Zusammenfassung

Das Galling bei der Stanzung ist eine zerstörerische Form des Adhäsionsverschleißes, oft als „Kaltverschweißung“ bezeichnet, bei der sich Werkzeug und Werkstück auf mikroskopischer Ebene aufgrund übermäßiger Reibung und Hitze verbinden. Die Vermeidung erfordert einen mehrschichtigen ingenieurtechnischen Ansatz statt einer einfachen Sofortlösung. Die drei primären Abwehrmaßnahmen sind: optimierung des Werkzeugdesigns durch Erhöhung des Stempel-Zu-Die-Spiels in Verdickungsbereichen (wie Ziehecken), auswahl unterschiedlicher Werkzeugwerkstoffe (wie Aluminiumbronze), um die chemische Affinität zu unterbrechen, und aufbringen fortschrittlicher Beschichtungen wie TiCN oder DLC, jedoch erst nachdem die Oberfläche perfekt poliert wurde. Betriebliche Anpassungen, wie die Verwendung von Hochdruck-Schmierstoffen (EP) und die Verringerung der Pressgeschwindigkeit, dienen als letzte Gegenmaßnahmen.

Die Physik des Galling: Warum es zur Kaltverschweißung kommt

Um die Materialanhaftung (Galling) zu vermeiden, muss man zunächst verstehen, dass sie sich grundlegend vom abrasiven Verschleiß unterscheidet. Während abrasiver Verschleiß wie das Schleifen von Holz mit grobem Papier ist, handelt es sich bei Galling um ein Phänomen der adhäsiver Verschleiß . Es tritt auf, wenn die schützenden Oxidschichten auf Metalloberflächen unter dem enormen Druck der Stanzpresse brechen. In diesem Fall kommt das chemisch aktive „neue“ Metall des Werkstücks direkt mit dem Werkzeugstahl in Berührung.

Auf mikroskopischer Ebene sind Oberflächen niemals vollständig glatt; sie bestehen aus Bergen und Tälern, die als Rauigkeiten bezeichnet werden. Unter hoher Presskraft verhaken sich diese Rauigkeiten und erzeugen intensive, lokal begrenzte Hitze. Wenn die beiden Metalle eine chemische Affinität aufweisen – wie beispielsweise Edelstahl und D2-Werkzeugstahl, die beide hohe Mengen an Chrom enthalten – können sie atomar miteinander verbunden werden. Dieser Prozess ist bekannt als flächenmigration oder kaltverschweißung . Während das Werkzeug sich weiter bewegt, scheren diese geschweißten Verbindungen ab und reißen Materialstücke von der weicheren Oberfläche, die dann auf dem härteren Werkzeug abgelegt werden. Diese Ablagerungen oder "Aufreibungen" wirken anschließend wie Pflugschare und verursachen katastrophale Kratzer an nachfolgenden Teilen.

Erste Verteidigungslinie: Werkzeugdesign und Geometrie

Die häufigste Fehlvorstellung in der Industrie ist, dass Beschichtungen jedes Verschleißproblem beheben können. Branchenexperten warnen jedoch davor, dass, wenn die Ursache mechanischer Natur ist, das Aufbringen einer Beschichtung lediglich das "Problem überdeckt". Der Hauptverursacher mechanischer Probleme ist oft unzureichende stempel-zu-Matrazen-Spiel , insbesondere bei tiefgezogenen Teilen.

Bei der Tiefziehbearbeitung erfährt das Blech eine Flächenpressung, während es in den Matrizenhohlraum fließt, wodurch sich das Material natürlicherweise verdickt. Wenn die Matrizenkonstruktion diese Verdickung – insbesondere an den senkrechten Wänden der Ziehecken – nicht berücksichtigt, verschwindet der Spielraum. Die Matrize „quetscht“ das Material effektiv, wodurch massive Reibungsspitzen entstehen, die kein Schmiermittel überwinden kann. Laut MetalForming Magazine ist eine entscheidende vorbeugende Maßnahme, zusätzlichen Freiraum (häufig 10–20 % der Materialdicke) in diesen Verdickungszonen einzuarbeiten.

Für komplexe Serienfertigungen, wie z. B. Fahrzeuglenker oder -unterrahmen, erfordert die Vorhersage dieser Verdickungszonen anspruchsvolles Ingenieurwissen. Hier wird die Zusammenarbeit mit spezialisierten Herstellern zu einem strategischen Vorteil. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology nutzen fortschrittliche CAE-Analysen und IATF-16949-zertifizierte Protokolle, um diese Freistehmaße bereits in der Konstruktionsphase des Werkzeugs zu berücksichtigen, wodurch sichergestellt wird, dass das Serien-Stanzen im Automobilbereich von Beginn an verschleißfrei erfolgt.

Ein weiterer geometrischer Faktor ist die polierungsrichtung . Werkzeug- und Formbauer sollten Formabschnitte entlang der Richtung der Stanz- oder Ziehbewegung polieren. parallel querpolierungen hinterlassen mikroskopisch kleine Rillen, die wie feine Feilen auf das Werkstück wirken und den Abbau des Schmierfilms beschleunigen.

Werkstoffkunde: Die „verschiedene Metalle“-Strategie

Beim Stanzen von Edelstahl oder hochfesten Legierungen ist die Wahl des Werkzeugstahls entscheidend. Ein häufiger Fehler besteht darin, D2-Werkzeugstahl zum Stanzen von Edelstahl einzusetzen. Da D2 etwa 12 % Chrom enthält und auch Edelstahl auf Chrom für die Korrosionsbeständigkeit angewiesen ist, weisen beide Materialien eine hohe „metallurgische Verträglichkeit“ auf. Sie neigen dazu, zusammenzukleben.

Die Lösung besteht darin, verschiedene Metalle um diese chemische Affinität zu durchbrechen. Für Anwendungen mit starker Aufreibekorrosion sind technische Bronzematerialien, insbesondere Aluminium bronze , oft überlegen gegenüber herkömmlichen Werkzeugstählen. Obwohl Aluminiumbronze weicher ist als Stahl, besitzt sie eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit und verhindert entscheidend Kaltverschweißung an metallischen Grundwerkstoffen. Der Einsatz von Aluminiumbronze-Einsätzen oder -Buchsen in hochbelasteten Reibbereichen kann adhäsiven Verschleiß dort verhindern, wo härtere Materialien versagen.

Wenn aufgrund der Zähigkeit Werkzeugstahl erforderlich ist, sollten pulvermetallurgische Sorten (PM, wie CPM 3V oder M4) in Betracht gezogen werden. Diese bieten eine feinere Karbidaufteilung als der herkömmliche D2-Stahl und sorgen so für eine glattere Oberfläche, die weniger anfällig für den Beginn des adhäsiven Verschleißprozesses ist.

Fortgeschrittene Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen

Sobald Mechanik und Materialien optimiert sind, dienen Oberflächenbeschichtungen als letzte Schutzbarriere. PVD-Beschichtungen (Physische Gasabscheidung) sind heute Standard beim Stanzvorgang, doch die Wahl der richtigen Chemie ist entscheidend.

• TiCN (Titan-Carbonitrid): Eine hervorragende Allzweckbeschichtung, die eine höhere Härte und geringere Reibung als herkömmliches TiN bietet. Sie wird häufig beim Umformen von hochfesten Stählen eingesetzt.
• DLC (Diamond-Like Carbon): Bekannt für seinen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten, ist DLC die Premium-Wahl für Aluminium und schwierige Nichteisenanwendungen. Es ahmt die Eigenschaften von Graphit nach, wodurch das Werkstück mit minimalem Widerstand gleiten kann.
• Mit einem Gehalt an Kohlenwasserstoffen von mehr als 0,5% Ein Diffusionsprozess statt einer Beschichtung, bei dem die Oberfläche des Werkzeugstahls selbst gehärtet wird. Er wird oft als Grundbehandlung vor der Aufbringung von PVD-Beschichtungen verwendet, um den „Eierschalen-Effekt“ zu vermeiden, bei dem eine harte Beschichtung reißt, weil der darunterliegende Untergrund eine weiche Stelle bildet.

Kritische Warnung: Eine Beschichtung ist nur so gut wie die Vorbereitung des Untergrunds. Die Werkzeugoberfläche muss auf Hochglanz poliert sein vorher beschichtung. Bestehende Kratzer oder Unebenheiten werden einfach durch die Beschichtung reproduziert, wodurch harte, scharfe Spitzen entstehen, die aggressiv in das Werkstück eingreifen.

Betriebliche Gegenmaßnahmen: Schmierung & Wartung

Auf der Produktionsfläche können Bediener Galling-Risiken durch disziplinierte Prozesssteuerung verringern. Die erste Variable ist schmierung . Zur Verhinderung von Galling sind einfache Öle oft unzureichend. Der Prozess erfordert Schmierstoffe mit Zusätzen für extremen Druck (EP-Zusätze, wie Schwefel oder Chlor) oder feste Trennschichten (wie Graphit oder Molybdändisulfid). Diese Zusätze bilden einen "tribologischen Film", der die Metalle trennt, selbst wenn das flüssige Öl durch die Presskraft herausgedrückt wird.

Wärme MANAGEMENT ist der zweite betriebliche Hebel. Galling wird thermisch aktiviert; höhere Temperaturen verweichen das Werkstück und fördern die Verbindung. Wenn Galling auftritt, versuchen Sie, die Pressgeschwindigkeit (Hubzahl pro Minute) zu reduzieren. Dadurch sinkt die Prozesstemperatur, und der Schmierstoff erhält mehr Zeit, sich zwischen den Hubs wieder aufzubauen. Rolleri schlägt außerdem vor, bei Stanzoperationen eine „Brücken“-Schnittfolge anzuwenden, die abwechselnde Hube nutzt, um lokale Erwärmung und Materialansammlung zu vermeiden.

Schließlich muss die regelmäßige Wartung proaktiv erfolgen. Warten Sie nicht, bis sich eine Aufwerfung bildet. Führen Sie einen Plan zum Schleifen und Reinigen der Matrizenradien ein, um mikroskopische Anhaftungen zu entfernen, bevor sie sich zu schädlichen Ablagerungen vergrößern. Scharfe Werkzeuge verringern die zum Formen des Bauteils erforderliche Presskraft und reduzieren dadurch die Reibung und Hitze, die den Aufwerfungsprozess antreiben.

Zuverlässigkeit durch technische Auslegung

Die Vermeidung von Matrizenaufwerfung ist keine Frage des Glücks, sondern eine Disziplin der Physik und des Ingenieurwesens. Indem man die Gesetze der Reibung beachtet – ausreichenden Freiraum für den Materialfluss vorsieht, chemisch inkompatible Materialien wählt und einen geschlossenen Schmierfilm aufrechterhält – können Hersteller Kaltverschweißungen praktisch ausschließen. Die Kosten für eine sorgfältige Konstruktionsanalyse und hochwertige Materialien sind verschwindend gering im Vergleich zu den Stillstandszeiten einer blockierten Matrize oder der Ausschussrate beschädigter Teile. Behandeln Sie die Ursache, nicht das Symptom, und die Zuverlässigkeit der Produktion wird sich einstellen.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie reduziert man Aufwerfung bei Stanzwerkzeugen?

Um Kalten zu reduzieren, sollten drei Bereiche im Fokus stehen: Mechanik, Materialien und Schmierung. Erstens sicherstellen, dass der Stanzstempel-zu-Schneidmatrize-Abstand ausreichend ist (um 10–20 % zusätzlich in Verdickungszonen erhöht). Zweitens unähnliche Metalle wie Aluminiumbronze oder beschichtete PM-Stähle verwenden, um Kaltverschweißung zu verhindern. Drittens hochviskose Schmierstoffe mit Extreme-Pressure-(EP)-Additiven verwenden, um unter Belastung einen Barrierefilm aufrechtzuerhalten.

2. Verhindert Anti-Seize Galling?

Ja, Anti-Seize-Verbindungen können Kaltenbildung verhindern, indem sie feste Schmierstoffe (wie Kupfer, Graphit oder Molybdän) zwischen die Oberflächen einbringen. Diese festen Stoffe bilden eine physische Barriere, die die metallischen Partner voneinander trennt, selbst wenn hoher Druck flüssige Öle verdrängt. Anti-Seize ist jedoch eine lokal begrenzte Betriebsmaßnahme und behebt keine zugrundeliegenden Konstruktionsfehler wie zu geringe Spielräume.

3. Was ist die Hauptursache für Kaltenbildung?

Die Hauptursache für Kaltenbildung ist adhäsiver Verschleiß angetrieben durch Reibung und Wärme. Wenn hoher Druck den schützenden Oxidfilm auf Metalloberflächen durchbricht, können sich die freigelegten Atome verbinden oder „verschweißen“. Dies tritt am häufigsten auf, wenn Werkzeug und Werkstück eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben (z. B. beim Stanzen von Edelstahl mit unbeschichtetem Werkzeugstahl), was zu einer hohen metallurgischen Affinität führt.