Im vorherigen Kapitel haben wir eine zentrale Aussage gemacht:
Eine Einhaltung der Materialstandards bedeutet noch lange nicht, dass die Kaltfließpresstechnologie stets stabil verläuft.
Im zweiten Kapitel setzen wir unsere Erörterungen fort:
Was genau regelt eigentlich ein Materialstandard? Und warum kann ein Norm die Prozessvalidierung nicht ersetzen?
Bei der Materialbeschaffung und der Qualitätsprüfung spielen Normen eine entscheidende Rolle.
Denn Normen klären zunächst die grundlegendste Frage:
Hat dieses Material die vereinbarten technischen Anforderungen erfüllt?
Zum Beispiel: Liegen die chemischen Zusammensetzungen innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen? Stimmen die Abmessungstoleranzen der Stahlstränge oder -drähte? Erfüllen mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Querschnittsreduktion und Härte die geforderten Werte? Weist die Oberfläche keine offensichtlichen Risse, Falten, Knoten oder schweren Kratzer auf? Entspricht der Lieferzustand den Bestellanforderungen?
Einige Normen legen außerdem Prüfverfahren, Probenahmestellen, Wiederholungsprüfregeln, Verpackungs- und Kennzeichnungsrichtlinien sowie Qualitätszertifikate fest.
Alle diese Aspekte bilden die gemeinsame Sprache für die Qualitätskommunikation zwischen Lieferant und Abnehmer.
Ohne Normen lässt sich die Materialqualität kaum beurteilen; ohne entsprechende Prüfungen fehlt jede Grundlage zur Unterscheidung von „konform“ und „nicht konform“.
Daher sind Normen keineswegs unwichtig.
Ganz im Gegenteil: Sie stellen das erste entscheidende Kriterium dar, bevor Material in den Produktionsprozess gelangt.
Aber genau hier liegt auch das Problem.
Normen definieren lediglich die grundlegenden Grenzwerte eines Materials, garantieren jedoch nicht den Erfolg eines bestimmten Kaltfließpressverfahrens.
Materialstandards formulieren in der Regel allgemeine Anforderungen für eine spezifische Legierungsart, Materialklasse oder Lieferbedingung.
Sie prüfen, ob das Material die Basisvoraussetzungen für seine Nutzung erfüllt, nicht jedoch, ob sich ein konkretes Kundenbauteil zuverlässig umformen lässt.
Zum Beispiel gilt eine bestimmte Legierung als qualifiziert, solange ihre chemischen Komponenten innerhalb der Normgrenzen liegen.
Auf der Kaltfließpresswerkstatt hingegen beeinflussen die tatsächlichen Gehalte an C, Mn, Cr, Mo, B – ob am oberen, mittleren oder unteren Ende des Spektrums – die Umformwiderstände, die Reaktion beim Glühen sowie das spätere Verhalten während der Wärmebehandlung.
Der Norm besagt lediglich:
Die Zusammensetzung liegt innerhalb der Grenzwerte.
Aber er sagt nichts darüber aus:
Ist das Material bei Kaltfließpressprozessen mit hoher Umformdehnung hinsichtlich seiner Fließeigenschaften stabil?
Ein weiteres Beispiel: Normen legen Richtwerte für Zugfestigkeit, Härte und Querschnittsreduktion fest.
Natürlich sind diese Parameter wichtig, doch sie reflektieren meist das Verhalten des Materials unter normalen Zug- oder Härteprüfbedingungen.
Die Kaltfließpressumformung ist jedoch kein einfacher Zugversuch.
Es handelt sich vielmehr um eine starke plastische Verformung, die durch mehrachsige Druckkräfte, radiale Fließbewegungen, lokale Dehnung, Scherung und Reibung entsteht.
Ein Material mag im Prüfstück bestanden haben, was jedoch nicht bedeutet, dass es auch in komplex geformten Köpfen, tiefen Bohrungen, Stufen, Flanschen, Sechskantteilen oder Sicherheitskomponenten für Fahrzeuge gleichbleibend stabil bleibt.
Normen regeln ebenfalls die Oberflächengüte.
Alleerdings werden Oberflächengegebenheiten dort in der Regel nach sichtbaren Fehlern, zulässigen Tiefe und Prüfmethoden bewertet.
Für Bauteile mit geringer Umformdehnung mögen manche kleinere Defekte unproblematisch sein.
Bei hochdeformierten, komplex geformten oder risikoreichen Teilen können jedoch selbst kleine lokale Kratzer, Falten, Entkarbonisierung oder freiliegende Einschlüsse während des Kaltfließpressprozesses verstärkt werden und zum Ausgangspunkt von Rissen werden.
Das ist der wesentliche Unterschied zwischen der Beurteilung nach Normen und der Prozessvalidierung.
Bei der Normbeurteilung steht im Vordergrund:
Wird der vorgeschriebene Bereich überschritten?
Bei der Prozessvalidierung geht es dagegen darum:
Kann das Material unter realen Produktionsbedingungen kontinuierlich und stabil verarbeitet werden?
Insbesondere bei Kaltfließpressmaterialien gibt es einige Faktoren, die vom Norm oft nur unzureichend abgedeckt werden.
Erstens: Die innere Gefügestruktur und der Zustand der Korngrenzen.
Beim kugelgeglühten Material fordern Normen beispielsweise einen bestimmten Kugelungsgrad, Härtebereich oder eine definierte Mikrostruktur.
Auf der Kaltfließpresswerkstatt interessiert man sich jedoch eher dafür:
Sind die Karbide fein und gleichmäßig verteilt? Stimmen Kern und Randschicht überein? Gibt es Schwankungen zwischen verschiedenen Windungen oder Positionen?
Zudem sollte man einem leicht übersehenen Problem besondere Aufmerksamkeit schenken:
Die Oxidation der Korngrenzen.
Die Korngrenzoxidation entsteht häufig während des Erwärmens, Glühens oder der Wärmebehandlung infolge oxidierender Atmosphäre. Sie ist weniger augenfällig als offene Risse oder Falten, schwächt jedoch entlang der Korngrenzen lokal die Bindungsstärke des Materials.
Unter normalen Bearbeitungsbedingungen bleibt eine leichte Korngrenzoxidation möglicherweise unbemerkt; während der starken plastischen Verformung beim Kaltfließpressen jedoch erfahren Materialien durch kombinierte Druck-, Zug-, Scher- und Reibekräfte erhöhte Belastungen, wodurch geschwächte Bereiche an den Korngrenzen leicht zu Ausgangspunkten mikroskopischer Risse werden können.
Besonders bei Produkten mit hoher Umformdehnung, komplexen Köpfen, Flanschteilen oder Sicherheitskomponenten für Fahrzeuge kann die Korngrenzoxidation zusammen mit Oberflächenentkarbonisierung, Einschlüssen, kaltverfestigenden Effekten oder unzureichender Schmierung schnell zu Rissbildungen führen.
Daher darf man sich bei der Betrachtung der inneren Gefügestruktur nicht allein auf die „Kugelungsrate“ beschränken, sondern muss prüfen, ob die Struktur homogen ist, die Korngrenzen sauber bleiben und keine Entkarbonisierung, Oxidation oder Korngrenzschwächung an der Oberfläche erkennbar sind.
Ein Norm mag die Gefügestruktur als grundsätzlich akzeptabel einstufen, doch die Prozessvalidierung fragt vielmehr:
Kann diese Gefügestruktur, dieser Oberflächenzustand und dieser Korngrenzenstatus die tatsächlich erforderlichen Kaltfließpressumformungen des Kunden problemlos aushalten?
Zweitens: Der Bearbeitungszustand nach dem Ziehen.
Eine und dieselbe Stahlrolle kann je nach unterschiedlicher Querschnittsreduktion, Zahl der Durchgänge, Werkzeugwinkeln und Schmierbedingungen völlig unterschiedliche Versprödungsgrade und Restspannungen aufweisen.
Obwohl Zugfestigkeit und Härte des Materials weiterhin innerhalb der Normgrenzen liegen, können sich dessen Fließeigenschaften, Rückstellvermögen, Risiko von Rissbildung und Dimensionsstabilität beim Kaltfließpressen deutlich unterscheiden.
Drittens: Das dynamische Verhalten der Phosphatseifen-Oberflächenbeschichtung.
Der Norm oder die Prüfung attestieren zwar eine vorhandene Beschichtung, doch auf der Kaltfließpresswerkstatt interessiert man sich vor allem dafür:
Ist die Beschichtung gleichmäßig und festhaftend? Besitzt sie ausreichende Dehnfähigkeit? Wird sie bereits bei der ersten Umformung bröckeln oder abplatzen? Kann sie auch in den folgenden Arbeitsstationen noch eine effektive Schmierung gewährleisten?
Die Kaltfließpressumformung ist kein statisches Prüfverfahren, sondern ein kontinuierlicher Prozess über viele Stationen hinweg.
Wenn die Phosphatseifen-Beschichtung zwar beim Wareneingang noch intakt erscheint, aber später im Werkzeug nicht mehr vollständig mit dem Material deformiert wird, kann es lokal zu trockener Reibung kommen.
Steigt die Reibung an, verschlechtert sich die Materialfließfähigkeit, die Werkzeugtemperatur steigt, und sowohl die Maßhaltigkeit als auch die Oberflächengüte des Produkts geraten ins Schwanken.
Viertens: Die Ausrüstungs- und Werkzeugbedingungen beim Kunden vor Ort.
Ein und dieselbe Materialcharge kann auf unterschiedlichen Kaltfließpressmaschinen, bei variierender Werkzeuggenauigkeit, unterschiedlicher Schmiermittelzufuhr oder divergierender Temperaturkontrolle ganz unterschiedliche Leistungen zeigen.
Manche Maschinen zeichnen sich durch hohe Steifigkeit, stabile Koaxialität, ausreichende Schmierung und effiziente Temperaturregelung aus, sodass das Material zuverlässig umgeformt wird.
Wechselt man jedoch zur nächsten Maschine, wo Probleme bei der Werkzeugpassung, der Schmiermittelzufuhr, der Stationszuweisung oder der Temperaturbalance auftreten, kann dieselbe Materialcharge plötzlich Risse, unzureichende Füllung oder Maßschwankungen aufweisen.
Alle diese Aspekte lassen sich allein durch Materialstandards kaum vollständig erfassen.
Daher kann der Norm die Prozessvalidierung nicht ersetzen.
Die Prozessvalidierung soll klären:
Kann dieses Material nach seinem Eintreffen in meinem Produktionsprozess, meinen Werkzeugen, meiner Maschine und meinem Schmiersystem kontinuierlich, stabil und mit minimalen Schwankungen produziert werden?
Ein professionellerer Ansatz besteht nicht darin, Normen und Prozessvalidierung gegeneinander auszuspielen, sondern beide Schichten sinnvoll zu integrieren.
Normen dienen der Festlegung der materiellen Mindestanforderungen.
Technische Vereinbarungen ergänzen spezielle Kundenanforderungen.
Wareneingangsprüfungen sichern die Chargenkonstanz.
Probeproduktionen ermöglichen die Beobachtung der tatsächlichen Umformleistung.
Die Massenproduktionsüberwachung stellt die langfristige Stabilität sicher.
Nur durch die Kombination dieser einzelnen Schritte lässt sich eine wirklich geeignete Materialbeurteilung für die Kaltfließpressbranche erreichen.
Die zentrale Botschaft des zweiten Kapitels lautet daher:
Materialstandards klären die Frage: „Darf das Material in die Fabrik eingehen und geliefert werden?“; die Prozessvalidierung hingegen beantwortet die Frage: „Kann das Material zuverlässig umgeformt und langfristig in Serie hergestellt werden?“
Normen sind grundlegend, aber nicht abschließend.
Eine wirklich zuverlässige Kontrolle von Kaltfließpressmaterialien muss über die bloße Einhaltung von Normen hinausgehen und sich auf die prozessuale Passung sowie die Stabilität vor Ort konzentrieren.
In der nächsten Folge behandeln wir das dritte Kapitel:
Welche Materialparameter werden am häufigsten übersehen, beeinflussen jedoch maßgeblich die Stabilität beim Kaltfließpressen?