In der Welt der Metallverarbeitung ist das Verständnis der Prozesseigenschaften häufig verwendeter Blechmaterialien unerlässlich, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Durch meine Berufserfahrung in der Branche habe ich gelernt, dass jedes Material einzigartige Eigenschaften aufweist, die sich auf alles auswirken, von Bildung und Schneiden zu Schweißen und Veredelung. In diesem Artikel werde ich diese Eigenschaften untersuchen und hervorheben, wie sie die Herstellungsprozesse beeinflussen. Egal, ob Sie ein erfahrener Profi oder ein Neuling auf diesem Gebiet sind, Einblicke in diese Materialien ermöglichen Ihnen fundierte Entscheidungen und steigern den Gesamterfolg Ihrer Projekte.

Neben der Form und Genauigkeit des zu bearbeitenden Teils und der dem Unternehmen zur Verfügung stehenden Strukturausrüstung hängt die Bearbeitung des Teils auch stark vom verwendeten Material ab. Daher ist es wichtig, die Verarbeitungseigenschaften verschiedener Materialien zu analysieren und zu verstehen, da diese für den Bearbeitungsprozess von Blechteilen und die Entwicklung von Produktionsbetriebsspezifikationen von großer Bedeutung sind. 

Prozesseigenschaften von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl

Im Allgemeinen werden Blechteile aus gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl (z. B. Q195, Q215, Q235 usw.) und hochwertigem Kohlenstoffbaustahl (z. B. 08, 10F, 20 usw.) hergestellt, die am häufigsten verwendet werden. Es gibt nur wenige Einschränkungen bei der Formgebung, außer dass die Dickenzunahme durch die Verformungsrate und die Erwärmung durch die obere Temperaturgrenze begrenzt wird. 

Bei der Verarbeitung von dickerem Plattenmaterial wird zur Erhöhung des Verformungsgrads des Plattenmaterials und damit zur Verringerung seines Verformungswiderstands stärker auf Warmumformung oder partielles Erhitzen des Rohlings im Tiefzieh- und Umformprozess geachtet. Allerdings sollte eine Erwärmung in bestimmten Temperaturbereichen vermieden werden, z. B. bei Kohlenstoffstahl auf 200 bis 400 °C, da der Alterungseffekt (Ausscheidungen in Form von Einschlüssen an den Korngrenzen und Gleitoberflächen) die Plastizität verringert und den Verformungswiderstand erhöht. Dieser Temperaturbereich wird als Blaubruchzone bezeichnet. In diesem Temperaturbereich lässt die Leistung des Stahls nach und er neigt zu Sprödbrüchen (Blaubruch). Im Bereich von 800 bis 950 °C tritt eine Heißbruchzone auf, wodurch die Plastizität verringert wird. Daher muss beim Warmtiefziehen von Platten besonders darauf geachtet werden, dass die tatsächliche Verformung bei der Heißpresstemperatur nicht in die Blaubruchzone oder die Heißbruchzone fällt. Beim Betrieb sollte die Heizeinrichtung und die Heißpresstemperatur zwischen den Verformungsorten berücksichtigt werden und die Kühlblaseinrichtung sollte sorgfältig eingesetzt werden, um das Auftreten von Blau- und Heißspröde zu vermeiden. 

Prozesseigenschaften von legierten Stählen

Der bei der Herstellung von Blechkonstruktionsteilen üblicherweise verwendete legierte Stahl ist normalerweise 16Mn, 15MnV und anderer niedriglegierter hochfester Konstruktionsstahl. Ihre Prozesseigenschaften sind wie folgt. 

16Mn. 16Mn-Stahl wird üblicherweise warmgewalzt geliefert und erfordert keine Wärmebehandlung. Insbesondere bei Walzstahl mit einer Dicke von weniger als 20 mm weist er sehr hohe mechanische Eigenschaften auf, weshalb im Allgemeinen direkt im Anschluss warmgepresst wird. Bei Stahlplatten mit einer Dicke von mehr als 20 mm kann zur Verbesserung der Streckgrenze und der Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen eine Normalisierung durchgeführt werden. 

Darüber hinaus ist die Leistung beim Gasschneiden mit der von gewöhnlichem kohlenstoffarmem Baustahl identisch. Die Gasschneidkante neigt innerhalb von 1 mm zur Härtung, kann aber aufgrund des sehr schmalen Härtungsbereichs durch Schweißen beseitigt werden. Daher erfordert die Gasschneidkante dieses Stahls keine mechanische Bearbeitung und kann direkt geschweißt werden. 

Die Leistung des Kohlenstofflichtbogen-Gashobelns entspricht der von gewöhnlichem kohlenstoffarmem Baustahl. Obwohl innerhalb der Gashobelkante eine Härtungstendenz besteht, ist der Härtungsbereich sehr schmal und kann durch Schweißen beseitigt werden. Daher erfordert die Gashobelkante dieser Stahlsorte keine mechanische Bearbeitung und kann direkt geschweißt werden. Das Ergebnis ist im Wesentlichen die gleiche Härte der Wärmeeinflusszone wie beim Schweißen nach der Bearbeitung. 

Im Vergleich zu Q 235 liegt die Streckgrenze von 16Mn-Stahl über 345 MPa und ist damit höher als bei Q 235. Daher ist die Kaltumformkraft höher als bei Q 235-Stahl. Bei dickwandigem warmgewalztem Stahl können die Kaltumformeigenschaften durch Normalglühen oder Glühen deutlich verbessert werden. Ab einer bestimmten Blechdicke (t ≥ 32) muss nach der Spannungsarmglühung kaltverformt werden. 

Bei einer Erwärmung auf über 800 °C lassen sich gute Warmformeigenschaften erzielen. Die Erwärmungstemperatur von 16Mn-Stahl sollte jedoch 900 °C nicht überschreiten, da es sonst leicht zu einer Überhitzung kommt und die Schlagzähigkeit des Stahls abnimmt. 

Darüber hinaus ändern sich die mechanischen Eigenschaften von 16Mn-Stahl nach dreimaliger Flammenerhitzung und Wasserkühlung nicht signifikant, und die Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbruch bleibt beim ursprünglichen Grundmaterial gleich. Daher kann der Stahl zwar wasserfeuerbeständig sein, die dynamische Belastungsstruktur ist jedoch nicht für wasserfeuerbeständige orthopädische Anwendungen geeignet. 

15MnV. Dünne 15MnV- und 15MnTi-Stahlplatten haben ähnliche Scher- und Kaltwalzeigenschaften wie 16Mn-Stahl. Bei warmgewalzten Stahlplatten mit einer Plattendicke t ≥ 25 mm können sich jedoch an den Scherkanten aufgrund der Kaltverfestigung leicht kleine Risse bilden. Diese Risse können bereits vor der Herstellung im Stahlwerk entstanden sein. Daher sollten die Qualitätskontrollen intensiviert werden. Sobald sie jedoch entdeckt werden, sollten die gerissenen Kanten durch Brennschneiden oder mechanische Bearbeitung entfernt werden. Darüber hinaus können dickere warmgewalzte 15MnV-Stahlplatten, die beim Kaltwalzen leicht brechen, bei 930 bis 1000 °C normalisiert werden, um ihre Plastizität und Zähigkeit zu verbessern und die Kaltwalzeigenschaften zu verbessern. 

Darüber hinaus weist dieser Stahltyp eine gute Warmumformungs- und Warmorthopädieleistung auf. Bei einer Erwärmungstemperatur von 850 bis 1100 °C ist die Auswirkung mehrfacher Erwärmung auf die Streckgrenze nicht signifikant. Außerdem ist die Leistung beim Gasschneiden gut, und auch die Leistung beim Kohlelichtbogenhobeln ist gut. Das Kohlelichtbogenhobeln hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die Leistung der Schweißverbindungen. 

Mit der gleichen Prozessleistung wie Stahl der Klasse 15MnV gehören auch 15MnTi, 15MnVCu, 15MnVRE, 15MnNTiCu usw. dazu. 

●09Mn2Cu, 09Mn2. Diese Stahlsorte weist eine bessere Kaltumformungsleistung auf. 09Mn2Cu, 09Mn2, 09Mn2Si dicke Stahlplatten werden durch Kaltwalzverfahren, Warmpressverfahren, Brennschneiden, Kohlelichtbogenhobeln, Flammrichten und auch Q235 hergestellt. 

●18MnMoNb. Dieser Stahltyp ist sehr kerbempfindlich und neigt beim Brennschneiden zur Verhärtung. Um Rissen beim Biegen vorzubeugen, sollte die Stahlplatte beim Brennschneiden 1 Stunde lang bei 580 °C isoliert und anschließend spannungsarm geglüht werden. 

Prozessleistung von Edelstahl

Es gibt viele Arten von rostfreiem Stahl. Je nach chemischer Zusammensetzung kann man ihn in zwei Kategorien unterteilen: Chromstahl und Nickel-Chrom-Stahl. Chromstahl enthält viel Chrom, aber auch kleine Mengen Nickel, Titan und andere Elemente; Nickel-Chrom-Stahl enthält viel Chrom und Nickel, aber auch kleine Mengen Titan, Molybdän und andere Elemente. Je nach metallografischer Organisation wird er in verschiedene Kategorien unterteilt, beispielsweise austenitisch, ferritisch und martensitisch. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung und metallografischen Organisation weisen die verschiedenen Arten von rostfreiem Stahl große Unterschiede in ihren mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften auf, was die Verarbeitung von rostfreiem Stahl relativ schwierig macht. 

Es gibt zwei Arten von Edelstahlsorten, die üblicherweise verwendet werden. 

Kategorie A: martensitischer Chromstahl, wie 1Cr 13, 2Crl 3, 3Crl 3, 4Crl 3 usw. 

Kategorie B: gehört zum austenitischen Nickel-Chrom-Stahl, wie 1Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni9 usw. 

Die beiden oben genannten Edelstahlsorten haben die folgenden Verarbeitungseigenschaften. 

● Um eine gute Plastizität zu erreichen, muss das Material weich gemacht und wärmebehandelt werden. Bei Edelstahl der Klasse A erfolgt die Erweichung durch Glühen, bei Edelstahl der Klasse B durch Abschrecken. 

Im weichen Zustand weisen die mechanischen Eigenschaften der beiden Edelstahlsorten eine gute Verarbeitbarkeit auf, insbesondere eine gute Stanzverformungsverarbeitbarkeit, die für den grundlegenden Stanzverformungsprozess geeignet ist. Die Materialeigenschaften von Edelstahl unterscheiden sich jedoch stark von denen von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl. Selbst wenn Edelstahl zum Tiefziehen geeignet ist, ist der Wert der anisotropen Eigenschaften der vertikalen Plastizität viel niedriger als bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl. Gleichzeitig ist die Kaltverfestigung aufgrund der hohen Streckgrenze schwerwiegend, sodass beim Tiefziehen nicht nur leicht Falten entstehen, sondern das Plattenmaterial auch in den konkaven Ecken der Matrize durch Biegen und Rückbiegen verformt wird und sich häufig in der Seitenwand des Teils eine Vertiefung oder Durchbiegung bildet. Daher ist beim Tiefziehen von Edelstahl eine sehr hohe Kompressionskraft erforderlich, und die Form muss sorgfältig angepasst werden. 

Da Edelstahl aufgrund seiner Kaltverfestigung sehr stark ist, bilden sich beim Tiefziehen leicht Falten. Daher müssen im tatsächlichen Betrieb einige der folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um einen reibungslosen Ablauf des Tiefziehens zu gewährleisten: Im Allgemeinen wird nach jedem Tiefziehen ein Zwischenglühen durchgeführt. Edelstahl kann im Gegensatz zu Weichstahl 3- bis 5-mal zwischengeglüht werden. Normalerweise wird nach jedem Tiefziehen ein Zwischenglühen durchgeführt. Bei großen Tiefziehteilen muss nach der Verformung eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die verbleibenden inneren Spannungen zu beseitigen. Andernfalls bilden sich in den Tiefziehteilen Risse. Die Wärmebehandlungsspezifikationen für die inneren Spannungen lauten: A. Erhitzungstemperatur für Edelstahl 250 bis 400 °C, B. Erhitzungstemperatur für Edelstahl 350 bis 450 °C, und anschließend 1 bis 3 Stunden lang bei dieser Temperatur isoliert. Durch Warmziehen lassen sich technisch und wirtschaftlich bessere Ergebnisse erzielen. Beispielsweise kann durch Erhitzen von Edelstahl 1Cr18Ni9 auf 80–120 °C die Materialhärtung und die inneren Restspannungen reduziert, der Tiefziehverformungsgrad verbessert und der Ziehkoeffizient gesenkt werden. Bei austenitischem Edelstahl hingegen kann durch Erhitzen auf höhere Temperaturen (300–700 °C) der Stanzprozess nicht weiter verbessert werden. Beim Tiefziehen komplexer Teile sollten hydraulische Pressen, z. B. herkömmliche Hydraulikpressen, verwendet werden, um bei der Verformung keine hohen Tiefziehgeschwindigkeiten (ca. 0,15–0,25 m/s) zu erzeugen und so bessere Ergebnisse zu erzielen. 

● Im Vergleich zu Kohlenstoffstahl oder Nichteisenmetallen ist die hohe Verformungskraft und der große elastische Rücksprung ein weiteres Merkmal des Edelstahlstanzens. Um die Genauigkeit der Größe und Form der gestanzten Teile sicherzustellen, sind daher manchmal mehr Beschnitt, Korrekturen und eine erforderliche Wärmebehandlung erforderlich. 

●Die Streckgrenze von austenitischem Edelstahl variiert stark zwischen den verschiedenen Sorten. Achten Sie daher beim Scheren und Formen auf die Kapazität der Verarbeitungsgeräte. 

Prozessverhalten von Nichteisenmetallen und Legierungen

Bei Nichteisenmetallen und Legierungen werden im Formungsprozess durch den Kontakt mit der Ausrüstung höhere Anforderungen an die Glätte der Oberfläche der Formen gestellt. 

● Kupfer und Kupferlegierungen. Häufig verwendete Kupfer- und Kupferlegierungen sind reines Kupfer, Messing und Bronze. Reines Kupfer und Messing der Güten H62 und H68 lassen sich gut prägen, wobei die Kaltverfestigung bei H62 im Vergleich zu H68 intensiver ist. 

Bronze wird aus Korrosionsschutzgründen, für Federn und verschleißfeste Teile verwendet. Die Leistung variiert je nach Sorte erheblich. Im Allgemeinen eignet sich Bronze schlechter zum Stanzen als Messing, während Bronze beim Kalthärten stärker ist als Messing und häufiges Zwischenglühen erfordert. 

Die meisten Messing- und Bronzesorten lassen sich im heißen Zustand (unter 600 bis 800 °C) gut prägen, aber das Erhitzen bringt viele Unannehmlichkeiten für die Produktion mit sich. Kupfer und viele Kupferlegierungen hingegen weisen im Zustand zwischen 200 und 400 °C eine deutlich geringere Plastizität als bei Raumtemperatur auf und werden daher im Allgemeinen nicht im heißen Zustand geprägt. 

●Aluminiumlegierungen. Die üblicherweise in Blechkomponenten verwendeten Aluminiumlegierungen sind hauptsächlich Hartaluminium, rostfreies Aluminium und Knetaluminium. 

Rostfreies Aluminium besteht hauptsächlich aus Aluminium-Mangan- oder Aluminium-Magnesium-Legierungen. Die Wärmebehandlungswirkung ist sehr gering. Nur durch Kaltverfestigung lässt sich die Festigkeit verbessern. Es weist eine mäßige Festigkeit sowie eine ausgezeichnete Plastizität und Korrosionsbeständigkeit auf. Hartaluminium und Knetaluminium sind Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können. Knetaluminium ist meist eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung mit hoher Festigkeit im warmen Zustand, geringer Wärmebehandlungsverfestigungswirkung und guter Plastizität im geglühten Zustand. Es eignet sich zum Stanzen und Schmieden. Hartaluminium ist eine Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung mit hoher Festigkeit und guter Wärmebehandlungsverfestigungswirkung. 

Rostfreies Aluminium kann geglüht werden, um maximale Plastizität zu erreichen. Hart- und Schmiedealuminium können geglüht und abgeschreckt werden, um maximale Plastizität zu erreichen. Sie haben im abgeschreckten Zustand eine höhere Plastizität und insgesamt bessere mechanische Eigenschaften zum Stanzen und eignen sich daher besser zum Stanzen als im geglühten Zustand. 

Hartaluminium und Schmiedealuminium gehören zu den Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung gehärtet werden können. Sie haben die Eigenschaft, dass sie nach dem Abschrecken mit zunehmender Zeit allmählich härter werden. Dieses Phänomen wird als „Altershärte“ bezeichnet. Die Altershärte unterliegt einem bestimmten Entwicklungsprozess, dessen Geschwindigkeit von Güte zu Güte unterschiedlich ist. Da diese Aluminiumlegierungen altershärtende Eigenschaften aufweisen, muss der Stanzprozess dieser Aluminiumlegierungen vor dem Abschluss der Alterungshärte abgeschlossen sein. In der Regel verlangt die Werkstatt, dass der Prozess innerhalb von 1,5 Stunden nach dem Abschrecken abgeschlossen ist. 

Aluminiumlegierungen, Aluminium- und Magnesiumlegierungen (meist rostfreies Aluminium) sind stärker kaltverfestigt, daher erfolgt bei der Herstellung komplexer Teile aus solchen Werkstoffen üblicherweise ein 1- bis 3-maliges Zwischenglühen. Nach dem Tiefziehen und Umformen erfolgt das Schlussglühen zur Beseitigung von Eigenspannungen. 

Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit wird bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen auch im warmen Zustand gestanzt. Warmes Stanzen wird meist bei kaltgehärteten Werkstoffen eingesetzt. Nach dem Erwärmen (ca. 100–200 °C) behält das Material einen Teil seiner Kaltverfestigung und verbessert seine Plastizität, was den Stanzverformungsgrad und die Maßgenauigkeit der Stanzteile verbessert. 

Beim Warmprägen muss die Heiztemperatur streng kontrolliert werden. Zu niedrige Temperaturen führen zu Rissen in den Stanzteilen, zu hohe Temperaturen führen zu einem starken Festigkeitsverlust und ebenfalls zu Rissen. Während des Stanzvorgangs neigt die konvexe Matrize zur Überhitzung. Überschreitet sie eine bestimmte Temperatur, erweicht das Stanzmaterial stark und das Tiefziehteil bricht. Eine Temperatur der konvexen Matrize von unter 50–75 °C kann den Verformungsgrad beim Warmtiefziehen verbessern. Beim Warmprägen müssen spezielle hitzebeständige Schmiermittel verwendet werden. 

Titan und Titanlegierungen. Titan und Titanlegierungen sind weniger gut verarbeitbar, weisen jedoch eine höhere Festigkeit, hohe Verformungskräfte und eine starke Kaltverfestigung auf. Sie werden hauptsächlich zum Warmumformen verwendet, mit Ausnahme einiger Sorten, die für Teile mit geringer Verformung kaltumgeformt werden können. Die Heiztemperatur beim Warmumformen ist hoch (300–750 °C) und variiert je nach Sorte. Eine zu hohe Heiztemperatur macht das Material spröde und ist für das Umformen ungeeignet. Da Titan ein chemisch sehr aktives Element ist, sind die für die chemische Reaktion von Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff erforderlichen Temperaturen niedrig. Die mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff gebildeten Verbindungen sind die Hauptfaktoren für die Sprödigkeit. Daher ist die Erwärmung von Titan und Titanlegierungen streng begrenzt. Wenn eine Hochtemperaturverarbeitung erforderlich ist, muss diese unter Schutzgas oder in einem vollständig geschützten, leckagefreien Gehäuse für die integrale Erwärmung durchgeführt werden. Beim Bearbeiten von Stanzteilen aus Titan und Titanlegierungen sollte die niedrigstmögliche Stanzgeschwindigkeit gewählt werden. 

Darüber hinaus kann Titan mit mechanischen Methoden wie Sägen, Hochdruckwasserschneiden, Drehen, Rohrschneidemaschinen usw. geschnitten werden. Die Sägegeschwindigkeit sollte langsam sein und zum Schneiden sollten niemals Sauerstoff-Acetylenflammen oder andere Gase verwendet werden. Auch sollte kein Radsägenschneiden verwendet werden, um eine Verunreinigung der Wärmeeinflusszone des Einschnitts durch Gase zu vermeiden. Gleichzeitig sollte ein zu großer Einschnitt am Grat vermieden werden, was den Gratbearbeitungsprozess verlängert. 

Titan- und Titanlegierungsrohre können kalt gebogen werden, jedoch tritt ein deutlicher Rückprall auf. Bei Raumtemperatur beträgt die Temperatur normalerweise das Zwei- bis Dreifache von Edelstahl. Daher muss beim Kaltbiegen von Titanrohren der Rückprall berücksichtigt werden. Außerdem darf der Biegeradius von Titanrohren beim Kaltbiegen nicht weniger als das 3,5-Fache des Außendurchmessers des Rohrs betragen. Um das Auftreten einer extrem schlechten Elliptizität oder Faltenbildung beim Kaltbiegen zu verhindern, kann das Rohr mit trockenem Flusssand gefüllt und mit einem Holz- oder Kupferhammer festgestampft werden. Beim Kaltbiegen sollte ein Biegedorn verwendet werden. Beim Warmbiegen sollte die Vorwärmtemperatur 200 bis 300 °C betragen. 

Für 90°-Bördelungen sollten drei Sätze von Formen (30°, 60°, 90°) verwendet und stufenweise gepresst werden, um Risse zu vermeiden.