Kapitel 3: Durchschnittliche Konformität bedeutet nicht, dass lokale Risiken ausgeschlossen sind
Am Kaltfließpressstandort tritt häufig eine schwer zu beurteilende Anomalie auf:
Mit demselben Material, derselben Maschine und denselben Werkzeugen verläuft die Produktion der meisten Teile normal, während nur wenige Produkte gelegentlich Risse aufweisen. Bei erneuter Prüfung von Materialzertifikat, chemischer Zusammensetzung, Härte und Zugfestigkeit zeigen sich weiterhin konforme Werte.
Daher stellen viele Menschen die Frage:
Wenn das Material problematisch wäre, warum reißen dann nicht alle Teile einer Charge?
Der entscheidende Punkt lautet:
Das Materialzertifikat gibt einen repräsentativen Durchschnittswert der Charge wieder, während Risse beim Kaltfließpressen an den schwächsten Stellen des Materials auftreten können.
I. Wenige Risse bedeuten nicht zwangsläufig eine Mängelhaftigkeit der gesamten Charge
Risse beim Kaltfließpressen entstehen nicht durch einen einzigen Auslöser.
Von der Walzproduktion im Stahlwerk über Transport und Umladung sowie Ziehen und Umformung bis hin zur Zuführung, Schneidoperation und zum Kaltfließpressen selbst – jede einzelne Phase kann lokale Unregelmäßigkeiten hervorrufen, die sich im Verlauf starker plastischer Verformungen verstärken.
Daher deutet das Phänomen „die meisten Teile in Ordnung, wenige gerissen“ meist darauf hin, dass sich an einem bestimmten Punkt des Materials oder im Produktionsprozess lokale Bedingungen verändert haben.
Diese Veränderung betrifft möglicherweise lediglich einen Abschnitt innerhalb der Spule, eine Seite der Materialoberfläche oder eine kurze Phase im laufenden Produktionsablauf; daher kommt es nicht zu gleichzeitigen Rissen in der gesamten Charge.
II. Lokale Risiken können aus der gesamten Prozesskette herrühren
1. Ursprüngliche Defekte aus der Walzproduktion im Stahlwerk
Während des Walzvorgangs können sich am Draht Falten, Ohren, Risse, eingequetschte Fremdkörper und andere lokale Oberflächenanomalien bilden.
Einige dieser Defekte sind im Zustand der Spule noch kaum sichtbar und treten erst nach Beizen, Ziehen oder Kaltfließpressen allmählich zutage. Insbesondere in Bereichen hoher Verformungsgrade können sich bestehende Mängel entlang der Metallströmungsrichtung weiter ausdehnen.
2. Mechanische Beschädigungen durch Transport und Umladung
Bei Hebe-, Stapel- und Umladevorgängen können Spulen und Halbfertigdraht durch Kollisionen, Reibung oder punktuelle Quetschungen Kratzer, Druckstellen oder Schäden an der Oberflächenbeschichtung davontragen.
Diese Schäden verursachen zunächst vielleicht keine Probleme, werden jedoch im Kaltfließpressprozess häufig zum Ausgangspunkt lokaler Spannungskonzentrationen.
3. Im Ziehprozess eingetragene Schäden
Abgenutzte Ziehmatrizen, ungewöhnliche Zustände der Matrizenbohrungen oder Grate an Führungsrollen und Leitwalzen können auf der Drahtoberfläche kontinuierliche oder intermittierende Längsverkratzungen verursachen.
Manche dieser Defekte sind nach der Phosphatierung und Seifenbehandlung nicht leicht erkennbar; bei der starken plastischen Verformung im Kaltfließpressprozess können sich die verkratzten Stellen jedoch weiter öffnen und schließlich zu lokalen Rissen führen.
4. Im Zuführ-, Schneide- und Kaltfließpressprozess entstandene Anomalien
Grate an den Führungsteilen der Kaltfließpressmaschine, abgenutzte Scheren oder Schneidwerkzeuge sowie ungleichmäßige Schneidspalte können die Enden oder die Oberfläche der Rohlinge beschädigen.
Sind die Radien der Werkzeuge, die Koaxialität oder die Verteilung der Arbeitsgänge ungünstig ausgelegt, oder ist das Stauchverhältnis pro Stempeldurchgang bzw. die lokale Verformungsmenge zu hoch, kann trotz insgesamt konformer Materialeigenschaften ein Teilbereich die tatsächliche Verformungsfähigkeit überschreiten.
5. Vorhandensein lokaler Schwachstellen im Material
Seigerungen, grobe oder angesammelte Einschlüsse, lokale Mikrogefügeunregelmäßigkeiten sowie bestimmte metallurgische Gefügeanomalien können dazu führen, dass die Verformbarkeit des Materials an verschiedenen Stellen unterschiedlich ausfällt.
In den meisten Bereichen kann das Material normal fließen, während in lokalen Schwachstellen unter komplexen Belastungsbedingungen zunächst mikroskopische Risse entstehen und sich anschließend in nachfolgenden Werkzeugstationen schrittweise vergrößern.
Alleerdings reicht es nicht aus, Seigerungen, Einschlüsse oder Gefügeunterschiede festzustellen, um direkt auf das Material als Ursache des Risses zu schließen. Es muss zusätzlich geprüft werden, ob diese Anomalien tatsächlich mit dem Ausgangspunkt der Rissbildung und der charakteristischen Rissverlaufsmuster korrespondieren.
III. Warum können herkömmliche Prüfungen dennoch positiv ausfallen?
Eine einzelne Drahtrolle kann mehrere Kilometer lang sein, während chemische Zusammensetzungs-, metallographische und mechanische Prüfungen lediglich für begrenzte Probenahmestellen repräsentativ sind.
Falls lokale Unregelmäßigkeiten nicht in die Proben gelangen, können die Prüfergebnisse völlig unauffällig erscheinen.
Zudem sind manche Fehler nicht ursprüngliche Materialfehler des Stahlwerks, sondern entstehen erst während Transport, Ziehen, Zuführung, Schneiden oder Kaltfließformen. In solchen Fällen ist eine erneute Überprüfung der Originalmaterialzertifikate naturgemäß kaum zielführend.
Daher gilt:
Ein positives Prüfergebnis bescheinigt lediglich, dass die entnommenen Proben den Anforderungen entsprechen; es bedeutet jedoch nicht, dass in jeder Position der gesamten Rolle und in jedem weiteren Bearbeitungsschritt keine lokalen Risiken bestehen.
IV. Die eigentliche Herausforderung besteht nicht darin, die Ursachen aufzulisten, sondern den Ausgangspunkt zu finden
Gelegentlich auftretende Risse können sowohl auf das Material als auch auf Werkzeuge, Anlagen und Prozesse zurückzuführen sein; zudem können bereits vorhandene, relativ geringfügige lokale Defekte durch hohe Umformgrade und prozessbedingte Schwankungen gemeinsam verstärkt werden.
Risse unterschiedlicher Ursache zeigen mitunter sehr ähnliche Oberflächenmerkmale. Alleein ein Materialzertifikat, ein einzelnes Prüfergebnis oder sogar ein Foto eines Risses reichen meist nicht aus, um die Verantwortlichkeit eindeutig festzulegen.
Die professionelle Beurteilung muss vor allem folgende Fragen klären:
Dies erfordert eine umfassende Analyse der Rissmorphologie, der Auftretungspositionen, der jeweiligen Spulenabschnitte, der Produktionsmuster sowie der konkreten Betriebsbedingungen vor Ort. Wie genau Proben zu entnehmen sind, wie die Herkunft der Defekte zu unterscheiden und in welcher Reihenfolge Validierungsmaßnahmen durchzuführen sind, muss jeweils individuell entsprechend der Produktstruktur und den örtlichen Gegebenheiten festgelegt werden.
Meinung des Ingenieurs
Dass innerhalb einer Charge nur wenige Produkte Risse aufweisen, steht keineswegs im Widerspruch zur Annahme, dass Schwachstellen vorhanden sind.
Walzen im Stahlwerk, Transport- und Umschlagvorgänge, Ziehen und Umformen, Zuführung und Schneiden, Werkzeug- und Prozessbedingungen sowie der innere Zustand des Materials – all dies birgt potenziell lokale Risiken.
In Kapitel III genügt es, sich lediglich einen Satz zu merken:
Ein insgesamt qualifiziertes Ergebnis spiegelt den durchschnittlichen Qualitätsgrad der Charge wider, doch die stabile Serienproduktion stellt letztlich die Qualität des schlechtesten Einzelbereichs auf die Probe.
- An welcher Stelle hat sich der Defekt ursprünglich gebildet?
- Warum betrifft er nur wenige Produkte?
- Unter welchen Bedingungen wurde er schließlich zum offenen Riss verstärkt?
Bei gelegentlichen Rissen ist es weniger entscheidend, sofort zu urteilen, ob „das Material fehlerhaft ist“ oder „die Kundenprozesse problematisch sind“, sondern vielmehr, die spezifischen Phasen zu identifizieren, in denen sich der Defekt bildet und verstärkt. Nur wenn die Beweise eindeutig miteinander übereinstimmen, gewinnen Verantwortungsabgrenzung und Verbesserungsmaßnahmen ihren Sinn.
Sollten Sie mit einer Charge konfrontiert sein, bei der die meisten Teile einwandfrei sind, während vereinzelt Risse auftreten, senden Sie uns bitte Angaben zu Materialmarke, Drahtdurchmesser, betroffener Werkzeugstation und Fotos der Risse. Die Creation Group unterstützt Sie gerne dabei, ausgehend von Materialzustand und vor Ort herrschenden Prozessen prioritäre Untersuchungsschritte festzulegen und so wiederholtes Probieren mit Material, Werkzeugen und Anlagen zu reduzieren.
Vorschau auf die nächste Folge
Kapitel IV: „Obwohl der Sphäroidisierungsgrad den Vorgaben entspricht, warum schwankt dann die Umformwiderstandsfähigkeit beim Kaltfließformen?“