Kapitel 6: Der Stahldraht wird dünner, und der Materialzustand verändert sich
Auf dem Kaltdruckumformungsplatz tritt eine Situation häufig auf:
Die Werkstoffnummer ist gleich, das Stahlwerk ist dasselbe, und die letztlich gezogenen Abmessungen stimmen ebenfalls überein. Dennoch läuft die Produktion mit der einen Charge problemlos, während bei der anderen Charge Unregelmäßigkeiten beim Formen auftreten, die Köpfe nicht vollständig gefüllt werden und gelegentlich sogar Risse entstehen.
Wo liegt das Problem?
Viele Menschen glauben, beim Ziehen werde der dicke Stahldraht lediglich gedünnt; solange die Maße stimmen, sei alles in Ordnung.
Tatsächlich ist es jedoch nicht so einfach.
Beim Ziehen ändert sich nicht nur der Durchmesser, sondern auch die spätere Umformbarkeit des Materials.
I. Derselbe Endpunkt bedeutet nicht, dass derselbe Weg zurückgelegt wurde
Obwohl beide Chargen schließlich auf 10 mm gezogen werden, beginnt die eine vielleicht bei 11 mm, die andere hingegen bereits bei 13 mm.
Obwohl der Enddurchmesser identisch ist, hat die zweite Charge deutlich größere Verformungen erfahren.
Je stärker der Stahldraht gedehnt wird, desto härter und zugfestiger wird er in der Regel. Bei der anschließenden Kaltdruckumformung ändern sich somit auch die erforderlichen Umformkräfte.
Daher lässt sich die Frage, ob ein Material sich gut kalt umformen lässt, nicht allein anhand der Endabmessungen beurteilen. Vielmehr kommt es darauf an:
Wie dick war das Material ursprünglich, und wie stark wurde es insgesamt gedehnt?
Das ist vergleichbar mit zwei Personen, die gleichzeitig den Gipfel erreichen: Die eine fährt mit der Seilbahn hinauf, die andere steigt zu Fuß empor. Obwohl sie am selben Ort stehen, unterscheidet sich ihr körperlicher Zustand grundlegend.
II. Zu viel Dehnung in einem Zug oder mehrere Ziehvorgänge – das Ergebnis ist unterschiedlich
Eine Stahldrahtrolle kann vom Rohdurchmesser bis zum Feindurchmesser entweder in einem einzigen Schritt stark reduziert werden oder in mehreren Etappen nach und nach abgestuft gezogen werden.
Zieht man den Draht in einem einzigen Zug zu stark, erhöhen sich Druck, Reibung und Temperatur zwischen Draht und Matrize, und die Veränderungen an der Oberfläche können von denen im Inneren abweichen.
Alleerdings gilt auch: Mehrere Ziehvorgänge sind nicht zwangsläufig besser.
Zu viele Ziehprozesse führen ebenfalls zu einer fortlaufenden Anhäufung von Reibungs- und Verformungseinflüssen.
Wirklich entscheidend ist die Gestaltung jeder einzelnen Ziehstufe, insbesondere die Eignung der letzten Ziehstufe.
Es kommt nicht nur darauf an, wie stark insgesamt gezogen wird, sondern auch darauf, wie die letzte Ziehstufe ausgeführt wird.
Dies erklärt, warum verschiedene Umrüstbetriebe trotz Verwendung desselben Banddrahts letztlich unterschiedliche Umformeigenschaften erhalten.
III. Auch Stahldraht „merkt“ sich die Belastungsrichtung
Beim Ziehen wird der Stahldraht hauptsächlich in Zugrichtung gedehnt.
Beim Kaltfließpressen wird das Material dagegen komprimiert und fließt sowohl zur Kopfseite als auch nach außen.
Das heißt, das Material erfährt zunächst eine Dehnung und muss anschließend sofort Druckbelastungen aufnehmen.
Wenn ein Metall in einer Richtung verformt wurde und anschließend in die entgegengesetzte Richtung belastet wird, kann sich sein Verformungsverhalten ändern. In der Technik nennt man dieses Phänomen den Bauschinger-Effekt.
Einfach ausgedrückt:
Der Stahldraht behält im Gedächtnis, wie er zuvor gedehnt wurde.
Nach dem Ziehvorgang erhöht sich zwar die Zugfestigkeit des Materials, doch dies bedeutet nicht, dass sich auch der Widerstand gegen Verformungen in Kompressionsrichtung beim Kaltfließpressen entsprechend verstärkt.
Daher darf man bei der Beurteilung eines gezogenen Werkstoffs nicht nur auf Zugfestigkeit und Härte achten, sondern muss auch berücksichtigen, welchen Verformungsrichtungen er anschließend ausgesetzt sein wird.
IV. Die „Verhärtung“ und die „Richtungsgedächtnis“-Effekte treten nach dem Ziehen gleichzeitig auf
Im Allegemeinen härtet das Material nach dem Ziehen durch kaltplastische Verformung.
Wenn das Material jedoch von Zugbeanspruchung auf Druck umschaltet, wirkt zusätzlich der Bauschinger-Effekt.
Beide Effekte treten gleichzeitig auf:
- Je stärker die Verformung beim Ziehen war, desto größer ist in der Regel der Widerstand gegen weitere Verformungen;
- Bei Änderung der Belastungsrichtung kann das Material zudem früher mit der Kompressionsverformung beginnen.
Welcher Effekt in der Anfangsphase überwiegt und welcher später dominierend wird, hängt von der Werkstoffart, dem Ausgangszustand sowie dem Umfang des Ziehvorgangs ab.
Daher lässt sich weder pauschal sagen: „Je weniger gezogen, desto besser“, noch: „Je mehr gezogen, desto besser – dank des Bauschinger-Effekts.“
Entscheidend ist vielmehr ein angemessener Bereich.
Dieser Bereich ist jedoch nicht für alle Werkstoffsorten, alle Querschnitte und alle Produkte identisch.
V. Warum sind bainitische nicht vergütete Stähle besonders beachtenswert?
Bei bestimmten bainitischen und hochfesten nicht vergüteten Stählen tritt der Bauschinger-Effekt beim Wechsel von Zugbeanspruchung nach dem Ziehen hin zur Kaltfließpresskompression besonders deutlich in Erscheinung.
Diese Werkstoffe weisen bereits von Natur aus eine hohe Festigkeit auf. Nach dem Ziehen steigt ihre Zugfestigkeit zwar weiter an, doch ihr Widerstand gegen Kompressionsverformungen beim Kaltfließpressen nimmt nicht unbedingt im gleichen Maße zu.
Dies ist eine Besonderheit, die bainitische nicht vergütete Stähle im Hinblick auf kaltverfestigende Prozesse und das Kaltfließpressen besonders interessant macht.
Daher sollte man solche Werkstoffe nicht allein anhand der Zugfestigkeit und Härte nach dem Ziehen beurteilen, sondern deren Ziehgrad, Produktionszeit sowie tatsächliche Leistung beim Kaltfließpressen ebenfalls einbeziehen und umfassend analysieren.
6. Warum verändert sich das Verhalten des Materials nach einer gewissen Lagerzeit noch?
Manche Materialien können unmittelbar nach dem Ziehen problemlos weiterverarbeitet werden; lagern sie jedoch eine Zeit lang, ändert sich ihr Verhalten bei der Produktion.
Der Grund liegt darin, dass der innere Zustand des Drahtes nach dem Ziehen nicht sofort stabilisiert ist.
Mit zunehmender Lagerdauer und wechselnden Temperaturen können sich die Festigkeit sowie das weitere Umformverhalten des Materials weiter anpassen.
Daher sollten Sie beim Vergleich zweier Chargen neben Werkstoffnummer und Prüfbericht auch Folgendes prüfen:
- Wann wurden beide Chargen gezogen;
- wie lange wurden sie nach dem Ziehen gelagert;
- ob es deutliche Unterschiede in den Lagerbedingungen gab.
Diese Informationen erscheinen zwar zunächst banal, sind jedoch mitunter entscheidende Hinweise, um die Ursache zu identifizieren.
7. Was sollte man bei auftretenden Problemen vergleichen?
Wenn Materialien gleicher Werkstoffnummer und Spezifikation unterschiedlich im Kaltfließpressen verarbeiten lassen, empfiehlt es sich, zunächst folgende Daten zu vergleichen:
- die Ausgangsabmessungen vor dem Ziehen;
- die Abmessungen nach dem Ziehen;
- die Anzahl der einzelnen Ziehvorgänge dazwischen;
- ob die Reduzierung beim letzten Ziehschritt gleich war;
- die Produktionsanlagen und Umformzeiten beider Chargen;
- die Lagerdauer nach dem Ziehen;
- ob die beim Kaltfließpressen auftretenden Unregelmäßigkeiten jeweils mit der Umformcharge korrespondieren.
Ändern sich die Störungen nach einem Wechsel der Umformcharge, während Maschinen, Werkzeuge und Produkte unverändert bleiben, muss vor allem der Ziehprozess beider Chargen genauestens untersucht werden.
Doch allein aufgrund unterschiedlicher Parameter lässt sich noch keine endgültige Schlussfolgerung ziehen.
Eine fundierte Beurteilung setzt vielmehr voraus, dass die Veränderungen im Ziehprozess tatsächlich mit den Materialeigenschaften und den beim Kaltfließpressen auftretenden Auffälligkeiten in Zusammenhang gebracht werden können.
Die Sicht eines Ingenieurs
Das Ziehen besteht nicht nur darin, einen Draht von einer größeren auf eine kleinere Abmessung zu reduzieren.
Es beeinflusst zudem die Festigkeit des Materials, seine Fähigkeit zur weiteren Umformung sowie sein Verhalten beim Übergang vom Zug- zum Druckverhalten.
Die Rohmaterialqualität legt die Grundlage fest, während der Ziehprozess darüber entscheidet, in welchem Zustand das Material letztlich in die Kaltfließpressmaschine gelangt.
Daher kann es vorkommen, dass Materialien gleicher Werkstoffnummer und Spezifikation einmal gut fließpressbar sind, ein anderes Mal jedoch nicht. Die Ursache liegt dabei nicht zwangsläufig im Materialgutachten, sondern kann auch im Ziehprozess begründet sein.
Wenn Sie ebenfalls auf unterschiedliches Verarbeitungsverhalten gleichwertiger Materialien stoßen, senden Sie mir bitte die Werkstoffnummer, die Abmessungen vor und nach dem Ziehen, die Anzahl der Ziehvorgänge, die Produktionsdaten sowie Fotos der fehlerhaften Teile.
Ich helfe Ihnen zunächst einzuschätzen, ob die Ursachen eher im Rohmaterial, im Zieh- und Umformprozess oder in der Kaltfließpresstechnologie zu suchen sind.
Vorschau auf die nächste Folge
Kapitel 7: „Warum treten trotz scheinbar vorhandener Phosphat-Saponisierung beim Kaltfließpressen weiterhin Probleme auf?“
In der nächsten Folge geht es insbesondere darum: Warum bedeutet eine scheinbar vorhandene Oberflächenbeschichtung nicht automatisch, dass während des Kaltfließpressvorgangs stets ausreichend Schmierschutz gewährleistet ist.