNC-gefertigte Teile

Für CNC‑Bauteile, die durch Materialabtrag gefertigt werden, sind Werkstoffe mit mäßiger Duktilität vorzuziehen, deren Dehnung im Bereich von 15% bis 25% gehalten wird. Dieser Bereich ermöglicht es den Spänen, sich auf natürliche Weise in C‑Formen oder kurze Spiralen zu zerlegen, und verhindert gleichzeitig durch übermäßige Sprödigkeit verursachte Gratbildung an der Schneide.

In der Praxis sind Aluminium 6061, Stahl 1215 und Messing C3600 die idealen Wahlmöglichkeiten.

Reines Kupfer oder geglühter austenitischer Edelstahl, deren Dehnung 40% übersteigt, sollten vermieden werden, es sei denn, es wird ein Hochdruckkühlsystem sowie spezielle Spanbrechwerkzeuge eingesetzt.

Für dünnwandige Bauteile oder Werkstücke mit vielen feinen Strukturen sollten Materialien mit höherer Duktilität gewählt werden. Diese Materialien absorbieren Schwingungsenergie besser und helfen, das Eindringen in die Wand durch Schwankungen der Schnittkräfte zu verhindern.

Für Blechteile

Bei Blechumformteilen sollte die Schmiedbarkeit das primäre Auswahlkriterium sein, insbesondere bei Biege-, Präg- und Tiefziehprozessen. Das Verhältnis des maximalen Biegeradius des Materials zur Blechdicke muss unter dem vorgeschriebenen Fertigungsanforderung liegen, da dieses Verhältnis direkt die Qualität der Schmiedbarkeit widerspiegelt.

Für Bleche dicker als 3 mm sind Materialien mit hoher Schmiedbarkeit vorzuziehen, etwa mittel- und niedriglegierte Stähle, die durch Sphäroldisierungsglühen behandelt wurden, oder die Aluminiumlegierung 5052.

Duktilität ist in solchen Anwendungen ein sekundäres Kriterium und beeinflusst hauptsächlich die Zugfestigkeit der Flanschkanten. Wenn Bauteile Zuglöcher oder Ausbeulungen mit Durchmessern aufweisen, die weniger als das Fünffache der Blechdicke betragen, muss die Materialdehnung mindestens 20% überschreiten, um Rissbildung zu vermeiden.

Für geschmiedete Komponenten

Schmiedeteile erfordern Materialien, die sowohl im heißen als auch im kalten Zustand eine ausgezeichnete Schmiedbarkeit aufweisen, sodass das Metall den Formhohlraum vollständig ausfüllen kann, ohne zu falten.

• Für Warm-Schmiedeprozesse zeigen legierte Stähle wie 4140 und 4340 bei Temperaturen zwischen 1000 °C und 1200 °C eine überlegene Schmiedbarkeit, wobei die Dehnung zeitweise 50% übersteigt.
• Für Kalt-Schmiedeprozesse sind reines Aluminium, kohlenstoffarmer Stahl und Messing bevorzugte Materialien, da sie bei Raumtemperatur hohen Druckbelastungen standhalten können, ohne zu reißen.

Duktilität ist in der Schmiede ein sekundäres Kriterium und beeinflusst vor allem den Flash‑Entfernungsprozess; Materialien mit hoher Duktilität bewahren nach dem Entfernen des Flashs eher eine rissfreie Kantengüte.

Fazit

Sowohl Duktilität als auch Formbarkeit sind Maßnahmen der plastischen Verformungsfähigkeit von Materialien, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der auftretenden Spannungen und der jeweiligen Herstellungsverfahren. Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zugspannung zu verformen, während Formbarkeit die Fähigkeit unter Druckspannung beschreibt. Diese Unterschiede wirken sich unmittelbar auf Prozesse wie CNC‑Bearbeitung, Blechumformung, Walzen und Schmieden aus.

In der praktischen Fertigung wird bei Blechkomponenten der Schmiedbarkeit höchste Priorität eingeräumt, während bei der CNC‑Bearbeitung ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Duktilität und Spankontrolle angestrebt wird. Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen beiden Aspekten hilft, die Materialauswahl, die Bearbeitungsprozesse sowie die Endleistung der Teile optimal abzustimmen.

FAQ

Ist Duktilität dasselbe wie Formbarkeit?

Nein. Die Dehnbarkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, einem Zugbruch zu widerstehen, quantifiziert durch die Dehnung oder die Flächenreduktion. Die Schmiedbarkeit beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Druckversagen und wird anhand des Ausmaßes der Druckverformung bewertet.

Welche Metalle sind am duktilsten?

Reines Gold, reines Silber und reines Kupfer sind die drei duktilsten Materialien unter allen Metallen. Die Dehnungsraten liegen bei etwa 45% für Gold, 50% bis 55% für Silber sowie 45% bis 60% für Kupfer. Auch geglühter kohlenstoffarmer Stahl und austenitischer Edelstahl zählen zu den hochduktilen Werkstoffen, mit Dehnungsraten von 30% bis 60%.