Werkzeugstahl 1.2343 (H11) und 1.2344 (H13) 3D-Drucken: Rissvermeidung & Härte
Prozessführung beim 3D-Druck von Warmarbeitsstählen 1.2343 / 1.2344: Vorheizung der Bauplatte (> 400 °C), Martensitbildung und konturnahe Kühlung.
Warmarbeitsstähle wie 1.2343 (X37CrMoV5-1 / AISI H11) und 1.2344 (X40CrMoV5-1 / AISI H13) sind das Rückgrat des modernen Druckguss- und Spritzgusswerkzeugbaus. Im Metall-3D-Druck gehören sie jedoch zu den anspruchsvollsten Werkstoffen überhaupt: Durch ihren Kohlenstoffgehalt von ca. 0,35 bis 0,40 % bilden sie bei rascher Abkühlung extrem harten und spröden Martensit, was ohne Vorheizung zu fatalen Kälterissen während des Bauprozesses führt.
- 0,38% Kohlenstoff führen ohne Vorheizung zu schlagartiger Martensitbildung und verheerenden Kälterissen.
- Hochtemperatur-Bauplattenheizung auf 400 bis 500 °C hält den Prozess im austenitischen Bereich und verhindert Rissbildung.
- Überlegene Warmfestigkeit gegenüber Maraging-Stahl 1.2709 bei Aluminium-Druckgussanwendungen über 450 °C.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Parameter | Werkzeugstahl 1.2343 (H11) | Werkzeugstahl 1.2344 (H13) | Maraging-Stahl 1.2709 (MS1) |
|---|---|---|---|
| Kohlenstoffgehalt | ~ 0.38 Gew.-% | ~ 0.40 Gew.-% | <= 0.03 Gew.-% (kohlenstoffarm) |
| Bauplattenvorheizung nötig? | Ja: 300 - 500 °C zwingend | Ja: 350 - 500 °C zwingend | Nein: Raumtemperatur bis 150 °C |
| Rissrisiko beim Druck | Sehr hoch bei T < 300 °C | Sehr hoch bei T < 300 °C | Extrem gering (unkritisch) |
| Erreichbare Härte (gehärtet/angelassen) | 50 - 54 HRC | 52 - 56 HRC | 50 - 54 HRC (Aushärtung bei 490 °C) |
| Warmfestigkeit (> 500 °C) | Exzellent (Druckguss geeignet) | Exzellent (höchste Verschleißfestigkeit) | Fällt ab 450 °C stark ab |
| Wärmeleitfähigkeit | 28 - 32 W/(m·K) | 26 - 30 W/(m·K) | 15 - 20 W/(m·K) (schlechtere Kühlung) |
| Polierbarkeit für Sichtflächen | Hervorragend (hochglanzpolierbar) | Sehr gut | Bedingt durch Titan-Ausscheidungen |
Warum Warmarbeitsstähle zu Rissbildung neigen
Beim konventionellen LPBF kühlt das Schmelzbad mit bis zu 10^5 K/s ab. Sobald die Temperatur die Martensit-Starttemperatur (Ms ca. 320 °C) unterschreitet, wandelt sich das austenitische Gefüge schlagartig in tetragonal verzerrten Martensit um. Diese Phasenumwandlung ist mit einer Volumendehnung verbunden. Treffen Umwandlungsspannungen auf ohnehin bestehende thermische Schrumpfspannungen, überschreitet die Spannung die Reißfestigkeit des spröden Stahls: Es entstehen Delaminationen von der Bauplatte und Querrisse durch das gesamte Bauteil.
Die Lösung: Hochtemperatur-Bauplattenheizung bis 500 °C
Moderne LPBF-Maschinen (z.B. mit Induktions- oder Widerstandsheizungen bis 500 °C) halten das Bauteil während des gesamten Druckprozesses oberhalb der Martensit-Starttemperatur. Das Material verbleibt im duktilen austenitischen Zustand; Spannungen können plastisch abgebaut werden. Erst nach kontrollierter, langsamer Abkühlung der gesamten Baukammer nach Prozessende erfolgt die kontrollierte Härtung, wodurch rissfreie Bauteile mit 99,9 % Dichte garantiert werden.
1.2343 vs. Maraging-Stahl 1.2709 im Werkzeugbau
Lange Zeit wurde im 3D-Druck fast ausschließlich Maraging-Stahl 1.2709 eingesetzt, da dieser dank Kohlenstoffarmut problemlos kalt gedruckt werden kann. Allerdings hat 1.2709 zwei gravierende Nachteile: Seine Warmfestigkeit bricht über 450 °C ein (ungeeignet für Aluminium-Druckguss), und seine Wärmeleitfähigkeit ist um ca. 40 % geringer als die von 1.2343. Echter Warmarbeitsstahl 1.2343 bietet überlegene Standzeiten bei abrasiven Kunststoffen und thermischer Wechselbeanspruchung.
Wärmebehandlung: Spannungsarmglühen und Anlassen
Nach dem Entpacken muss der Werkzeugeinsatz einem geregelten Vakuum-Wärmebehandlungszyklus unterzogen werden: Mehrstufiges Anlassen bei 540 bis 580 °C wandelt Restaustenit um und scheidet feine Sonderkarbide aus (Sekundärhärtemaximum). Das Ergebnis ist ein homogenes Vergütungsgefüge mit genau definierter Zielhärte (typisch 50-52 HRC) und hoher Zähigkeit gegen Warmrissbildung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Kann man 1.2343 auf Standard-3D-Druckern mit 200 °C Vorheizung drucken?
Welcher Stahl eignet sich besser für Druckguss: 1.2343 oder 1.2344?
Können konturnahe Kühlkanäle in 1.2343 poliert werden?
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