Der Zweck des Kugelglühens besteht darin, die Kaltumformbarkeit von mittelkohlenstoffhaltigen Stählen und legierten Stählen zu verbessern.
Alleerdings wird bei der werkseitigen Materialbeurteilung häufig allein die „Kugelungsrate“ als einziger Maßstab herangezogen. Sobald Kugelungsrate und Härte den Anforderungen entsprechen, wird das Material pauschal als gut für das Fließpressen eingestuft.
Doch in der praktischen Produktion verhält es sich nicht immer so.
Mit gleicher Werkstoffnummer, ähnlicher Härte und identischer Kugelungsrate lässt sich manches Material problemlos schmieden und umformen, während anderes die Maschine stärker belastet, komplexe Bereiche nur schwer ausfüllt und sich nach längerem Dauerbetrieb Lastverlauf sowie Abmessungen leichter verändern.
Entscheidend ist:
Gleiche Kugelungsrate bedeutet weder gleichen Gefügezustand noch gleiche Leistung beim Kaltfließpressen.
I. Die Kugelungsrate ist nur ein Teil der Gefügebewertung
Das Kernziel des Kugelglühens besteht darin, dass sich ungünstig ausgebildete Lamellen- oder Kettenkarbide im Stahl durch mehrere Gefügeumwandlungsschritte – wie Segmentierung, Auflösung, Neubildung und Zusammenlagerung – allmählich zu körnigen oder nahezu kugelförmigen Karbidpartikeln in einer ferritischen Grundmasse entwickeln.
Hier ändern sich vor allem Form, Größe und Verteilung der Karbide.
Daher darf die Beurteilung des kugelgeglühten Gefüges nicht allein auf einen Prozentsatz beschränkt bleiben; mindestens drei weitere Aspekte sind zu berücksichtigen:
- Form: Sind die Karbide rund und gleichmäßig, oder weisen sie noch Lamellen-, Ketten- oder Netzstrukturen auf?
- Größe: Sind die Partikel zu fein oder zu dicht verteilt? Treten lokal grobe Karbide auf?
- Verteilung: Ist die Verteilung der Karbide homogen? Unterscheiden sich Oberfläche, Mittelzone und Kern hinsichtlich der Karbidverteilung?
Vor allem gilt es zu beachten:
Karbide sind weder umso besser, je feiner sie sind, noch umso schlechter, je gröber sie werden.
Zu feine und zu dicht verteilte Partikel können den Verformungswiderstand erhöhen; lokal grobe oder gruppenweise zusammenstehende Karbide wiederum führen zu ungleichmäßiger Umformung.
Den tatsächlichen Einfluss auf die Leistung beim Kaltfließpressen bestimmt vielmehr die Kombination aus Karbidgröße, Partikelabständen und deren Verteilungszustand.
II. Bei gleicher Kugelungsrate kann der Ferritzustand unterschiedlich sein
Ein kugelgeglühtes Gefüge besteht nicht allein aus Karbiden.
Während des Kaltfließpressprozesses beeinflussen die Karbide die Materialverformung, während die ferritische Grundmasse die Hauptlast der plastischen Verformung trägt.
Die Ferritkorngröße, das Ausmaß der Erweichung, vorhandene Restbearbeitungshärtungen sowie die Homogenität des Gefüges beeinflussen maßgeblich, ob sich ein Werkstoff gut fließpressen lässt.
Sogar bei annähernd gleichen Kugelglühverfahren können unterschiedliche Ausgangsgefüge nach dem Warmwalzen letztlich zu variierenden Glühresultaten und unterschiedlichen Erweichungsgraden der Grundmasse führen.
Daher kann es vorkommen, dass zwei Metallografieaufnahmen zwar ähnlich aussehen, die tatsächliche Fließfähigkeit des Materials in der Matrize jedoch weiterhin deutliche Unterschiede aufweist.
III. Ein Sichtfeld kann nicht das gesamte Gefüge repräsentieren
Wenn man nur eine einzige Position und ein einziges Sichtfeld für die Aufnahme eines Metallographiebildes auswählt, besteht die Gefahr, dass lokale Anhäufungen, bandförmige Verteilungen oder verbleibende Lamellen nicht sichtbar werden.
Eine einzelne Position mag zwar den Qualitätsanforderungen genügen, doch dies beweist noch lange nicht, dass das gesamte Gefüge überall identisch ist; ebenso wenig lässt sich allein anhand eines Querschnitts sicherstellen, dass das gesamte Materialrollenmaterial keine Schwankungen aufweist.
Für eine professionellere Beurteilung müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:
- Gefügedifferenzen zwischen der Oberfläche, dem Bereich in der Mitte des Radius und dem Kern;
- Ob die verschiedenen Abschnitte einer Rolle einheitlich sind;
- Ob es einen Zusammenhang zwischen normalen und anomalen Bereichen gibt.
Dies ist auch der Grund, warum trotz qualifizierter Werkstoffnachweise und einzelner Metallographieaufnahmen vor Ort dennoch Probleme beim Rundschmieden auftreten können.
IV. Warum lassen sich manche Materialien trotz ähnlicher Härte leicht schmieden, während andere schwer zu bearbeiten sind?
Härte ist zwar ein wichtiger Parameter, jedoch handelt es sich dabei lediglich um Messergebnisse an begrenzten Stellen.
Das Kaltfließpressen ist ein kontinuierlicher Prozess großer plastischer Verformung. Das Material muss nicht nur zuerst beginnen zu fließen, sondern anschließend auch die stetig zunehmenden Verformungen sowie die damit verbundene Kaltverfestigung in den nachfolgenden Arbeitsstationen aushalten.
Daher können zwei Materialchargen mit ähnlichen Härtewerten in der ersten Station noch vergleichbare Leistungen zeigen; sobald sie jedoch in Stationen mit hoher Umformung oder komplexen Formgebungsprozessen gelangen, können sich die Belastungen, die Füllverhalten und die Werkzeugtemperaturen allmählich deutlich unterscheiden.
Doch selbst wenn die Maschine beim Schmieden erhebliche Schwierigkeiten bereitet, darf man nicht vorschnell von einem Materialproblem ausgehen.
Werkzeugzustand, Schmiermittelzufuhr, Maschinensteifigkeit, Koaxialität sowie die Temperaturen im laufenden Produktionsprozess beeinflussen ebenfalls die tatsächlichen Belastungen.
V. Letztlich entscheidet die Übereinstimmung zwischen Gefüge und Praxis vor Ort
Um beurteilen zu können, ob ein kugeliger Perlit für das Kaltfließpressen geeignet ist, reicht es nicht, lediglich die Kugelungsrate, die Härte oder ein einzelnes Metallographiebild zu betrachten.
Eine aussagekräftigere Beurteilung ergibt sich vielmehr durch die gleichzeitige Betrachtung folgender Informationen:
- Metallographisches Gefüge und Härteverteilung;
- Unterschiede zwischen normalen und anomalen Bereichen;
- Belastungsveränderungen an den Kaltfließpressmaschinen;
- Füllverhalten, Abmessungen und Temperaturanstieg der Werkzeuge;
- Arbeitsstation, Zeitpunkt und Rollenabschnitt, an denen die Anomalien auftreten.
Ob das Gefüge tatsächlich optimal ist, lässt sich letztlich erst anhand des Fließverhaltens des Materials im Werkzeug prüfen.
Sicht des Ingenieurs
Die Kugelungsrate ist ein wichtiges Kriterium zur Bewertung des kugeligen Perlitgefüges, stellt jedoch keine abschließende Aussage über die Kaltfließpressleistung dar.
Entscheidend dafür, ob ein Material sich gut schmieden lässt oder nicht, sind vielmehr die Morphologie, Größe und Verteilung der Karbide, der Zustand der ferritischen Matrix, die Homogenität über Querschnitte und Rollen hinweg sowie die Passfähigkeit zwischen Material und konkretem Prozess.
Daher genügt es, sich im Kapitel IV folgenden Satz zu merken:
Die Kugelungsrate spiegelt lediglich Teilergebnisse des Gefüges wider; entscheidend für die Kaltfließpressleistung ist vielmehr die tatsächliche Verformungsfähigkeit des Gesamtgefüges.
Sind sowohl Kugelungsrate als auch Härte in Ordnung, das Material jedoch weiterhin schwer zu schmieden, ist es meist sinnlos, dieselbe Stelle erneut zu untersuchen. Vielmehr gilt es, die tatsächlichen Zusammenhänge zwischen Gefügedifferenzen, Materialabschnitten und vor Ort auftretenden Anomalien zu erfassen.