Warum ist kaltgewalzter Stahl für Präzisions-Stanzteile besonders gefragt?

Aus kaltgewalztem Stahl werden außergewöhnliche Maßgenauigkeit und engste Toleranzen erzielt.

Erzielung einer Toleranzkonstanz von ±0,005"

Bei der Kaltwalzung von Stahl wird die Temperatur auf Raumtemperatur gehalten, während das Material mittels Walzen komprimiert wird. Dadurch wird thermische Ausdehnung vermieden, sodass Teile mit einer Genauigkeit von 0,005 Zoll in ihrer Größe konstant bleiben. Im Gegensatz zur Warmwalzung – bei der der Stahlfluss und die Kompression unkontrolliert verlaufen und anfällig für thermisch bedingte Gefügeveränderungen sind – wird bei der Kaltwalzung eine gleichmäßige Stahlströmung und Kompression innerhalb derselben Toleranzen erreicht. Kaltgewalzte Produkte werden bevorzugt in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Medizintechnik eingesetzt, wo Messungen im Mikrometerbereich erforderlich sind, um Gefügeprobleme zu vermeiden, die durch Hochtemperaturumwandlungen entstehen. Zudem erhöht die Verfestigung durch Kaltverformung die Fähigkeit eines Produkts, seine geformte Gestalt während nachfolgender Fertigungsprozesse beizubehalten. Weshalb ist Warmwalzstahl nicht mit den ISO-2768-Feinpräzisions-Stanzanforderungen vereinbar?

Warmgewalzter Stahl erreicht seine Legierungs- und Schweißzwecke durch das Durchlaufen von Walzen bei Temperaturen über 1700 Grad Fahrenheit. Aufgrund der extremen Hitze entstehen Oberflächenfehler (Zunderbildung) am Stahl, und dieser kühlt ungleichmäßig ab, wodurch er sich ebenfalls ungleichmäßig zusammenzieht. Dadurch weist der gewalzte Stahl Maßabweichungen auf, die den ISO-2768-fein-Standard von ±0,03 Zoll nicht erfüllen. Neben den Oberflächenfehlern weist der Stahl innere Spannungen auf, die zu Verzug führen und die innere Kornstruktur verfeinern. Dies bewirkt einen beschleunigten Verschleiß der Stanzwerkzeuge sowie Schwankungen in den genauen Abmessungen der gestanzten Teile. Aufgrund dieser Probleme müssen Hersteller bei rund 75 % der Präzisionsteile zusätzliche Bearbeitungsschritte durchführen. Branchendaten aus dem Jahr 2023 zeigen, dass diese zusätzliche Bearbeitung zu Produktionskosten führt, die etwa 40 % höher liegen als die Kosten für den Einsatz von kaltgewalztem Stahl.

Maximale Oberflächenqualität ermöglicht sauberes Umformen und eine längere Werkzeuglebensdauer.

Dank Kaltwalzen können wir extrem glatte Oberflächen mit einer Rauheit von sogar unter Ra < 0,8 Mikrometer erreichen – ein entscheidender Vorteil bei der Präzisionsstanzung. Der Grund hierfür ist die Oberflächenebenheit. Bei einer derart glatten Oberfläche wird die Reibung beim Kontakt des Metalls mit dem Werkzeug während des Umformprozesses erheblich reduziert (gegebenenfalls sogar vollständig eliminiert). Dadurch erfährt das Werkzeugmaterial deutlich weniger Verschleiß. So behaupten beispielsweise einige Fertigungsbetriebe, dass ihre Werkzeuge bei Verwendung von kaltgewalztem Stahl bis zu 40 % länger halten als bei Verwendung von warmgewalztem Stahl. Das Fehlen mikroskopisch kleiner Unebenheiten und Rillen verhindert, dass das Material am Werkzeug haftet oder sich daran aufraut (Galling). Aufgrund der Oberflächenglätte verzeichnen Fertigungsbetriebe eine Produktivitätssteigerung von bis zu 30 %, da das glatte Material zu einer deutlichen Reduzierung des Ausschusses führt. Bei großen Serienfertigungen gewinnt die Oberflächenqualität noch weiter an Bedeutung, um die geforderten Toleranzen einzuhalten – insbesondere vor dem Hintergrund der hohen Qualitätsanforderungen, die Präzisionsfertiger stellen.

Ra < 0,8 µm-Oberflächenfinish und dessen direkter Einfluss auf Werkzeugverschleiß und Ausschussreduktion

Kaltwalzen entfernt die dicke und spröde Walzhaut, die sich auf warmgewalztem Stahl bildet, wodurch nahezu spiegelglatte, walzhautfreie Oberflächen entstehen. Diese Oberflächen müssen für bestimmte Anwendungen einen Ra-Wert von weniger als 0,8 Mikrometer erreichen. Bei Blechen mit diesem Finish kann das Schmiermittel eine echte Barriere zwischen Metall und Werkzeugfläche bilden, unbehindert durch Reste der Walzhaut oder tiefe Oberflächenrillen, die das Schmiermittel festhalten und dessen Verteilung stören. Was geschieht also? Die Reibung wird deutlich verringert, das Material fließt leichter und die Werkzeuge werden geringer belastet. Zudem sinkt die Zahl der wegen Kratzer, Rissbildung und Oberflächenfehlern aussortierten Teile merklich. Aktuelle Branchentrends zeigen, dass Hersteller, die mit glatteren Ausgangsoberflächen arbeiten, eine längere Werkzeuglebensdauer und niedrigere Werkzeugkosten pro gefertigter Teileanzahl erzielen.

Walzhautfreie Oberfläche verbessert die Haftung des Schmiermittels und die Ergebnisse beim Tiefziehen

Es gibt große Vorteile neben der glatten Oberfläche. Die Oberfläche von kaltgewalztem Stahl ist zudem frei von Zunder und arbeitet mit Schmierstoffen besser zusammen als viele andere Optionen. Bei warmgewalztem Stahl neigt der Schmierstoff dazu, sich in den Zundersenkungen festzusetzen oder abzufallen, sobald die Oxidschicht entfernt wird. Bei kaltgewalztem Stahl hingegen ist die Schmierstoffhaftung über die gesamte Oberfläche hinweg gleichmäßig. Dadurch entsteht ein stabiler Schmierfilm, der sich besonders vorteilhaft bei Tiefziehprozessen auswirkt: Metall-Metall-Kontakt wird reduziert, Kaltverformungsverschleiß (Galling) und Materialrissbildung an Metallkomponenten werden verringert, und die allgemeine Tiefziehfähigkeit steigt – ebenso die Komplexität der hergestellten Merkmale sowie die Geschwindigkeit des Fertigungsprozesses. Die Oberflächenbeschaffenheit und die Maßtoleranzen bleiben erhalten. Zudem trägt die gleichmäßige Schmierstoffhaftung zu einer besseren Kontrolle des Federrücklaufs bei und verbessert so die Maßgenauigkeit und Konsistenz der gefertigten Blechstanzteile.

Festigkeit, Umformbarkeit und Härtegradkontrolle – maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften

Komplexe Geometrie und Rückfederungskontrolle: kaltgewalzter Stahl von Viertelhart bis Vollhart

Um die Präzision beim Stanzen zu erreichen, ist die Kontrolle der Werkstoffeigenschaften erforderlich – eine Anforderung, die kaltgewalzter Stahl aufgrund seiner verschiedenen Härtegrade von Viertelhart bis Vollhart ideal erfüllt. Materialien im Viertelhart-Zustand mit einer Streckgrenze von etwa 150 MPa eignen sich besonders für Teile, die während der Umformung stark gestreckt werden, insbesondere bei engen Radien und scharfen Ecken. Vollhart-Materialien hingegen mit einer Streckgrenze über 300 MPa reduzieren Rückfederungsprobleme bei flachen Bauteilen mit kritischen Abmessungen um 50 % bis 75 %. Da Vollhart-Materialien jedoch aufgrund ihrer ausgeprägten Eigenschaften häufig zu Rissbildung neigen, ist das Auffinden des „optimalen Bereichs“ entscheidend. Bei der Massenfertigung von mehreren tausend Teilen zeichnet sich kaltgewalzter Stahl durch außergewöhnliche Zuverlässigkeit aus, da seine gleichmäßige Mikrostruktur eine Toleranzhaltung von ±0,2 mm ermöglicht.

Die rechtzeitige Auswahl der richtigen Temperaturklasse kann zeitaufwändige Nachbearbeitungsschritte und anhaltende Federrückstellprobleme während des gesamten Produktionszyklus verhindern. Dies gilt insbesondere für komplexe Geometrien, wie z. B. verzahnte Komponenten oder Mehrachsen-Biegungen.

Branchenanwendung: Einsatz von kaltgewalztem Stahl bei hochpräzisem Stanzen – Beispiel

Automobil-ADAS-Halterungsbeispiel: 92 % – 99,3 % Ausschussfreiheit mit kaltgewalztem Stahl

Ein Hersteller von Automobilkomponenten erzielte nach dem Wechsel auf kaltgewalzten Stahl für die Produktion von ADAS-Sensorhalterungen eine deutliche Verbesserung. Diese Sicherheitskomponenten müssen eine Toleranz von ±0,1 mm Spiel einhalten. Vor diesem Wechsel hatte der Hersteller Probleme mit dem Einsatz von warmgewalztem Stahl: Aufgrund von Maßabweichungen und der Bildung von Oberflächenfehlern beim Stanzen (Gruben) fielen 8 % der Produkte als Ausschuss an. Nach dieser Änderung stieg die Ausbeute auf 92 %. Durch den Einsatz von ASTM-A366-Kaltbandstahl im Viertelhärtezustand wurde eine vollständige Trendwende erreicht. Dieses Material weist eine sehr gute Dickenkonstanz von ±0,005 Zoll sowie eine Oberflächenrauheit von Ra 0,6 Mikrometer (d. h. schuppenfrei und ohne Oberflächenfehler im Mikrobereich) auf. Alle diese Springback-Fehler und das spröde Versagen des Materials verschwanden.

Nach den abschließenden Tests lag die Ausbeutequote bei beeindruckenden 99,3 %, was bedeutet, dass der Ausschuss um nahezu 90 % reduziert wurde. Dies zeigt deutlich, dass kaltgewalzter Stahl sowohl eine hohe Maßhaltigkeit als auch eine verbesserte Oberflächenqualität bietet und damit die Herstellung nahezu fehlerfreier Komponenten für selbst die anspruchsvollsten sicherheitsrelevanten Anwendungen in der gesamten Branche ermöglicht.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptvorteil von kaltgewalztem Stahl gegenüber warmgewalztem Stahl? A: Aufgrund des Herstellungsprozesses – bei dem das Walzen bei niedrigerer Temperatur erfolgt – weist kaltgewalzter Stahl keine kornbedingten Probleme auf, wie sie bei warmgewalztem Stahl auftreten. Dies führt bei kaltgewalztem Stahl zu einer deutlich höheren Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität.

F: Warum wird behauptet, dass das Kaltwalzen das Stanzen verbessert? A: Das Stanzen wird durch die geringere Oberflächenrauheit verbessert, was letztlich zu geringerer Reibung, weniger Verschleiß an den Stanzwerkzeugen und einer Reduzierung des Ausschusses führt.

F: Warum bevorzugen Hersteller kaltgewalzten Stahl für Bauteile, die hohe Präzision erfordern? A: Aufgrund der besseren Toleranzeinhaltung und einer gleichmäßigeren Mikrostruktur kann kaltgewalzter Stahl zur Herstellung hochwertiger Komponenten eingesetzt werden, die die Anforderungen zahlreicher Anwendungen erfüllen.