Bei Kaltfließpressteilen tritt häufig eine raue Oberfläche auf, und vor Ort wird oft die Anforderung gestellt: „Bei der nächsten Materialcharge soll die Phosphatschicht etwas dicker sein.“
Ist diese Einschätzung berechtigt? Ja. Eine zu dünne Schicht kann tatsächlich die Widerstandsfähigkeit gegen Riefenbildung verringern. Wenn man jedoch alle Fälle von Riefenbildung pauschal auf eine „dünne Schicht“ zurückführt, könnte dies zu Fehlentscheidungen führen.
Entscheidend ist nicht, wie dick die Schicht beim Verlassen des Werks ist, sondern wie viel wirksamer Schutz an der Stelle verbleibt, an der es leicht zur Riefenbildung kommt.
I. Wie entsteht Riefenbildung eigentlich?
Die vor Ort als „Riefenbildung“ bezeichnete Erscheinung kann unterschiedliche Ursachen haben, etwa Klebrigeis- oder harte Partikelverletzungen. Man sollte die Ursache nicht allein anhand einiger wenigen Riefen festmachen.
Eine typische Form der Klebrigeis-Riefenbildung ist folgende: Die Schutzschicht zwischen Werkstück und Werkzeug versagt lokal, sodass das Metall direkt miteinander in Kontakt kommt. Unter hohem Druck und relativer Gleitbewegung entsteht Haftreibung, wodurch das Material angezogen und abgerissen wird, was zu einer rauen Riefenstruktur führt.
Daher stellt sich zunächst die Frage nicht nach der Dicke der Schicht, sondern danach: Warum hat der Schutz an dieser Stelle zuerst versagt? Die Kaltumform-Schmierschicht muss sowohl die Reibung reduzieren als auch gut am Werkstück haften und den nachfolgenden Umformprozessen standhalten. Forschung zur Leistungsfähigkeit von Kaltumform-Schmierschichten
II. Phosphatschicht und Schmierschicht sind nicht dasselbe
Im Folgenden geht es um das gängige System aus Stahldrahtphosphatierung und Seifenbehandlung.
Die Phosphatschicht bildet einen Übergangsüberzug, der als Haftgrund für die anschließende Schmierung dient und zudem dazu beiträgt, das Werkstück vom Werkzeug zu isolieren. Die durch die Seifenbehandlung gebildeten Metalloseifen sowie die darauf haftenden Seifenschichten tragen zur Reibungsreduktion bei. Beide Komponenten arbeiten zusammen; es reicht nicht, nur eine davon zu prüfen.
Eine dicke Phosphatschicht garantiert nicht, dass die Seifenbehandlung ausreichend war, und selbst wenn viel Seife auf der Oberfläche haftet, bedeutet dies nicht, dass sie während der Umformung erhalten bleibt. Studien zeigen außerdem, dass eine zu dicke Seifenschicht sich im Werkzeug ansammeln und die Maßhaltigkeit beeinträchtigen kann. Daher ist „noch etwas dicker“ keine unbegrenzt sinnvolle Verbesserungsmaßnahme. Forschung zum Phosphat-Seifen-System
III. Warum kann es trotz akzeptabler Schichtmasse noch zu Riefenbildung kommen?
Zunächst ist zu unterscheiden: Die Schichtmasse gibt die Masse der Schicht pro Fläche an, üblicherweise in g/m²; die Schichtdicke ist geometrisch und wird in μm gemessen. Beide Größen stehen zwar in Zusammenhang, sind aber nicht identisch.
Eine einzige Angabe zur Schichtmasse kann nicht gleichzeitig Antworten auf folgende drei Fragen liefern:
Daher sollte die Qualität der Phosphatierung nicht nur anhand eines Gewichtswerts beurteilt werden, sondern unter Berücksichtigung der Deckung, der Kristallmorphologie und der Haftfestigkeit. Untersuchungen zur Bewertung von Phosphatschichten bei der Kaltumformung
- Ist die Abdeckung gleichmäßig? Eine ausreichende mittlere Schichtmasse bedeutet nicht, dass jede Stelle vollständig bedeckt ist.
- Ist die Haftung ausreichend? Nur weil eine Schicht vorhanden ist, heißt das nicht, dass sie während der Umformung nicht abplatzen kann.
- Ist die Schmierschicht wirksam? Eine konforme Phosphatschicht garantiert nicht, dass die Seifenbehandlung und die Schmierwirkung optimal aufeinander abgestimmt sind.
IV. Am häufigsten übersehen wird der Unterschied zwischen dem Zustand bei der Prüfung und dem Zustand bei der Nutzung
Wenn der Draht nach der Phosphat-Seifen-Behandlung noch gezogen wird, entspricht die bei der Prüfung ermittelte Schichtmasse nicht unbedingt dem Oberflächenzustand, wenn das Werkstück in die Kaltfließpresse gelangt.
Genauso erfolgt die Mehrstationen-Kaltfließpresse nicht in einem einzigen Arbeitsgang. Bereits die erste Station dehnt die Oberfläche aus und schädigt die Schicht, und die nachfolgenden Stationen setzen die Verdichtung und das Gleiten fort. Dass an der ersten Station keine Riefen entstanden sind, bedeutet nicht, dass an den späteren Stationen noch genügend Schutz vorhanden ist.
Dies ist auch der Grund dafür, dass dieselbe Oberflächenbehandlung bei einem Bauteil funktioniert, bei einem anderen jedoch nicht ausreicht, wenn dieses stärker gedehnt wird und längere Gleitwege aufweist. Studien zur Bewertung der Schmierleistung bei Mehrstationsprozessen untersuchen gezielt den Zusammenhang zwischen der Oberflächendehnung in den frühen Phasen und der Riefenbeständigkeit in den späteren Phasen. Bewertung der Schmierung bei Mehrstationskaltumformung
V. Ist eine verdickte Schmierfilmbeschichtung tatsächlich sinnvoll?
Ja, aber nur unter der Voraussetzung, dass das Problem tatsächlich auf eine unzureichende effektive Filmdicke zurückzuführen ist. Man darf nicht, um dem „Dicken-Dogma“ entgegenzutreten, behaupten, die Dicke sei unwichtig.
Eine Versuchsreihe von Nippon Steel hat gezeigt, dass unter den getesteten Bedingungen eine dickere Restphosphatierschicht eine bessere Antiadhäsionsfähigkeit aufweist; der Reibungskoeffizient nimmt jedoch nicht signifikant mit zunehmender Dicke ab, und sowohl die Kontakttemperatur als auch die Oberflächenrauheit des Werkzeugs beeinflussen das Verhalten erheblich.
Dies zeigt: „Weniger Neigung zum Anziehen“ und „geringerer Reibwert“ sind nicht identisch, und die Dicke allein ist nicht der einzige entscheidende Faktor. Diese Versuchsergebnisse lassen sich nicht direkt auf allgemeingültige Filmanforderungen für alle Stahldrähte und Bauteile übertragen. Nippon Steel Kaltformtechnologiebericht, Abschnitt 4
VI. Wie sollte ein Materiallieferant bei Auftreten von Anziehschäden vorgehen?
Es wird empfohlen, die Überprüfung auf drei konkrete Prozessschritte zu konzentrieren, anstatt zunächst einfach die Phosphatierzeit zu verlängern:
Überprüfungsstelle Was genau zu klären ist
Auf der Produktionslinie eigentliche Nutzungssituation: Phosphatschichtgewicht, Zustand der Seifenschicht sowie deren Deckung und Haftung – ob Abweichungen vorliegen
Muster aus den einzelnen Arbeitsstationen Ab welcher Station treten die Anziehschäden auf, welche Umformungen hat diese Stelle zuvor erfahren?
Normale Charge vs. fehlerhafte Charge unter vergleichbaren Bearbeitungsbedingungen: Welche wiederholbaren Unterschiede bestehen im Zustand der Oberflächenbehandlung?
Handelt es sich um lokale Bereiche ohne Beschichtung, sollte zunächst das Abdeckungsproblem gelöst werden; lässt sich die Schicht leicht ablösen, sind Vorbehandlung und Filmbildungsqualität zu prüfen; bei einem abnormalen Zustand der Seifenschicht sind die entsprechenden Behandlungen anzupassen. Nur wenn Hinweise auf eine unzureichende Filmmenge vorliegen, sollte die Erhöhung des Filmgewichts als prioritäre Prüfungsrichtung betrachtet werden.
Auch die Validierung darf nicht darauf beschränkt bleiben, ob „ein paar Teststücke sauber hergestellt wurden“. Unter vergleichbaren Bedingungen sollten vielmehr das Eintreten der Anziehschäden, die Fehlerquote sowie der Grad der Werkzeuganhaftung während des kontinuierlichen Fertigungsprozesses protokolliert werden, um sicherzustellen, dass die Verbesserung nachhaltig ist.
Schlusswort
Anziehschäden beim Kaltfließpressen können durch eine zu geringe Dicke der Phosphatierschicht verursacht werden, dies ist jedoch keine pauschale Schlussfolgerung, die man sofort ziehen kann, sobald solche Schäden auftreten.
Als Materiallieferant müssen wir nicht nur einen akzeptablen Filmgewichtswert liefern, sondern eine Oberflächenbehandlung, die optimal auf die Formgebungsanforderungen unserer Kunden abgestimmt ist und dauerhaft zuverlässig funktioniert.
Wenn die Filmdicke angepasst werden muss, dann passt man sie an; wenn Probleme mit der Abdeckung, Haftung oder Schmierung vorliegen, müssen diese spezifischen Probleme gelöst werden. Die Schicht muss richtig ausgeführt sein – nicht einfach nur dick.