Zeigt die Oberfläche kaltgestauchter Teile Riefen, bitten Bediener häufig: „Bei der nächsten Materialcharge bitte etwas dicker phosphatieren.“
Ist diese Beurteilung plausibel? Ja. Eine unzureichende Beschichtung kann den Widerstand gegen Riefenbildung verringern. Werden jedoch alle Riefen ausschließlich einer „dünnen Schicht“ zugeschrieben, können Verbesserungsmaßnahmen fehlgeleitet werden.
Entscheidend ist nicht, wie viel Schutzschicht das Werk verlassen hat, sondern wie viel wirksamer Schutz an der Oberfläche in der konkreten riefengefährdeten Prozessstufe verbleibt.
I. Wie entstehen Riefen tatsächlich?
Die in der Fertigung als „Riefen“ bezeichneten Erscheinungen können Adhäsionsverschleiß oder Kratzer durch harte Partikel umfassen. Aus wenigen Furchen allein lässt sich die Ursache nicht bestimmen.
Typischer Adhäsionsverschleiß entsteht, wenn die Schutzschicht zwischen Werkstoff und Werkzeug örtlich versagt und direkter Metallkontakt entsteht. Unter hohem Druck und Relativgleiten kommt es zu Anhaftung, anschließendem Aufreißen und Ablösen; raue Riefenspuren bleiben zurück.
Die erste Frage sollte daher nicht „Wie dick ist die Schicht?“, sondern „Warum versagt der Schutz gerade dort?“ lauten. Die Schmierschicht beim Kaltmassivumformen muss Reibung reduzieren, fest am Werkstoff haften und die folgenden Verformungen überstehen. Untersuchung zu Schmierschichten beim Kaltmassivumformen
II. Phosphatschicht und Seifenschmierschicht haben unterschiedliche Aufgaben
Diese Betrachtung bezieht sich auf das verbreitete Phosphat-Seifen-System für Stahldraht.
Beim Phosphatieren entsteht eine Konversionsschicht als Haftgrund für die nachfolgende Schmierung; sie unterstützt die Trennung von Werkstoff und Werkzeug. Die bei der Beseifung gebildeten Metallseifen und die anhaftende Seifenschicht tragen zur Reibungsminderung bei. Beide Schritte wirken zusammen; nur einen Bestandteil zu bewerten reicht nicht aus.
Eine dickere Phosphatschicht bedeutet nicht zwingend ausreichende Beseifung. Viel Seife auf der Oberfläche garantiert nicht deren Erhalt während der Verformung. Studien zeigen zudem, dass sich eine übermäßig dicke Seifenschicht am Werkzeug ansammeln und die Maßgenauigkeit beeinträchtigen kann. „Etwas dicker“ ist daher keine unbegrenzte Lösung. Untersuchung zu Phosphat-Seifen-Systemen
III. Trotz konformer Schichtmasse können Riefen entstehen
Zunächst ist zu unterscheiden: Die Schichtmasse bezeichnet die Masse je Flächeneinheit, üblicherweise in g/m². Die Schichtdicke ist dagegen eine geometrische Größe, gewöhnlich in μm. Beide Größen hängen zusammen, sind aber unterschiedliche Kennwerte.
Eine einzelne Schichtmassenmessung beantwortet nicht gleichzeitig die folgenden drei Fragen:
Bei der Phosphatierungsbewertung sind deshalb Abdeckung, Kristallform und Haftung gemeinsam zu berücksichtigen. Ein einzelner Massenwert reicht nicht aus. Untersuchung zur Bewertung von Phosphatschichten für die Kaltumformung
- Ist die Abdeckung gleichmäßig? Eine konforme mittlere Schichtmasse gewährleistet keine vollständige Abdeckung sämtlicher Bereiche.
- Reicht die Haftung aus? Eine vorhandene Beschichtung muss bei der anschließenden Verformung nicht zwangsläufig erhalten bleiben.
- Wirkt die Schmierung? Eine konforme Phosphatschicht bedeutet nicht automatisch eine geeignete Beseifung oder ausreichende Schmierabstimmung.
IV. Häufig übersehen: der Unterschied zwischen Prüfzustand und Einsatzbedingungen
Wird Stahldraht nach dem Phosphatieren und Beseifen gezogen, beschreibt die unmittelbar nach diesen Behandlungen gemessene Schichtmasse nicht unmittelbar den Oberflächenzustand beim Einlauf in die Kaltstauchmaschine.
Auch beim Mehrstufen-Kaltstauchen trägt jede Stufe zur Gesamtverformung bei. Frühere Stufen vergrößern die Oberfläche und beanspruchen die Beschichtung; spätere Stufen pressen und gleiten weiter. Riefenfreiheit in frühen Stufen bedeutet daher nicht, dass für spätere Vorgänge noch ausreichender Schutz vorhanden ist.
Deshalb kann dieselbe Oberflächenbehandlung für ein Teil genügen und bei einem anderen mit stärkerer Oberflächenvergrößerung und längeren Gleitwegen unzureichend sein. Untersuchungen zur Mehrstufenschmierung verknüpfen ausdrücklich frühe Oberflächendehnung mit dem späteren Widerstand gegen Riefenbildung. Bewertung der Schmierleistung beim Mehrstufen-Kaltmassivumformen
V. Hilft eine dickere Schicht wirklich?
Ja, sofern tatsächlich eine unzureichende wirksame Schicht das Problem verursacht. Die Bedeutung der Dicke darf nicht verworfen werden, nur um einer ausschließlichen Dickenbetrachtung zu widersprechen.
Ein Versuch von Nippon Steel ergab unter den dortigen Prüfbedingungen einen höheren Widerstand gegen Adhäsion bei einer dickeren verbleibenden Phosphat-Seifen-Schicht. Der Reibungskoeffizient sank jedoch mit zunehmender Dicke nicht wesentlich. Kontakttemperatur und Werkzeugrauheit beeinflussten die Leistung ebenfalls deutlich.
„Weniger anfällig für Fressen“ und „geringere Reibung“ sind somit nicht identisch; die Dicke ist nicht der einzige bestimmende Faktor. Diese Versuchsergebnisse lassen sich nicht direkt in allgemeine Beschichtungsanforderungen für sämtliche Drähte und Bauteile umwandeln. Nippon Steel Technical Report Nr. 122 (2019), Abschnitt 4.
VI. Wie sollten Werkstofflieferanten Riefen untersuchen?
Statt nur die Phosphatierzeit zu verlängern, empfehlen wir die Überprüfung an drei konkreten Stellen:
Prüfstufe und zu klärende Fragen
Draht in der Fertigung: Sind Phosphatschichtmasse, Seifenschichtzustand, Abdeckung und Haftung unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen auffällig?
Proben jeder Stufe: Feststellen, wo Riefen erstmals auftreten und welche Verformungen das Teil zuvor durchlaufen hat.
Unauffällige und auffällige Charge: Unter vergleichbaren Bearbeitungsbedingungen wiederholbare Unterschiede im Oberflächenbehandlungszustand bestimmen.
Bei örtlich unvollständiger Abdeckung zuerst deren Ursache beheben. Löst sich die Schicht leicht ab, sind Vorbehandlung und Schichtbildungsqualität zu prüfen. Bei auffälliger Seifenschicht sind die zugehörigen Prozessschritte anzupassen. Erst wenn Nachweise auf unzureichende Schichtmasse hinweisen, sollte deren Erhöhung zum Schwerpunkt der Verifizierung werden.
Die Überprüfung darf sich nicht auf „ein paar gute Versuchsteile“ beschränken. Unter vergleichbaren Bedingungen sind Beginn der Riefenbildung, Fehleranteil und Werkzeuganhaftungen im laufenden Betrieb zu erfassen, um eine dauerhafte Verbesserung zu bestätigen.
Fazit
Riefen beim Kaltstauchen können durch eine unzureichend dicke Phosphatschicht entstehen. Dieser Schluss folgt jedoch nicht bereits aus der bloßen Beobachtung von Riefen.
Als Werkstofflieferant müssen wir nicht nur einen konformen Schichtmassenwert liefern, sondern einen Oberflächenzustand, der den Umformanforderungen des Kunden entspricht und dauerhaft zuverlässig wirkt.
Muss die Schicht verstärkt werden, ist sie zu verstärken. Liegt das Problem bei Abdeckung, Haftung oder Schmierung, sind diese Punkte gezielt zu beheben. Die Schicht muss geeignet sein, nicht nur dick.