Zusammenfassung

Das Stanzen von verzinktem Stahl stellt eine besondere tribologische Herausforderung dar: Die weiche, reaktive Zinkschicht zeigt ein anderes Reibverhalten als blanker Stahl. Das Hauptproblem ist das sogenannte "Zinkanlaufen" oder Anschweißen, bei dem sich die Beschichtung auf die Werkzeugoberfläche überträgt und zu einem "Kleben-Rutschen"-Effekt führt, den Bediener oft als quietschendes Geräusch beschreiben, ähnlich wie Kreide auf einer Tafel. Diese Reibungsinstabilität verursacht Risse in den Bauteilen, Absplittern der Beschichtung und einen schnellen Werkzeugverschleiß.

Um diese probleme beim Stanzen von verzinktem Stahl zu lösen , müssen Hersteller das gesamte tribologische System steuern. Dies beinhaltet die Aufrechterhaltung des Schmierstoff-pH-Werts zwischen 7,8 und 8,4, um Verfärbungen zu vermeiden, den Einsatz von PVD-beschichteten Werkzeugen (wie TiAlN), um die Adhäsion zu reduzieren, sowie die Vergrößerung der Matrizen-Spielräume, um die Dicke der Beschichtung auszugleichen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, den initialen Zinkübertrag zu verhindern, der einen katastrophalen Werkzeugausfall auslöst.

Die Reibungs- und Anrisss-Krise: Zinkanhaftung und Werkzeugwartung

Die häufigste Ausfallart beim Stanzen von verzinkten Blechen ist das Anreißen, allgemein bekannt als „Zinkanhaftung“. Im Gegensatz zum abrasiven Verschleiß bei hochfesten Stählen handelt es sich bei der Zinkanhaftung um einen adhäsiven Versagensmechanismus. Die weiche Zinkbeschichtung verschmilzt unter extremer Hitze und Druck beim Tiefziehen buchstäblich mit der Oberfläche der Presseform. Sobald dieser Übertrag beginnt, verändert sich die Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Form, wodurch ein rauer Bereich mit hoher Reibung entsteht, der nachfolgende Teile verkratzt und unbrauchbar macht.

Untersuchungen mit Zugkanten-Simulatoren haben ein charakteristisches „Stick-Slip“-Verhalten bei elektroverzinkten Stählen aufgezeigt. Im Test äußert sich dies als initialer Lastanstieg – ein plötzlicher Anstieg der Reibungskraft, wenn sich das Zink an dem Werkzeugstahl festsetzt. Auf der Produktionsfläche erzeugt diese instabile Reibung ein hörbares Quietschen oder Rattern. Diese Instabilität ist jedoch nicht nur störend; sie führt zu inkonsistentem Materialfluss, wodurch sich der Stahl in Haltebereichen verriegelt oder wellt, wo er eigentlich frei fließen sollte.

Um dies zu bekämpfen, müssen die Wartungsstrategien für Werkzeuge weiterentwickelt werden. Herkömmliche Poliertechniken für blanken Stahl können schädlich sein, wenn sie zu aggressiv angewendet werden. Stattdessen sollte der Fokus darauf liegen, ein spiegelglatte Oberfläche aufrechtzuerhalten, die die anfängliche Adhäsion verhindert. Moderne PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition), wie Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) oder diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC), sind für moderne Werkzeuge unerlässlich. Diese harten, glatten Beschichtungen bilden eine chemische Barriere, an der Zink nur schwer haften kann, wodurch die Intervalle zwischen den Wartungsstopps erheblich verlängert werden.

Beschichtungsversagensformen: Abblättern vs. Verpulvern

Das Verständnis des Unterschieds zwischen Abblättern und Verpulvern ist entscheidend, um die zugrundeliegende Ursache eines Versagens richtig diagnostizieren zu können. Diese beiden Fehler sehen für das ungeübte Auge zwar ähnlich aus, gehen jedoch auf vollkommen unterschiedliche metallurgische Versagensmechanismen zurück. Eine falsche Diagnose führt häufig zu kostspieligen, wirkungslosen Gegenmaßnahmen.

Abblättern ist ein Haftungsversagen an der Grenzfläche zwischen dem Stahlgrundwerkstoff und der Zinkbeschichtung. Es tritt typischerweise als große, deutliche Zinksplitter auf, die sich ablösen, und wird oft durch übermäßig dicke Beschichtungen (typischerweise über 8–10 mils) verursacht, die während der Verformung hohe innere Spannungen erzeugen. Es wird häufig bei feuerverzinkten Produkten (Hot-Dipped Galvanized, GI) beobachtet, bei denen die spröde intermetallische Schicht an der Grenzfläche unter Scherbelastung bricht.

Abpulverung , ist hingegen ein kohäsiver Bruch innerhalb der Beschichtung selbst. Er zeigt sich als feiner Staub oder Ablagerung von Rückständen in der Matrize. Dies ist besonders häufig bei verzinkt-geglühtem Stahl (Galvannealed, GA) der Fall, bei dem es sich um eine Eisen-Zink-Legierung handelt. Obwohl Galvanneal härter und besser schweißbar ist, ist die Beschichtung von Natur aus spröder. Das Ausmaß der Pulverbildung steht oft in Zusammenhang mit der Dehnung in der Glättwalzstraße (Skin Pass Mill, SPM) während der Stahlerzeugung; eine höhere Dehnung kann die Beständigkeit gegen Pulverbildung verbessern, jedoch möglicherweise die Neigung zu Abblättern verschlechtern, was für Materiallieferanten einen sensiblen Kompromiss darstellt.

Oberflächenfehler: Schwärzung, Verfärbung und weißer Rost

Neben strukturellen Fehlern sind ästhetische Mängel eine wichtige Schrottquelle, insbesondere bei freiliegenden Automobilplatten. "Schwarzen" ist ein häufiges Phänomen, das durch reibungsbedingte Oxidation verursacht wird. Wenn beim Stanzverfahren übermäßige Hitze erzeugt wird, oxidiert das Aluminium oder Zink in der Beschichtung schnell und hinterlässt dunkle Streifen auf dem Teil. Dies ist oft ein Signal dafür, dass die Schmierbarriere defekt ist.

ein weiteres weit verbreitetes Problem ist "weißer Rost", der meistens in Lagern statt in der Presse entsteht. Es tritt auf, wenn Zink in einer sauerstoffarmen Umgebung, z. B. zwischen eng verschachtelten Teilen, mit Feuchtigkeit reagiert. Um dies zu verhindern, müssen die Teile vor dem Stapeln gründlich getrocknet werden, oft mit Luftmesser. Die Stapelungen sollten den Luftstrom ermöglichen, um Feuchtigkeit zu vermeiden.

Auch Umweltfaktoren im Werk spielen eine Rolle. Hohe Gehalte an Schwefel oder Sulfaten im Prozesswasser können mit dem Zink reagieren und schwarze Flecken verursachen. Die Bediener müssen die Wasserqualität überwachen, die zur Verdünnung von Schmierstoffen verwendet wird, da bereits geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung des Leitungswassers plötzlich Oberflächenfehler hervorrufen können.

Schmierung & Werkzeugstrategie: Die vorbeugende Lösung

Die Wahl des Schmierstoffs ist die einzige vollständig kontrollierbare Variable zur Verhinderung von probleme beim Stanzen von verzinktem Stahl zu lösen . Die Chemie des Schmierstoffs muss mit der reaktiven Natur des Zinks kompatibel sein. Ein entscheidender Parameter ist die pH-Wert-Kontrolle. Schmierstoffe mit einem pH-Wert über 8,5 oder 9,0 können die „Verseifung“ (Saponifikation) auslösen, bei der der alkalische Schmierstoff das Zink angreift und einen seifenähnlichen Rückstand bildet. Dies verursacht nicht nur Verfärbungen am Bauteil, sondern kann auch die Presseform verkleben.

Die goldene Regel der Schmierung: Beibehalten Sie einen pH-Wert zwischen 7,8 und 8,4. Dieser Bereich ist der "Sweet Spot", der ausreichend Korrosionsschutz bietet, ohne die Beschichtung zu angreifen. Außerdem verlagert sich die Industrie von schweren Mineralölen, die einen Rückstand hinterlassen, der das Schweißen und Reinigen erschwert, zu synthetischen Schmierstoffen. Synthetische Materialien (wie Polymerfluide) bieten eine hervorragende Filmfestigkeit, um die Form von dem Werkstück zu trennen, ohne die Reinigungskopfschmerzen zu haben, die mit Öl verbunden sind.

Für die Produktion in großen Mengen, bei der Präzision von größter Bedeutung ist, ist eine Partnerschaft mit kompetenten Lieferanten unerlässlich. Die umfassenden Stanzlösungen von Shaoyi Metal Technology die Entwicklung von Prototypen und die Massenproduktion werden durch die Nutzung von IATF 16949-zertifizierten Prozessen überbrückt, um diese komplexen Variablen zu verwalten. Ihre Expertise im Umgang mit beschichteten Stählen ermöglicht eine enge Kontrolle des gesamten Formprozesses und sorgt dafür, dass Schmier- und Werkzeugstrategien für eine fehlerfreie Fertigung optimiert werden.

Nachgelagerte Auswirkungen: Schweißen und Veredeln

Die Folgen der Stempelentscheidungen zeigen sich oft im Abfluss der Montagelinie. Ein wichtiges Sicherheits- und Qualitätsproblem ist die Entstehung von Zinkdämpfen beim Schweißen. Wenn das Stanzschmiermittel nicht ordnungsgemäß entfernt wird oder mit dem Zink reagiert, kann es die Porosität in Schweißungen verschlimmern und das Volumen giftiger Zinkoxiddämpfe erhöhen, was zu "Metalldämpffieber" bei den Bedienern führt. Die Reinigbarkeit des gestempelten Teils ist daher ein Sicherheitsmerkmal.

Die Farbhaftung ist ein weiteres Opfer schlechter Stempelkontrolle. Werden auf Zinkseifen (aus Schmiermitteln mit hohem pH-Wert) verbliebene Teile mit Alkyd-Basisfarben versehen, wird der Farbstoff durch einen als Saponifikation bekannten Ausfallmechanismus geschält. Um eine ordnungsgemäße Farbhaftung zu gewährleisten, erfordern gestempelte Teile in der Regel eine Vorbehandlung mit einer Phosphatumwandlungsbeschichtung. Dieser chemische Prozess verwandelt die Oberfläche in eine nichtreaktive Schicht, die eine starke Farbbindung fördert und die während der Stempelphase entstehenden Risiken neutralisiert.

Fazit

Die Beherrschung des Stanzens von verzinktem Stahl erfordert einen Wechsel von reaktiven Fehlerbehebungsmaßnahmen hin zu proaktiver Prozessoptimierung. Es reicht nicht aus, einfach mehr Öl aufzutragen, wenn Teile reißen; das gesamte tribologische System – Beschichtungsart, Werkzeugmaterial, pH-Wert des Schmierstoffs und Oberflächenbeschaffenheit – muss ausbalanciert sein. Indem man die unterschiedlichen Mechanismen von Zinkanhaftung, Abblättern und chemischer Verfärbung versteht, können Hersteller ein notorisch problematisches Produktionsthema in einen zuverlässigen, qualitativ hochwertigen Prozess verwandeln.

Der Unterschied zwischen 10 % Ausschuss und nahezu null Fehlern liegt oft in unsichtbaren Details: dem pH-Wert eines Schmierstoffs, der Beschichtung eines Werkzeugs oder der mikroskopischen Rauheit der Blechoberfläche. Die Beachtung dieser Variablen ist das Kennzeichen einer Weltklasse-Presseeinrichtung.

Häufig gestellte Fragen

1. Was verursacht schwarze Flecken auf Bauteilen aus verzinktem Stahl?

Schwarze Flecken entstehen typischerweise durch Reibungsoxidation oder sogenannte „Reibungspolymere“. Wenn beim Stanvorgang aufgrund mangelnder Schmierung oder zu geringer Toleranzen übermäßige Hitze entsteht, oxidiert das Zink oder Aluminium in der Beschichtung und erzeugt dunkle Streifen. Ein hoher Schwefelgehalt im Prozesswasser kann ebenfalls mit dem Zink reagieren und schwarze Flecken bilden.

2. Warum blättert die Farbe von feuerverzinktem Stahl ab?

Farbabblättern beruht häufig auf Verseifung. Wird eine Alkydharzfarbe direkt auf eine verzinkte Oberfläche aufgetragen, reagiert das Zink mit den Harzen und bildet eine Seifenschicht an der Grenzfläche, wodurch die Farbe abblättert. Zur Vermeidung ist eine ordnungsgemäße Reinigung sowie die Verwendung einer Phosphat-Umwandlungsbeschichtung oder eines Waschprimers erforderlich.

3. Wie kann ich Weißen Rost auf gestanzten Teilen verhindern?

Weißer Rost entsteht, wenn verzinkte Teile Feuchtigkeit ohne ausreichende Luftzirkulation ausgesetzt sind, was häufig bei dicht gestapelten Teilen vorkommt. Zur Vermeidung sollten die Teile vor dem Stapeln vollständig trocken sein, Luftmesser zur Entfernung von restlichem Kühlmittel eingesetzt werden und die Teile in einer klimatisierten Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert werden.