Biegen, Schweißen, Verzinken -
Verfahren der Stahlblechbearbeitung
Der Weg von der Blechtafel zum fertigen Erzeugnis führt in der Regel über vier Gruppen von Arbeitsgängen: Schneiden, Kaltumformen, Fügen und Korrosionsschutz. Jede davon stellt andere Anforderungen an den Werkstoff, und einige dieser Anforderungen widersprechen sich. Gut umformbarer Stahl hat eine geringere Festigkeit. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffäquivalent lässt sich leichter schweißen, seine Zusammensetzung wird jedoch häufig durch andere Anforderungen eingeschränkt. Ein Siliziumgehalt, der den mechanischen Eigenschaften zugutekommt, kann die Schichtdicke beim Stückverzinken verdoppeln und das Aussehen des Überzugs verändern.
Die Werkstoffauswahl für einen Prozess besteht daher darin, zu entscheiden, welche dieser Anforderungen zwingend sind und welche sich durch eine geänderte Reihenfolge der Arbeitsgänge umgehen lassen.
Biegen und Kaltumformen
Beim Biegen wird die äußere Werkstoffschicht gedehnt und die innere gestaucht. Je kleiner der Biegeradius im Verhältnis zur Dicke, desto größer die Dehnung der Außenschicht und desto höher das Rissrisiko. Hersteller geben Mindestradien als Vielfaches der Dicke an, für Blech mit Zink-Magnesium-Überzug beispielsweise beträgt die Empfehlung mindestens das Zweifache der Werkstoffdicke.
In der Werkstattpraxis spielen drei weitere Erscheinungen eine Rolle.
Biegerichtung zur Walzrichtung. Gewalzter Werkstoff hat ein Gefüge mit gestreckten Körnern, wodurch er sich in einer der Richtungen schlechter verformen lässt. Eine Biegelinie quer zur Walzrichtung verringert das Rissrisiko am Außenradius.
Rückfederung. Nach dem Entlasten kehrt der Werkstoff teilweise in seine ursprüngliche Form zurück. Je höher die Streckgrenze, desto stärker die Rückfederung bei gleichem Radius und gleicher Dicke. Der Wechsel auf eine höherfeste Güte ohne Korrektur der Werkzeuge führt zu einer Abweichung des Biegewinkels.
Reckalterung. Diese Erscheinung ist am wenigsten offensichtlich und überrascht am häufigsten. Im Mischkristall des Eisens gelöste Kohlenstoff- und Stickstoffatome wandern mit der Zeit zu den Versetzungen und blockieren sie, wodurch die obere Streckgrenze wiederhergestellt wird. Die Folge sind Lüders-Bänder, also sichtbare Fließfiguren auf der Oberfläche des Tiefziehteils. Stickstoff spielt dabei eine größere Rolle als Kohlenstoff.
Der Werkstoff wird davor durch Dressieren oder Streckrichten geschützt. Eine Verformung von mindestens 0,5 Prozent beseitigt die obere Streckgrenze, und eine Dehnung im Bereich von 1,25-2,0 Prozent ergibt etwa sechs Monate Beständigkeit gegen Lüders-Bänder. Dieser Zeitraum verkürzt sich deutlich, wenn der Werkstoff bei Temperaturen über 38 Grad Celsius verarbeitet wird, bei denen die Härte innerhalb von zwei Wochen um etwa 10 Punkte auf der Rockwell-B-Skala steigen kann. Daraus folgt die Empfehlung, Werkstoff für das Tiefziehen innerhalb von etwa sechs Monaten nach der Lieferung zu verarbeiten. Vollständig beseitigt wird die Erscheinung durch Stähle mit ultraniedrigem Kohlenstoffgehalt, begrenzt durch Zusätze von Aluminium, Titan, Niob oder Bor, die Kohlenstoff und Stickstoff abbinden.
Schweißen und Widerstandsschweißen
Die Schweißeignung niedriggekohlter Stähle wird anhand des Kohlenstoffäquivalents beurteilt, das den gemeinsamen Einfluss von Kohlenstoff und Legierungselementen auf die Härtbarkeit beschreibt. EN 10025-2 legt seine Höchstwerte für die einzelnen Güten fest, den tatsächlichen Wert für eine Charge gibt das Abnahmeprüfzeugnis 3.1 nach EN 10204 an.
Das Äquivalent allein reicht jedoch für die Planung der Schweißtechnologie nicht aus. EN 1011-2 macht die Vorwärmtemperatur von vier Parametern zugleich abhängig: Kohlenstoffäquivalent, kombinierte Blechdicke der Verbindung, Gehalt an diffusiblem Wasserstoff im Schweißgut und Streckenenergie. Der Wechsel auf einen wasserstoffarmen Zusatzwerkstoff kann die erforderliche Vorwärmtemperatur senken oder beim gleichen Grundwerkstoff ganz überflüssig machen.
Dünne Bleche stellen zusätzliche Anforderungen. Zu hoher Wärmeeintrag führt zu Durchbrand und Verzug, und Schweißverzug bei großflächigen Bauteilen ist oft schwerer zu beherrschen als die Qualität der Naht selbst. Daher der Vorteil von Verfahren mit kontrollierter Streckenenergie und des Widerstandsschweißens in der Serienfertigung.
Schweißen verzinkter Bauteile
Ein eigenes Thema ist das Schweißen bereits verzinkten Werkstoffs. Jede auf einer verzinkten Oberfläche ausgeführte Naht zerstört den Überzug an der Naht und beschädigt ihn in der angrenzenden Zone. Die Empfehlung der Branchenverbände ist eindeutig: Der Überzug ist auf etwa 25 bis 100 mm beiderseits der geplanten Naht zu entfernen, am wirksamsten durch Schleifen, und nach dem Schweißen ist der Schutz mit einer zinkreichen Beschichtung wiederherzustellen.
Die wiederhergestellte Beschichtung hat jedoch nicht die metallurgische Verbindung mit dem Untergrund, die das Feuerverzinken bietet, daher ist ihre Beständigkeit geringer. Das ist das Hauptargument dafür, dass das Schweißen vor dem Verzinken erfolgen sollte und nicht umgekehrt.
Hinzu kommen Sicherheitsanforderungen. Zink verdampft bei Lichtbogentemperatur und oxidiert an der Luft zu Zinkoxid, wobei Rauch entsteht. Die Exposition gegenüber diesem Rauch verursacht Metallrauchfieber, eine Erkrankung mit grippeähnlichen Symptomen, die meist einige Stunden nach der Exposition auftreten und innerhalb von ein bis zwei Tagen abklingen. Die in den Vereinigten Staaten geltenden Expositionsgrenzwerte betragen 5 mg/m3 als zeitgewichteter Mittelwert über acht Stunden und 10 mg/m3 als Kurzzeitwert. Praktische Empfehlungen umfassen eine örtliche Absaugung am Lichtbogen, allgemeine Lüftung, das Halten des Kopfes außerhalb der Rauchfahne und bei unzureichenden technischen Maßnahmen Atemschutz.
Stückverzinken (Feuerverzinken im Tauchverfahren)
Das Verfahren besteht darin, das fertige Bauteil in ein Bad aus geschmolzenem Zink mit einer Temperatur von etwa 443 Grad Celsius zu tauchen. Das Bad enthält über 98 Prozent reines Zink, mit Zusätzen von höchstens 2 Prozent, die Fließfähigkeit und Aussehen des Überzugs verbessern.
Die Anforderungen an die Schichtdicke legt EN ISO 1461 in Abhängigkeit von der Dicke des Stahlbauteils fest.
| Stahldicke | Örtliche Schichtdicke min. | Mittlere Schichtdicke min. |
|---|---|---|
| über 6 mm | 70 µm (505 g/m2) | 85 µm (610 g/m2) |
| über 3 bis 6 mm | 55 µm (395 g/m2) | 70 µm (505 g/m2) |
| von 1,5 bis unter 3 mm | 45 µm (325 g/m2) | 55 µm (395 g/m2) |
| unter 1,5 mm | 35 µm (250 g/m2) | 45 µm (325 g/m2) |
Das Bad selbst verändert die mechanischen Eigenschaften des Stahls nicht: Zugfestigkeit, Streckgrenze, Biegeeigenschaften und Kerbschlagzähigkeit bleiben unverändert. Es kann jedoch Verzug an asymmetrischen und dünnwandigen Bauteilen verursachen, was bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen ist.
Die Norm stellt auch konstruktive Anforderungen. Das Bauteil muss eine ausreichende Anzahl von Öffnungen geeigneter Größe haben, die ein sicheres Entlüften und Ablaufen des Zinks ermöglichen. Nicht entlüftete geschlossene Hohlräume dürfen nicht verzinkt werden, da Explosionsgefahr besteht. Branchenrichtlinien empfehlen Öffnungen mit mindestens 12 mm Durchmesser, diagonal gegenüberliegend angeordnet, möglichst nah an der Bauteilwand, mit mindestens zwei Öffnungen an jedem geschlossenen Ende. Einzelheiten zu konstruktiven Lösungen enthält EN ISO 14713-2.
Stahlzusammensetzung und Aussehen des Überzugs
Dicke und Aussehen des Überzugs hängen nicht nur vom Prozess ab, sondern vor allem von der Zusammensetzung des Stahls, insbesondere vom Silizium- und Phosphorgehalt. Diese als Sandelin-Effekt bekannte Erscheinung ist oft Ursache von Missverständnissen zwischen Besteller und Verzinkerei.
| Siliziumgehalt | Wirkung |
|---|---|
| unter 0,03-0,04 Prozent, aluminiumberuhigter Stahl | dünnere Überzüge, etwa 50-65 µm, hell und glänzend, mit der Zeit matt werdend |
| etwa 0,04-0,06 Prozent, Bereich der Reaktivitätsspitze | dicke, mattgraue Überzüge mit schlechterer Optik |
| etwa 0,15-0,25 Prozent, siliziumberuhigter Stahl | dicke Überzüge, etwa 120-300 µm, mattgrau, aber vorhersehbar |
Phosphor wirkt ähnlich: Ein Gehalt über 0,02 Prozent kann zu einem übermäßig dicken, spröden und abplatzungsanfälligen Überzug führen. Branchenrichtlinien nennen als sichere Bereiche einen Siliziumgehalt unter 0,04 Prozent oder zwischen 0,15-0,22 Prozent, unter Vermeidung des Zwischenbereichs.
Die praktische Schlussfolgerung für den Besteller ist wichtig: Soll das Erzeugnis stückverzinkt werden und kommt es auf sein Aussehen an, muss die chemische Zusammensetzung des Stahls vor dem Werkstoffeinkauf abgestimmt werden und nicht erst vor dem Eintauchen in das Bad. Ein mattgrauer, dicker Überzug auf Stahl mit ungünstigem Siliziumgehalt ist kein Ausführungsmangel, sondern eine Folge des Werkstoffs.
Beschichten und Duplex-Systeme
Die Oberflächenvorbereitung vor dem Beschichten beschreibt ISO 8501-1, die Reinheitsgrade definiert: Sa 1 entfernt lose haftende Verunreinigungen, Sa 2 den größten Teil von Zunder und Rost, Sa 2,5 lässt nur leichte Verfärbungen in Form von Flecken oder Streifen zurück, und Sa 3 ergibt ein einheitliches metallisches Aussehen. Hand- und maschinelle Reinigung werden mit St 2 und St 3 bezeichnet.
Ein Duplex-System, also eine Beschichtung auf Zink, erfordert eine gesonderte Vorbereitung der verzinkten Oberfläche. Anerkannte Methoden sind eine Zinkphosphatlösung mit Zusatz von Kupfersalzen, Haftgrundierungen (Wash Primer) für bewitterte Überzüge, Sweepen (Sweep-Strahlen) bei einem Druck von höchstens etwa 2,7 bar sowie natürliche Bewitterung des Überzugs über mindestens sechs Monate mit anschließender mechanischer Reinigung. In allen Fällen muss die Oberfläche vorher von Öl, Fett und Schmutz gereinigt werden, und die Farbe muss für verzinkten Stahl bestimmt sein.
Reihenfolge der Arbeitsgänge
Aus allen genannten Zusammenhängen ergibt sich eine ordnende Regel: Die gesamte mechanische Bearbeitung und das Schweißen sollten vor dem Verzinken erfolgen.
Schneiden, Biegen, Bohren und Schweißen eines verzinkten Bauteils zerstört den Überzug genau dort, wo er am meisten gebraucht wird, an den Nähten und Kanten. Die Wiederherstellung mit Farbe ergibt einen schwächeren Schutz als ein metallurgischer Überzug. Eine zum Schluss ausgeführte Verzinkung erfasst die gesamte Oberfläche des fertigen Bauteils einschließlich Kanten, Bohrungen und Nähte.
Eine Ausnahme bilden Konstruktionen aus kontinuierlich beschichtetem Blech, bei denen der Überzug vor dem Umformen auf das Band aufgebracht wird. Dort ist die Reihenfolge per Definition umgekehrt, und der Schutz der Schnittkanten beruht auf der kathodischen Wirkung des Zinks, die vor allem bei dünnem Werkstoff wirksam ist.
Bei der Produktionsplanung empfiehlt es sich, diese Abfolge zusammen mit der Werkstoffauswahl festzulegen, da die Anforderungen der einzelnen Prozesse auf unterschiedliche Güten hinweisen können.
Verfügbare Stahlsorten, Überzugsarten sowie Formate von Coils, Spaltband und Tafeln zeigt das Stahlblech-Angebot von HEN-STOL, mit eigenen Seiten zu verzinktem Stahlblech, kaltgewalztem Stahlblech und warmgewalztem Stahlblech.
Erfahren Sie, wie wir helfen können
HEN-STOL hilft bei der Auswahl eines Werkstoffs, der die Anforderungen an Umformen, Schweißen und Korrosionsschutz gleichzeitig berücksichtigt. Senden Sie uns einfach die Spezifikation und eine Beschreibung des Prozesses, und wir prüfen die Verfügbarkeit und schlagen die günstigste Variante vor.
Häufig gestellte Fragen
Wie groß ist der minimale Biegeradius von Blech?
Er wird als Vielfaches der Werkstoffdicke angegeben und hängt von der Güte sowie von der Biegerichtung zur Walzrichtung ab. Für Bleche mit Zink-Magnesium-Überzug empfiehlt der Hersteller einen Radius von mindestens dem Zweifachen der Dicke. Angaben für eine bestimmte Güte enthält das Werkstoffdatenblatt.
Warum erscheinen Streifen auf einem Tiefziehteil?
Das sind Lüders-Bänder, eine Folge der Reckalterung. Kohlenstoff und Stickstoff wandern mit der Zeit zu den Versetzungen und blockieren sie, wodurch die obere Streckgrenze wiederhergestellt wird. Vorbeugend wirken Dressieren oder Streckrichten sowie die Verarbeitung des Werkstoffs innerhalb einer angemessenen Zeit nach der Lieferung.
Kann ein bereits verzinktes Bauteil geschweißt werden?
Technisch ja, der Überzug muss jedoch auf 25 bis 100 mm beiderseits der Naht entfernt und nach dem Schweißen mit einer zinkreichen Beschichtung wiederhergestellt werden. Der wiederhergestellte Schutz ist weniger beständig als ein metallurgischer Überzug, daher wird das Verzinken nach Abschluss der Schweißarbeiten bevorzugt.
Welche Zinkschichtdicke ist vorgeschrieben?
Nach EN ISO 1461 hängt sie von der Bauteildicke ab: Für Stahl über 6 mm beträgt die mittlere Schichtdicke mindestens 85 µm, für 3-6 mm 70 µm, für 1,5-3 mm 55 µm und unter 1,5 mm 45 µm.
Warum ist der Überzug nach dem Verzinken manchmal grau und matt?
Meist wegen des Siliziumgehalts des Stahls. Im Bereich der Reaktivitätsspitze wächst der Überzug übermäßig und verliert seinen Glanz. Das ist eine Folge der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs und kein Ausführungsmangel des Überzugs.
In welcher Reihenfolge sollen Bearbeitung und Verzinken erfolgen?
Zuerst Schneiden, Biegen, Bohren und Schweißen, zum Schluss Verzinken. Dies erfordert, dass Entlüftungs- und Ablauföffnungen in der Endgeometrie des Bauteils vorgesehen werden.
Quellen
- EN ISO 1461, Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken)
- EN 1011-2, Schweißen - Empfehlungen zum Schweißen metallischer Werkstoffe, Lichtbogenschweißen von ferritischen Stählen
- ISO 8501-1, Vorbereitung von Stahloberflächen vor dem Auftragen von Beschichtungsstoffen
- GalvInfo Center, GalvInfoNote 2.8.1, Strain Ageing in Galvanized Low Carbon Steel Sheet
- American Galvanizers Association, Silicon Content of Steel sowie Can You Weld Galvanized Steel
- Galvanizers Association, Richtlinien zu Entlüftungs- und Ablauföffnungen und zum Beschichten von verzinktem Stahl
- American Welding Society, Safety and Health Fact Sheet No. 25, Metal Fume Fever