So beseitigen Sie Kaltverschweißung (Galling) an Verschleißplatten beim Stanzen von hochfestem Stahl (AHSS)

Ein Stanzingenieur, mit dem ich zusammenarbeite, rief mich nach einer 12-stündigen Schicht zur Fehlersuche an einem Folgeschnittwerkzeug an, das DP 980 verarbeitete. Das Werkzeug hatte etwa 4.000 Hübe gelaufen, als er feine Aluminiumablagerungen auf der Führungsschiene bemerkte – die Zinkbeschichtung des verzinkten AHSS-Bandes hatte sich auf die Verschleißplattenoberfläche übertragen und bildete stellenweise Ablagerungen. Innerhalb weiterer 2.000 Hübe hatte die Ablagerung die Schiene gerieft und sichtbare Kratzer auf den Stanzteilen erzeugt. Sein Team hatte bereits zweimal versucht, das Schmiermittel zu wechseln. Das war kein Schmierungsproblem. Das war Kaltverschweißung (Galling) – und sie zerstörte seine Verschleißplatten.

Um Kaltverschweißung an Verschleißplatten beim Stanzen von hochfestem Stahl (AHSS) zu beseitigen, müssen Sie die Grundursache angehen: Der extreme Anpressdruck, der beim Umformen von AHSS entsteht, übersteigt die Filmdruckfestigkeit herkömmlicher Schmiermittel und führt zum adhäsiven Übertrag zwischen der Zinkbeschichtung und der Werkzeugstahl-Oberfläche der Verschleißplatte. Das Zink aus der Verzinkung erweicht unter Druck und Wärme, bindet an die Verschleißplatte und lagert sich schichtweise ab. Sobald sich diese Übertragungsschicht bildet, reibt sie sowohl die Platte als auch die Gegenführung ab. Die Lösung erfordert einen Wechsel des Verschleißplattenmaterials – nicht nur des Schmiermittels.

Schritt 1: Auf ein kaltverschweißungsresistentes Verschleißplattenmaterial umstellen

Die wirksamste einzelne Änderung, die Sie vornehmen können, ist der Austausch von Standard-Werkzeugstahl-Verschleißplatten durch Aluminiumbronze- oder Kupferlegierungs-Verschleißplatten mit eingebettetem Graphitschmierstoff. Warum:

Werkzeugstahl gegen Werkzeugstahl – oder sogar gehärteter Werkzeugstahl gegen ein verzinktes AHSS-Band – schafft ideale Bedingungen für adhäsiven Verschleiß. Das Zink wirkt unter dem hohen, für die AHSS-Umformung typischen Druck (200–400 MPa an der Werkzeugkante) als Bindemittel zwischen den beiden Stahloberflächen. Sobald eine lokalisierte Verbindung entsteht, wird Material übertragen und die Oberfläche degradiert schnell.

Bronzelegierungen haben dagegen eine andere Kristallstruktur, die dem adhäsiven Übertrag mit Stahl widersteht. Kupfer bildet mit Zink nicht dieselbe metallurgische Bindung wie Stahl mit Stahl. Die Forschung des Center for Precision Forming der Ohio State University hat gezeigt, dass Bronze-Werkzeugmaterialien das Einsetzen von Kaltverschweißung beim Umformen verzinkten AHSS bei Kontaktdrücken über 200 MPa um den Faktor drei bis fünf gegenüber Werkzeugstahl verzögern.

Bronze-Verschleißplatten mit eingebetteten Graphitstiften fügen eine zweite Schutzschicht hinzu. Der Graphit überträgt einen kontinuierlichen Trockenfilm-Schmierstoff auf die Gegenfläche, füllt die mikroskopischen Täler im Stahl und verhindert Zink-zu-Stahl-Kontakt auf Rauheitsebene. Das ist besonders an den Hochdruck-Kontaktpunkten wirksam, an denen flüssiges Schmiermittel herausgepresst wird.

Schritt 2: Ihre Schmiermittelwahl für AHSS verifizieren

Nicht alle Stanzschmiermittel leisten bei AHSS gleichwertige Arbeit. Standardmäßige chlorierte oder schwefelhaltige EP-Öle, die bei Baustahl gut funktionieren, können bei den Grenzflächentemperaturen der AHSS-Umformung (die lokal an der Werkzeugkante über 150 °C steigen können) zusammenbrechen.

Suchen Sie für AHSS nach Schmiermitteln, die speziell für Hochdruck-Kontaktanwendungen formuliert sind. Diese enthalten typischerweise: – Extremdruck- (EP-) Additive wie Phosphor- oder Schwefelverbindungen, die mit der Metalloberfläche reagieren und eine Opferschicht bilden – Festschmierstoff-Additive wie Molybdändisulfid (MoS2) oder Graphit, die bei Verdrängung des flüssigen Trägers Grenzschmierung liefern – Höhere Basisöl-Viskosität, um die Filmstärke unter den höheren Trennkräften zu halten

Wenn Sie bereits eine graphitgefüllte Bronze-Verschleißplatte verwenden, übernimmt der Graphit die Grenzschmierung automatisch. In diesem Fall kann ein leichteres Schmiermittel oder sogar Trockenlauf ausreichen – der Graphit allein kann die Anforderungen der Grenzschmierung abdecken. Das ist einer der Hauptvorteile des selbstschmierenden Plattenansatzes.

Schritt 3: Das Spiel zwischen Verschleißplatte und Führungsschiene optimieren

Kaltverschweißung ist lastgetrieben. Je höher der Kontaktdruck an der Schnittstelle zwischen Verschleißplatte und Schiene, desto schneller bildet sich die Übertragungsschicht. Die Reduzierung der Last pro Flächeneinheit verringert direkt die Kaltverschweißungsrate.

Für AHSS-Stanzwerkzeuge sollte das Standardspiel von 0,05–0,08 mm pro Seite zwischen Verschleißplatte und Führungsschiene überprüft und eingehalten werden. Wenn trotz korrekter Material- und Schmiermittelwahl Kaltverschweißung auftritt, reduziert die Vergrößerung der Lagerfläche – durch breitere Verschleißplatten oder zusätzliche Leisten – den Kontaktdruck unterhalb der Kaltverschweißungsschwelle.

Der Zielkontaktdruck für AHSS-Anwendungen sollte an der Verschleißplattenschnittstelle unter 15 MPa liegen. Berechnen Sie Ihren tatsächlichen Druck, indem Sie die geschätzte Seitenkraft durch die gesamte projizierte Lagerfläche teilen. Liegen Sie über 15 MPa, ist Ihr Spiel zu eng, Ihre Lagerfläche zu klein – oder beides.

Schritt 4: Oberflächenbehandlung für die Führungsschiene erwägen

Die stählerne Gegenführung ist genauso wichtig wie die Verschleißplatte selbst. Eine gehärtete und geschliffene Schiene mit einer Oberflächengüte von Ra 0,4 μm oder besser reduziert die Ankerpunkte, an denen der Zinkübertrag beginnen kann. Wenn Ihre Schiene sichtbare Schleifriefen senkrecht zur Gleitrichtung aufweist, wirken diese wie Mikromesser, die Zink vom Band abschaben und auf der Verschleißplatte ablagern.

Das Nitrieren der Führungsschienenoberfläche erhöht ihre Härte auf 900–1100 HV und verringert ihre chemische Affinität zu Zink. PVD-Beschichtungen wie TiN oder CrN reduzieren Kaltverschweißung ebenfalls, indem sie eine harte, inerte Barriere bilden, die adhäsiver Bindung widersteht. Diese Behandlungen ersetzen keine Bronze-Verschleißplatte, verlängern aber in Kombination die Intervalle zwischen Wartungseingriffen deutlich.

Schritt 5: Überwachung und vorbeugender Wartungsplan

Selbst mit den besten Materialentscheidungen wird AHSS-Stanzen jede Verschleißplatte irgendwann verschleißen. Entscheidend ist, Kaltverschweißung zu erkennen, bevor sie sich zu Riefen entwickelt. Prüfen Sie die Verschleißplattenoberfläche bei jedem geplanten Werkzeugwartungsintervall – wir empfehlen bei AHSS-Anwendungen mit 20+ Hüben pro Minute alle 100.000 Hübe.

• Achten Sie auf verfärbte Stellen auf der Bronzeoberfläche. Eine dunkle oder kupferfarbene Verfärbung deutet auf lokale Überhitzung und beginnende Kaltverschweißung hin.
• Fahren Sie mit dem Fingernagel über die Plattenoberfläche. Wenn Sie erhabene Stellen spüren, hat der Materialübertrag begonnen.
• Messen Sie den Verschleiß der Graphitstifte. Wenn die Stifte auf einer Seite der Platte schneller verschleißen als auf der anderen, ist das Spiel ungleichmäßig und muss angepasst werden.
• Prüfen Sie die Schienenoberfläche auf Kratzer. Feine Längskratzer sind normal; tiefe Rillen deuten darauf hin, dass loser Graphit aus den Stiften über die Oberfläche gezogen wird – das bedeutet, die Stifte verschleißen zu schnell oder die Graphitsorte ist zu weich.

Häufig gestellte Fragen

F: Kann ich ein bestehendes Werkzeug, das AHSS verarbeitet, mit Graphit-Bronze-Verschleißplatten nachrüsten?
A: Ja, wenn die Leistennut genügend Material bietet, um die Plattentärke aufzunehmen. Die Nachrüstung ist unkompliziert: Entfernen Sie die vorhandenen Stahlleisten, fräsen Sie die Nut auf die Standard-Bronzeplattendicke nach und installieren Sie selbstschmierende Graphit-Bronze-Verschleißplatten mit demselben Bohrungsbild. Viele Werkstätten machen das während eines geplanten Wartungsfensters und sehen sofortige Verbesserung bei der Kaltverschweißung.

F: Beeinflusst die AHSS-Sorte die Schwere der Kaltverschweißung?
A: Ja. DP 980 und DP 1180 erzeugen deutlich höhere Kontaktdrücke als DP 600, was die Kaltverschweißung beschleunigt. TRIP-Stähle mit Restaustenit können ebenfalls mehr abrasiven Verschleißabrieb erzeugen. Für die höchsten AHSS-Sorten bietet eine Bronze-Verschleißplatte mit größerem Graphitstiftdurchmesser und höherer Stiftdichte den besten Kaltverschweißungswiderstand.

F: Wie oft sollten Graphit-Bronze-Verschleißplatten beim AHSS-Stanzen ersetzt werden?
A: Bei typischen Automobil-AHSS-Anwendungen mit 3-Schicht-Betrieb halten Graphit-Bronze-Verschleißplatten 12–18 Monate, bevor die Bronzedicke unter den Spezifikationswert verschleißt. Das ist 3–4-mal länger als Werkzeugstahl-Verschleißplatten in derselben Anwendung. Die Graphitstifte verschleißen gleichmäßig mit dem Bronze und halten den Schmierfilm über die gesamte Lebensdauer.

F: Beseitigt der Wechsel auf Graphit-Bronze-Platten die Kaltverschweißung sofort vollständig?
A: In den meisten Fällen ja – die Kaltverschweißung stoppt innerhalb der ersten Schicht nach dem Einbau, weil die Bronze-Graphit-Schnittstelle die Zink-zu-Stahl-Adhäsion verhindert, die das Problem antreibt. Wenn die Führungsschiene jedoch bereits durch frühere Kaltverschweißung gerieft ist, muss die Schienenoberfläche möglicherweise nachgeschliffen oder ersetzt werden, um eine glatte Gegenfläche für die neuen Verschleißplatten zu schaffen.