Wenn bei der Kaltfließpresse an Kopf, Flanschkante oder R-Ecke Risse festgestellt werden, ist die erste Reaktion vieler Menschen oft, das Material oder die Kaltfließpresswerkzeuge zu überprüfen.
Die Stellen, an denen sich am fertigen Produkt Defekte zeigen, sind jedoch häufig nur die Orte, an denen die Mängel letztlich sichtbar werden, und nicht unbedingt die Bereiche, in denen sie ursprünglich entstanden sind.
Einige Defekte entstehen bereits während des Stranggießens und Walzens, andere treten beim Transport oder Umladen auf, und wieder andere entstehen erst im Verlauf des Beizens, Ziehens, Durchlaufens, Zuführens und Schneidens.
Oberflächenfehler können sowohl aus vorgelagerten Prozessen weitergegeben werden als auch in den nachgelagerten Fertigungsschritten neu entstehen. Die Kaltfließpressung verändert lediglich das Erscheinungsbild der Defekte und kann die bereits geschädigte Materialintegrität nicht wiederherstellen.
Verlauf der Defekte: Stranggussblock → Walzdraht → Transport und Umladen → Beiz- und Umformprozess → Ziehen und Durchlauf → Kaltfließformen
I. Stranggussphase: Defekte können unterhalb der Oberfläche des Brammen beginnen
Die Bramme ist der Ausgangspunkt für den Drahtstrang. Abweichungen bei den Vibrationsmarken, unterhautliegende Gaseinschlüsse, Schlackeneinschlüsse, Narben und Vertiefungen können alle zur Ursache späterer Oberflächenfehler werden.
Abb. 1: Abnormale Vibrationsmarken an der Stranggussbramme. Normale, flache Vibrationsmarken sind noch kein Defekt; erst wenn die Marken ungewöhnlich tief ausgebildet sind oder sich am Grund Risse oder Schlackeneinschlüsse befinden, steigt das nachfolgende Risiko deutlich an.
Abb. 2: Nach dem Schleifen freigelegte unterhautliegende Gaseinschlüsse. Beim Walzen können diese Einschlüsse zusammengedrückt oder entlang der Walzrichtung gestreckt werden; ob ihre Innenwände oxidiert sind, beeinflusst, ob sie sich später zuverlässig verschweißen lassen.
Abb. 3: Schlackeneinschlüsse auf oder nahe der Oberfläche der Bramme. Schlacke verformt sich nicht gleichmäßig mit dem Stahlgrundwerkstoff; beim Walzen kann sie zerspringen, gestreckt werden und schließlich zu Narben, Falten oder linear verlaufenden Fehlern führen.
Abb. 4: Narben auf der Oberfläche der Bramme. Plattenförmige Metallanhäufungen können beim späteren Walzprozess stark verdünnt und in das Grundmaterial eingewalzt werden; die Oberfläche erscheint dann zwar geglättet, doch die innere Grenzfläche ist möglicherweise nicht wirklich miteinander verbunden.
Abb. 5: Vertiefungen auf der Oberfläche der Bramme. Der Begriff „Vertiefung“ beschreibt lediglich das äußere Erscheinungsbild; die genaue Ursache lässt sich jedoch erst durch die Analyse der Oxidation am Grunde der Vertiefung, der umgeknickten Kanten sowie der umliegenden Risse feststellen.
Oberflächenfehler der Bramme können während des Walzvorgangs zusammengedrückt, gestreckt oder in ihrer Richtung verändert werden. Eine scheinbar glatte Oberfläche bedeutet nicht, dass die ursprüngliche Materialunstetigkeit bereits beseitigt ist.
II. Walzstufe: Fehler werden gedehnt oder können neu entstehen
Rohstahlrisse können sich zu longitudinalen Rissen in den Drahtsträngen entwickeln; Narben und Einschlüsse können abgeplattet und gedehnt werden, und unterhäutige Gaseinschlüsse können ebenfalls als unterbrochene linienförmige Anomalien auftreten.
Auch während des Walzprozesses selbst können Defekte entstehen. Eine unzureichende Ausfüllung der Walzpassage, eine fehlerhafte Führung oder ein ungünstiger Walzspalt können Ohrbildungen verursachen; werden diese Ohren in nachfolgenden Passagen wieder in die Materialoberfläche eingedrückt, können Falten entstehen. Oxidschichten oder Fremdkörper, die in das Grundmaterial eingedrückt werden, hinterlassen zudem lokale Diskontinuitätsbereiche.
Abbildung 6: Querschnitt eines Faltendefekts. Die Oberflächenmetalllage ist zungenförmig eingerollt, ohne dass an der Grenzfläche eine zuverlässige Verbindung entstanden ist. Eine vorübergehende Schließung der Oberfläche bedeutet nicht, dass der innere Defekt bereits behoben ist.
Abbildung 7: Narbe auf der Oberfläche eines Drahtstrangs. Im Vergleich zu gewöhnlichen Kratzern weist diese Narbe häufig schuppenartige Anhaftungen sowie lokale Randaufwölbungen oder Abplatzungen auf.
Abbildung 8: Querschnitt eines Risses auf der Oberfläche eines Drahtstrangs. Der dargestellte Riss erstreckt sich von der Oberfläche bis in das Innere des GrundMaterialien; ob er mit Oxidation, Entkohlung oder einer anomalen Gefügestruktur einhergeht, bedarf weiterer Untersuchungen.
Falten und Risse sehen sich äußerlich manchmal ähnlich, doch ihre Entstehungsmechanismen unterscheiden sich grundlegend. Bei Falten handelt es sich um Bereiche, in denen Teile des Metalls eingewickelt wurden, ohne dass eine zuverlässige Verbindung entstand; bei Rissen hingegen ist die Kontinuität des GrundMaterialien bereits unterbrochen. Daher dürfen die Ursachen dieser beiden Defekte nicht voreilig miteinander gleichgesetzt werden.
III. Transport und Umladung: Stoß- und Reibschäden können ebenfalls zum Ausgangspunkt von Rissen werden
Während des Hebens, Abrollens, Stapelns und Transports können Coils durch Kollisionen, Abschleifen oder gegenseitiges Reiben Beschädigungen wie Kratzer, Eindrücke und Metallaufspreizungen erleiden. Solche Schäden sind meist lokal begrenzt und zufällig verteilt; sie konzentrieren sich häufig am äußeren Ring des Coil oder an Stellen, die beim Heben Kontakt hatten.
Abbildung 9: Kratz- und Stoßschäden, verursacht durch Transport oder Umladung. Ihre Richtung und Position sind in der Regel nicht eindeutig festgelegt und unterscheiden sich somit von den kontinuierlichen Längskratzern, die durch Ziehwerkzeuge entstehen.
Bei Produkten mit geringer Umformung führen leichte Beschädigungen nicht zwangsläufig sofort zu Auffälligkeiten; gelangen solche Teile jedoch in hochumgeformte Produkte mit komplexen Kopfformen oder dünnen Flanschen, kann sich an den geschädigten Stellen eine Spannungskonzentration bilden, die sich im Kaltfließpressprozess noch verstärkt.
IV. Der Beizprozess: Er kann sowohl vorhandene Fehler offenlegen als auch neue Schwachstellen hinterlassen
Nach dem Entfernen der Zunderschicht durch das Beizen treten ursprünglich überdeckte Risse, Falten, Knoten und Vertiefungen allmählich zutage. Daher bedeutet die Feststellung von Fehlern nach dem Beizen nicht zwangsläufig, dass diese erst während dieses Prozesses entstanden sind.
Wenn die Zunderschicht nicht vollständig entfernt wurde, können die verbliebenen Oxide eine gleichmäßige Phosphatschichtbildung beeinträchtigen und im Verlauf des Drahtziehvorgangs brechen, abplatzen oder in die Oberfläche des Stahldrahts eingedrückt werden.
Abbildung 10: Zunderschichtreste nach dem Beizen. Die dunklen Längsstreifen müssen noch von den in Falten oder Rissen verbliebenen Oxiden unterschieden werden; man sollte nicht allein aufgrund der Farbe Schlüsse ziehen.
Unsachgemäße Beizkontrolle kann außerdem zu Lochfraß und Oberflächenrauhigkeit führen. Ob es sich bei diesen Problemen um bereits bestehende, durch das Beizen freigelegte Mängel oder um neu hinzugekommene Defekte handelt, lässt sich nur durch den Vergleich von Proben vor und nach dem Beizvorgang klären.
V. Umformendes Ziehen: Längliche Ziehspuren – ein häufig unterschätzter neuer Defekt
Der Umformprozess dient nicht nur der Änderung der Materialabmessungen, sondern kann zugleich die Oberfläche des Stahldrahts direkt schädigen.
Verschleiß der Ziehmatrize, Eindringen von Zunderschichten oder Metallspänen in die Matrizenbohrung, kurzzeitiges Versagen des Schmierfilms sowie Grate oder ungewöhnliche Kontaktstellen an Umlenkrollen und Führungsorganen können fortlaufende oder unterbrochene Längsspuren verursachen.
Abbildung 11: Lokale Ziehspuren beim umformenden Ziehen. Die Defekte verteilen sich entlang der Länge des Stahldrahts und gehen mit Rillen, aufgestelltem Metall oder lokalen Abplatzungen einher.
Kurze, vereinzelte Ziehspuren weisen typischerweise auf harte Fremdkörper, zeitweilige Anhaftungen oder lokale Kontaktstellen hin; treten sie hingegen über längere Strecken kontinuierlich auf und befinden sich dabei relativ fest an bestimmten Positionen rund um den Umfang, sollten insbesondere die Ziehmatrize, die Führungsrollen und die Umlenkstellen genauer untersucht werden.
Alleerdings müssen solche Längsspuren nicht zwangsläufig vom Ziehprozess herrühren. Auch Walzrisse, Falten und Zunderschichtreste können nach dem Ziehen ein ähnliches Bild zeigen. Entscheidend ist daher, festzustellen, ob der Defekt bereits vor dem Ziehen vorhanden war oder erst ab einer bestimmten Matrize bzw. Umlenkstelle auftrat.
In diesem Kapitel werden ausschließlich die durch das Ziehen verursachten Oberflächenschäden behandelt. Die Auswirkungen der Querschnittsreduktion, der Zahl der Ziehstufen und der Kaltverfestigung auf die Kaltfließformbarkeit werden im sechsten Kapitel gesondert erörtert.
VI. Vor der Kaltfließformung: Häufig übersehene neue Defekte in der letzten Bearbeitungsphase
Auch nachdem das Material in die Kaltfließformmaschine eingezogen wurde, jedoch noch vor der eigentlichen Formgebung, können weitere Oberflächenschäden entstehen. Umlenkrollen, Richt- und Zuführmechanismen können den Draht verkratzen; verschlissene, ausgebrochene oder rissige Schneidwerkzeuge bzw. -matrizen können zudem die Stirn- oder Seitenflächen der Rohlinge beschädigen.
Wenn Defekte stets in einer festgelegten Richtung und an einer konstanten Position auftreten oder sich nach dem Austausch von Umlenkrollen oder Schneidwerkzeugen deutlich verändern, reicht es nicht aus, lediglich die Materialzertifikate und die Ursprungsspulen zu überprüfen.
VII. Warum „vererben“ sich Fehler bis zum fertigen Produkt?
Das Ziehen dehnt das Material in Längsrichtung, während das Kaltfließpressen sowohl eine axiale Kompression als auch eine radiale Umformung bewirkt. Bestehende Fehlstellen können dabei gedehnt, verengt oder vorübergehend verschlossen werden; sie können sich aber auch mit dem Materialfluss zur Kopfseite, zum Flansch oder in die R‑Ecke verlagern und an Bereichen hoher Verformung wieder aufbrechen.
Abbildung 12: Rissbildung am Rand des Flansches eines kaltgepressten Fertigteils. Das Foto zeigt den Ort, an dem der Fehler schließlich sichtbar wird; allein anhand des Erscheinungsbildes lässt sich jedoch nicht rückgeschlossen haben, dass der Fehler unmittelbar aus dem Ausgangsmaterial stammt.
Ein longitudinaler Defekt im Draht behält nach der Weiterverarbeitung zum Fertigteil nicht zwangsläufig seine ursprüngliche geradlinige Form bei. Er kann sich beispielsweise als Riss am Kopfrand, als Falte am Flansch, als Riss in der R‑Ecke oder als lokale Einbuchtung manifestieren – die genaue Position hängt von der Bauteilgeometrie, der Schnittrichtung und dem Materialflussweg ab.
Der Fehler überträgt sich nicht einfach eins zu eins auf das Fertigteil, sondern nimmt in jeder einzelnen Bearbeitungsstufe eine andere Gestalt an und bleibt dennoch präsent.
VIII. Entscheidend für die Ursachenanalyse ist der Zeitpunkt des ersten Auftretens
Nur die Untersuchung der letztlich gerissenen Teile reicht meist nicht aus, um festzustellen, aus welcher Prozessstufe der Fehler stammt. Effektiver ist es, eine Probenkette entlang der Stufen Rohstahlblock, Walzdraht, sauer gewaschenes Material, gezogene Halbfabrikate, Kaltfließpressrohlinge und schließlich Fertigteile aufzubauen, um die Stufe zu identifizieren, in der der Fehler erstmals sichtbar wird.
Treten die Anomalien nur in einem bestimmten Abschnitt einer Spule auf, oder verteilen sie sich gleichmäßig über die gesamte Rolle? Ist die Richtung des Fehlers sowie seine Position entlang des Umfangs konstant? Ändern sie sich nach dem Austausch von Werkzeugen, Umlenkrollen oder Schneidmessern? Finden sich im Innern der Risse Oxidation, Entkohlung oder ungewöhnliche Metallströmungen? Alle diese Hinweise können bei der Ursachenrecherche helfen, dürfen jedoch nicht losgelöst von den prozessspezifischen Aufzeichnungen betrachtet werden.
Sicht eines Ingenieurs
Oberflächenfehler können während des Stranggießens, des Walzens, beim Transport, beim Beizen sowie bei der Umformung durch Ziehen entstehen; außerdem können sie bereits in den Phasen der Seilführung, der Zuführung und des Schneidens an der Kaltfließpressmaschine entstehen.
Dort, wo das Fertigteil bricht, hat sich der Fehler nicht notwendigerweise gebildet.
Fertigteildefekte sind das Ergebnis; erst wenn man die Stufe ermittelt, in der der Fehler erstmals sichtbar wurde, kommt man seinem eigentlichen Ursprung nahe.
Die Rückverfolgung von Fehlern dient nicht primär der Zuordnung von Verantwortlichkeiten, sondern dem Aufbau einer lückenlosen Beweiskette über alle Prozessschritte hinweg.
Wenn Sie ebenfalls mit Narben, Längsverletzungen, Falten oder gelegentlichen Rissen beim Kaltfließpressen konfrontiert sind, senden Sie mir bitte Angaben zu Werkstoffnummer, Baumaßen, Fotos der Defekte, betroffenen Arbeitsstationen sowie deren Verteilungsmuster. Ich helfe Ihnen zunächst einzuschätzen, ob die Ursachenrecherche besser bei den Roheisenlieferanten, der Transportsicherung, der Beiz- und Umformziehlinie oder bei der Kaltfließpressanlage ansetzen sollte.
Vorschau auf die nächste Folge
Kapitel VI: «Derselbe Werkstoff – warum unterscheiden sich die Kaltfließpress-Eigenschaften je nach vorangegangenem Ziehprozess?»
In der nächsten Folge geht es insbesondere darum, wie der Querschnittsreduktionsgrad, die Zahl der Ziehstufen und die Kaltverfestigung den tatsächlichen Zustand des Materials beeinflussen, bevor es in die Kaltfließpressmaschine gelangt.