Kapitel 7: Eine einwandfreie Oberflächenbeschichtung bedeutet noch lange nicht, dass die Schmierung auch nach der Verformung weiterhin wirksam bleibt
Auf dem Kaltdruckumformungs-Produktionsgelände treten häufig folgende Störungen auf:
Die Oberfläche des Drahtes weist eine gleichmäßige Farbe auf, und das Gewicht der Phosphat-Seifen-Beschichtung liegt ebenfalls innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen. Dennoch kann es nach dem Eintritt in die Kaltdruckmaschine zu einer Ausblühung oder Ablösung der Beschichtung, zu unzureichendem Schmiermittelvorrat, zu Schwärzung der Werkstücke, zu Riefenbildung, zum Anhaften am Werkzeug sowie zu einem beschleunigten Werkzeugverschleiß kommen; in schweren Fällen kann sogar Rissbildung ausgelöst werden.
Auf der Produktionsstelle wird dies oft vorschnell als „schlechte Phosphat-Seifen-Behandlung“ abgetan, doch die eigentlichen Ursachen sind meist komplexer und nicht so eindeutig.
Fallbeispiel 1: Die Schwärzung des Werkstückstabes ist lediglich ein Indiz für ein Versagen der Beschichtung. Alleein anhand der Farbe lässt sich die Ursache nicht direkt feststellen; vielmehr müssen sowohl die Beschichtung selbst als auch das Schmieröl im Werkzeughohlraum sowie lokale Temperaturerhöhungen überprüft werden.
Das äußere Erscheinungsbild und das Beschichtungsgewicht geben lediglich Aufschluss über den statischen Zustand vor der Kaltdruckumformung; entscheidend ist vielmehr, wie viel Beschichtung nach dem Ziehen noch vorhanden ist und ob sie unter hohem Druck, Reibungswärme und starker Verformung weiterhin haften, sich dehnen und schmieren kann.
I. Bei der Phosphat-Seifen-Behandlung darf man nicht nur das Gesamtbeschichtungsgewicht betrachten
Die Creation Group hat die monatliche Überwachung der drei verbleibenden Beschichtungsschichten nach dem Drahtziehen zur Routinequalitätskontrolle erhoben. Der aktuelle Bericht umfasst 20 Serienstahl-Drahtsorten und -spezifikationen; von jeder Sorte wurden jeweils drei Proben nach dem Ziehvorgang entnommen und deren Restbeschichtungsgewichte separat erfasst.
In technischer Hinsicht lassen sich diese Schichten wie folgt verstehen:
Zinkphosphat: bildet das tragende Gerüst und stellt die Haftgrundlage für die Schmiermedien dar;
Zinkstearat: bildet durch die Verseifungsreaktion eine zusätzliche Schmierschicht;
Natriumstearat: sorgt für den erforderlichen Schmiermittelvorrat für die nachfolgenden Zieh- und Kaltdruckprozesse.
Zusätzlich zum Beschichtungsgewicht wird bei der laufenden Überwachung mithilfe eines Elektronenmikroskops die Kristallstruktur, die Deckungsrate und die Verteilung der Beschichtungsoberfläche beobachtet. Während das Beschichtungsgewicht die Frage „Wie viel ist noch vorhanden?“ beantwortet, liefert das Elektronenmikroskop eher Antworten darauf, „Wie sieht die Oberfläche tatsächlich aus?“. Erst beide Methoden zusammen ermöglichen eine fundiertere Beurteilung als die bloße Betrachtung der Drahtfarbe.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Phosphatbeschichtung im Rahmen der monatlichen Routineuntersuchungen: Sie dienen der Beobachtung der Kristallstruktur, der Deckungsrate und der Verteilung der Beschichtungsoberfläche. Eine einzelne Aufnahme kann jedoch keine umfassenden Mehrstellenprobenahmen und praktischen Kaltdruckverifizierungen ersetzen.
Die im Bericht dargestellten Tests zur Bestimmung des Phosphatbeschichtungsgewichts orientieren sich an der Norm GB/T 11376-2020. Im Vergleich zur alleinigen Messung des Gesamtbeschichtungsgewichts vor der Behandlung bietet die getrennte Analyse der drei verbleibenden Schichten nach dem Drahtziehen ein genaueres Bild des tatsächlichen Zustands des Materials beim Eintritt in die Kaltdruckmaschine.
Originaldiagramme aus dem monatlichen Bericht der Creation Group: Messergebnisse für Zinkphosphat, Zinkstearat und Natriumstearat nach dem Drahtziehen bei 20 Serienmaterialien.
Die aktuellen Monatsdaten liegen durchweg innerhalb der üblichen Kontrollgrenzen, was auf einen insgesamt stabilen Zustand der Phosphat-Seifen-Behandlung sowie der drei verbleibenden Beschichtungsschichten nach dem Drahtziehen hinweist. Diese Ergebnisse werden hier nicht präsentiert, um Probleme beim Material aufzuzeigen, sondern um deutlich zu machen, dass der Zustand der Beschichtung nicht allein anhand der Farbe beurteilt werden sollte, sondern durch kontinuierliche Prüfungen bestätigt werden muss, ob der Prozess stabil verläuft.
Alleerdings gibt das Beschichtungsgewicht lediglich Auskunft darüber, „wie viel zum Zeitpunkt der Probenahme noch vorhanden war“, und lässt keine Aussage darüber zu, ob die Beschichtung während des schnellen Kaltdruckvorgangs ausblüht, abplatzt oder abblättert, ob sie lokalen Temperaturanstiegen standhält und ob sie mit dem Schmiermittel im Werkzeughohlraum kompatibel ist. Genau dies soll im Folgenden näher erörtert werden.
II. Warum kann eine „sehr gut“ ausgeführte Phosphatschicht nach dem Drahtziehen anders aussehen?
Die Schichtmasse beim Abschluss der Phosphat-Seifen-Behandlung gibt lediglich Aufschluss darüber, dass die Phosphatschicht bereits gebildet wurde.
Im Gegensatz zum Stahlsubstrat kann die Phosphatschicht nicht unbegrenzt gedehnt werden. Nach dem Ziehvorgang unterliegt die Schicht gleichzeitig Druck-, Scher- und Oberflächendehnkräften: Ein Teil der Schmierschicht wird abgetragen oder neu verteilt; reichen die Dehnungseigenschaften der Schicht nicht aus oder ist die Haftung zum Stahlsubstrat unzureichend, können feine Risse, schuppige Ablösungen oder sogar lokale Abplatzungen entstehen.
Dass an der Schicht feine Risse auftreten, bedeutet noch nicht, dass sie bereits versagt hat. Wesentlich ist vielmehr, ob nach einem Bruch große Bereiche des Metallsubstrats freiliegen, ob die Seifenschmierschicht weiterhin decken kann und ob die verbleibende Schicht den nachfolgenden Kaltfließformprozess aushält. Kommt es zu lokalen Freilagen, erhöht sich im Werkzeug die Reibung, und es treten schneller Ziehspuren oder Anhaftungen auf.
Daher kann es vorkommen, dass zwei Materialrollen zwar nahezu identische Schichtmassen nach der Phosphat-Seifen-Behandlung aufweisen, jedoch nach unterschiedlichen Querschnittsreduzierungen und verschiedenen Ziehstufen in Bezug auf Rissbildung, Deckungsgrad und effektive Restschicht deutliche Unterschiede zeigen.
Dies ist auch der Grund, weshalb die monatlichen Prüfungen der Creation Group darauf achten, „wie viel nach dem Ziehen noch übrig bleibt“, statt ausschließlich eine möglichst hohe Schichtmasse vor der Behandlung anzustreben.
III. Das Verbrennen ist nur ein Anzeichen für das Versagen der Phosphatschicht
Genaugenommen handelt es sich bei vielen sogenannten „verbrannten Phosphatschichten“ nicht um das Verbrennen von Phosphatkristallen wie organischer Materie.
Beim Kaltfließformen entstehen gleichzeitig Verformungs- und Reibungswärme. Ist die Seifenschmierschicht oder das in die Formkammer eintretende Schmieröl nicht ausreichend temperaturbeständig, kann es zu Erweichung, thermischer Schwächung, Zersetzung oder zur Karbonisierung von Rückständen kommen.
Gleichzeitig kann das Phosphatgerüst zerdrückt, gedünnt oder abgelöst werden. Sobald der Schutz durch die Schmierschicht nachlässt, kommt es lokal zur direkten Berührung zwischen Werkstück und Werkzeug – und die Störung entwickelt sich häufig gemäß folgendem Ablauf:
Thermische Schwächung der Schmierschicht → Abnahme der Tragfähigkeit des Ölfilms → Lokale Metall-Metall-Kontaktzone → Schwarzverfärbung, Ziehspuren, Anhaftungen und ungewöhnlicher Werkzeugverschleiß.
Feldfall Nr. 2: An der Oberfläche sind bereits deutliche Längsziehspuren erkennbar, was darauf hinweist, dass die Störung möglicherweise vom Versagen der Schmierschicht über direkte Metallkontakte bis hin zu Adhäsionsverschleiß fortschritt.
Daher zeigt eine schwarze Oberfläche lediglich, dass im Schmiersystem eine Störung vorliegen könnte; allein aufgrund der Farbe lässt sich nicht ohne Weiteres auf ein Problem im Phosphatierprozess schließen.
IV. Phosphatseifenschicht UND Schmieröl in der Formkammer – kein Bestandteil darf fehlen
Die Phosphatseifenschicht bietet den grundlegenden Schutz, bevor das Material in die Form gelangt; das Schmieröl in der Formkammer ergänzt während des Umformvorgangs kontinuierlich die Schmierung und führt zudem einen Teil der entstehenden Wärme ab.
Selbst wenn die Restschicht des Drahtes in gutem Zustand ist, kann es trotzdem zu Schwarzverfärbungen und Ziehspuren kommen, wenn das Schmieröl nach dem Eintreten in die Formkammer zu schnell an Viskosität verliert, nicht genügend Temperaturbeständigkeit besitzt oder nicht konstant bis in die stark deformierten Bereiche gelangt.
Andererseits: Ist die wirksame Restschicht des Drahtes nach dem Ziehen bereits unzureichend, lässt sich mit einer bloßen Erhöhung der Schmiermenge in der Formkammer die ursprüngliche Schmierbedingung oft nicht wiederherstellen.
Die Phosphatschicht legt die Basis, das Schmieröl sorgt für fortlaufenden Schutz; entscheidend für das Ergebnis ist letztlich die Abstimmung beider Komponenten innerhalb eines spezifischen Werkzeugs und Prozesses.
Feldfall Nr. 3: Kleine Werkstücke weisen punktuelle Schwarzverfärbungen auf. Obwohl die betroffene Fläche gering ist, muss die Ursache gemeinsam mit dem betreffenden Arbeitsplatz, der Produktionsgeschwindigkeit und den Kontinuitätsmusteln der Produktion bewertet werden.
5. Was bedeutet eine Temperaturbeständigkeit von ≥900 °C in anspruchsvollen Kaltfließpressbedingungen?
Das derzeit vom Creation Group Konzern eingesetzte Beschichtungssystem erreicht eine Temperaturbeständigkeit von über 900 °C und bietet somit eine ausreichende thermische Stabilität für Kaltfließpressprozesse mit hohen Umformgraden.
Hier ist zu beachten, dass der Temperaturbeständigkeitswert einer Beschichtung die Stabilität des Beschichtungssystems unter hohen Temperaturen widerspiegelt und nicht bedeutet, dass alle Formhohlraum-Schmierstoffe bei 900 °C ihre vollständige Viskosität und Schmiereigenschaften bewahren. Im realen Serienbetrieb kommt es weiterhin auf das Zusammenspiel von Beschichtung, Rückstandsbeschichtung, Formhohlraum-Schmiermittel und den einzelnen Bearbeitungsschritten an.
Bei der Produktvalidierung von SCM435 wurde ein Festigkeitsverhältnis von 79,8 % erreicht. Unter optimaler Abstimmung zwischen dem Beschichtungssystem, der nach dem Drahtziehen verbleibenden Restschicht, der Formhohlraumschmierung sowie den Umformschritten konnte bislang eine stabile Serienproduktion sichergestellt werden.
Serienbeispiel für anspruchsvolle Kaltfließpressbedingungen mit SCM435: Festigkeitsverhältnis 79,8 %, nach systematischer Prozessabstimmung stabil in Serie gefertigt.
Dieses Beispiel zeigt, dass nicht allein ein einzelner Temperaturwert oder eine einmal durchgeführte Messung der Beschichtungsstärke aussagekräftig sind, sondern entscheidend ist, ob das Material unter extremen Umformbedingungen kontinuierlich und stabil qualitätsgerechte Teile produzieren kann.
Meinung der Ingenieure
Der wahre Wert der Phosphatierung und Verseifung besteht nicht darin, dass das Material beim Einlagern gleichmäßig wirkt, sondern darin, dass es auch nach dem Ziehen und mehreren aufeinanderfolgenden Kaltfließpressvorgängen an den erforderlichen Schutzstellen haftet, ausreichende Schmierreserven bewahrt und Werkstück sowie Werkzeug fortlaufend schützt.
In Kapitel 7 genügt es, sich nur eines zu merken:
Vor der Behandlung als „normal“ erscheinend, ist dies lediglich der Ausgangspunkt; erst wenn nach dem Drahtziehen noch ausreichend wirksame Rückstandsbeschichtung vorhanden ist und diese unter Umform-, Temperatur- sowie Formhohlraumschmierbedingungen weder pulverisiert, abplatzt oder frühzeitig ihre Schmierfähigkeit verliert, ist eine echte Serienproduktion gewährleistet.
Wenn Sie ebenfalls mit Problemen wie Beschichtungspulverbildung, Ablösung, Schwärzung der Werkstücke, Verbrennungen, Faserbildung, Anhaftungen am Werkzeug oder ungewöhnlich kurzer Werkzeugstandzeit konfrontiert sind, senden Sie uns bitte Angaben zur Werkstoffsorte, den Spezifikationen, den Maßen vor und nach dem Drahtziehen, den betroffenen Arbeitsstationen sowie Fotos vom Einsatzort. Der Creation Group Konzern unterstützt zunächst bei der Diagnose und hilft festzustellen, ob die Ursachen eher im Bereich der Beschichtungsrückstände, deren Haftung, der Formhohlraumschmierung oder den Temperatur- und Reibungsbedingungen zu suchen sind.
Ausblick auf die nächste Folge
Kapitel 8: „Der Werkstoff hat sich nicht verändert – warum lässt sich das Teil plötzlich schlechter kaltfließenpressen?“
Im nächsten Kapitel geht es insbesondere um die Produktgeometrie, Radien, den Umformgrad pro Durchgang sowie die Verteilung der Bearbeitungsschritte und wie sie den Fließweg des Materials innerhalb der Form beeinflussen.