Beim Hochgeschwindigkeits-Kaltstauchen und Kaltmassivumformen führt die falsche Stahlsorte nicht nur zu einem schwachen Verbindungselement — sie lässt Schraubenköpfe bereits beim ersten Schlag reißen, zerstört Hartmetall-Matrizen vorzeitig oder führt bei der anschließenden Wärmebehandlung zu Verzug außerhalb der Toleranz. Dennoch spezifizieren viele Einkäufer Walzdraht oder kaltgezogene Stäbe allein nach der Zielzugfestigkeit, ohne Kaltverfestigungsrate, Weichglüh- bzw. GKZ-Glühanforderungen oder Bor-Härtbarkeit zu berücksichtigen.
Ob Sie Radschrauben für die Automobilindustrie, Zylinderschrauben mit Innensechskant, Ankerbolzen oder kaltfließgepresste Bolzen fertigen: Die Wahl zwischen kohlenstoffarmen Kaltstauchstählen (CHQ), unlegierten Vergütungsstählen, legierten Stählen und Borstählen entscheidet über Werkzeugstandzeit und Bauteilkosten.
Bei Steelmet Industries liefern wir kaltgezogene Präzisions-Blankstahlstäbe, Walzdraht und auf kugelige Karbide geglühte (GKZ) Stäbe für Kaltumformung und Verbindungselemente. Nachfolgend finden Sie einen praxisnahen metallurgischen Vergleich zur optimalen Werkstoffauswahl.
Warum Kaltstauchen eine spezialisierte Stahlmetallurgie erfordert
Im Gegensatz zum Gesenkschmieden verformt das Kaltstauchen den Stahl bei Raumtemperatur unter extremen Druck- und Schubspannungen — oft mit Querschnittsabnahmen von 50 % bis 75 % auf Mehrstufen-Kaltformpressen. Um dies ohne Scherrisse zu überstehen, benötigt der Stahl:
- Niedriges Streckgrenzenverhältnis & niedriger Verfestigungsexponent (n-Wert): Minimiert die Umformkraft und hält die Matrizen-Innendrücke in sicheren Grenzen.
- Aluminiumberuhigtes Feinkorngefüge: Verhindert Reckalterung und gewährleistet gleichmäßigen Werkstofffluss in angestauchten Köpfen und fließgepressten Schäften.
- Kontrolle von Oberflächenrissen & Randentkohlung: Schon ein 0,05 mm tiefer Walzfehler im Walzdraht öffnet sich beim Anstauchen des Kopfes zu einem sichtbaren Riss.
- Gefüge mit kugeligen Karbiden / GKZ-Glühung (bei Vergütungs- und legierten Stählen): Wandelt harten lamellaren Perlit vor dem Kaltstauchen in weiche kugelige Zementit-Karbide um.
Die 4 Stahlfamilien für Kaltstauchen & Kaltmassivumformung
1. Kohlenstoffarme Stähle (SAE 1006, SAE 1008, SAE 1010, SAE 1018)
Kohlenstoffarme Kaltstauchstähle (0,06 % bis 0,20 % C) sind die Basiswahl für Niete, Maschinenschrauben, Blechschrauben und Schrauben der ISO-Festigkeitsklassen 4.6, 4.8 und 5.8. Da Ferrit das Gefüge dominiert, lassen sie sich im gezogenen oder normalgeglühten Zustand problemlos ohne GKZ-Glühen kaltstauchen.
- Stärken: Geringste Umformkraft, längste Stempel- und Matrizenstandzeit, ausgezeichnete Kaltfließpressbarkeit und einfache Schweißeignung.
- Grenzen: Nicht durch Vergüten durchhärtbar. Für verschleißfeste Bolzen oder selbstfurchende Schrauben müssen die Teile nach dem Umformen einsatzgehärtet oder carbonitriert werden.
2. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (SAE 1035, SAE 1038, SAE 1045 / EN8 / C45)
Unlegierte Vergütungsstähle (0,32 % bis 0,50 % C) sind die klassischen Werkstoffe für hochfeste Schrauben der ISO-Festigkeitsklasse 8.8 und SAE Grade 5, Stehbolzen und Fahrwerksbefestigungen.
- Stärken: Erreichen 800 bis 1000 MPa Zugfestigkeit nach Öl- oder Polymerabschreckung und Anlassen bei zuverlässiger Dauerfestigkeit.
- Herausforderungen & Grenzen: Im walzharten Zustand verursachen harte Perlitkolonien hohe Stauchkräfte und raschen Matrizenverschleiß. Komplexe Kopfformen (Flanschschrauben, Innensechskant) erfordern ein aufwendiges GKZ-Glühen (Weichglühen auf kugelige Karbide) vor dem Kaltziehen sowie höhere Austenitisierungstemperaturen und schärferes Abschrecken mit erhöhtem Verzugsrisiko.
3. Borstähle (SAE 10B21, SAE 15B25, 19MnB4, 20MnB4, 27MnB4)
Borstähle haben die moderne Fertigung von Automobil-Verbindungselementen revolutioniert. Durch Zugabe von nur 0,0005 % bis 0,003 % (5 bis 30 ppm) löslichem Bor — geschützt durch Titan — zu einer kohlenstoffarmen Mangan-Basis (0,18 % bis 0,28 % C) wird die Einhärtbarkeit eines 0,40-%-C-Stahls erreicht, während die weiche Kaltumformbarkeit eines kohlenstoffarmen Stahls erhalten bleibt.
- Stärken: Umformung mit 15 % bis 25 % geringerer Stauchkraft als SAE 1035/1038, macht das GKZ-Glühen vor dem Kaltstauchen oft überflüssig, reduziert Härterisse und liefert gleichmäßige Kernhärte für Schrauben der ISO-Klassen 8.8 und 10.9.
- Herausforderungen & Grenzen: Erfordert strenge Stahlwerksführung (Titan oder Aluminium müssen freien Stickstoff abbinden, da Bor sonst inaktives Bornitrid bildet). Zudem anfällig für Anlassversprödung beim Anlassen zwischen 250 °C und 400 °C.
4. Legierte Stähle (SAE 4135, SAE 4140 / EN19, SAE 8620, 34CrMo4, 42CrMo4)
Chrom-Molybdän- und Nickel-Chrom-Molybdän-Stähle sind unverzichtbar für sicherheitskritische Verbindungselemente — ISO-Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9, ASTM A193 B7-Stiftschrauben, Pleuelschrauben und große Abmessungen über M20, bei denen Borstähle keine ausreichende Durchhärtung erreichen.
- Stärken: Tiefe Einhärtbarkeit auch bei großen Querschnitten, hohe Beständigkeit gegen wasserstoffinduzierten Sprödbruch (entscheidend für Klasse 12.9) und hohe Warmfestigkeit.
- Herausforderungen & Grenzen: Höchste Werkstoffkosten und höchste Fließspannung. Erfordert praktisch immer vollständiges GKZ-Glühen vor dem Kaltstauchen sowie Schutzgasatmosphäre bei der Wärmebehandlung gegen Randentkohlung.
Direktvergleich für Kaltstauchen & Verbindungselemente
| Merkmal | Kohlenstoffarme Stähle (SAE 1010 / 1018) | Borstähle (10B21 / 20MnB4) | Vergütungsstähle (SAE 1035 / EN8) | Legierte Stähle (4135 / 4140 / EN19) |
|---|---|---|---|---|
| Nominaler C-Gehalt % | 0,08 % – 0,20 % | 0,18 % – 0,28 % | 0,32 % – 0,45 % | 0,33 % – 0,44 % |
| Kaltumformbarkeit / Anstauchen | Ausgezeichnet (Bis zu 75 % Querschnittsabnahme) | Sehr gut (60 % – 70 % Abnahme) | Mäßig (Glühen für komplexe Köpfe nötig) | Befriedigend bis mäßig (GKZ-Glühen Pflicht) |
| Matrizenverschleiß & Stauchkraft | Am geringsten | Gering bis mäßig | Mäßig bis hoch | Am höchsten |
| GKZ-Glühen vor Kaltstauchen | Nicht erforderlich | Oft nicht erforderlich (Einfache/mittlere Köpfe) | Erforderlich für komplexe Köpfe | Zwingend erforderlich |
| Ziel-Festigkeitsklasse | ISO 4.6, 4.8, 5.8 (oder einsatzgehärtet) | ISO 8.8, 10.9 (Bis ca. M20) | ISO 8.8, SAE Grade 5 | ISO 10.9, 12.9, ASTM A193 B7 (>M20) |
| Verzugs- & Härterissrisiko | Entfällt (Nicht durchvergütet) | Gering (Kohlenstoffarmer Martensit) | Mäßig bis hoch (Wasser-/Polymerabschreckung) | Gering bis mäßig (Ölabschreckung) |
Typische Probleme in der Kaltstauchfertigung & Abhilfemaßnahmen
1. Scherrisse unter 45° an Schraubenköpfen
Ursache: Überschreiten des maximalen Umformgrades in einem Schlag oder Einsatz ungeglühter Vergütungs-/Legierungsstäbe, deren lamellarer Perlit engen Matrizenradien nicht folgen kann.
Lösung: Umstieg von hartgezogenem SAE 1038 auf GKZ-geglühtes Vormaterial oder Wechsel auf eine Borgüte wie 10B21 / 20MnB4 zur Senkung der Fließspannung.
2. Längsrisse entlang des Schaftes
Ursache: Walzüberlappungen, Oberflächenrisse oder nichtmetallische Einschlüsse in handelsüblichem Walzdraht.
Lösung: Zertifizierte Kaltstauchgüte (CHQ) oder geschälte Blankstahlstäbe mit Wirbelstrom- oder Ultraschall-Oberflächenprüfung vorschreiben.
3. Weicher Kern nach dem Vergüten großer Schraubendurchmesser
Ursache: Einsatz von Borstahl (z. B. 10B21) bei Durchmessern über 20–24 mm. Bor steigert zwar die Randeinhärtbarkeit, erreicht aber nicht die tiefe Durchhärtung von Chrom und Molybdän.
Lösung: Wechsel auf SAE 4135 oder 4140 (EN19) für größere Durchmesser und schwere Konstruktionsschrauben.
4. Ausbrüche an Gewindewalzbacken
Ursache: Übermäßige Kaltverfestigung nach dem Kopfanstauchen oder entkohlte bzw. ungleichmäßige Oberflächenhärte kaltgezogener Stäbe.
Lösung: Den abschließenden Kalibrierzug nach dem Glühen (typischerweise 5 % bis 12 % Querschnittsabnahme) genau steuern, um gleichmäßige Oberflächenhärte und enge ISO-Toleranzen h9/h10 sicherzustellen.
So wählen Sie die richtige Stahlsorte für Ihr Bauteil
- Kohlenstoffarme Stähle wählen (SAE 1008 / 1010 / 1018): Für Niete, Bolzen, niedrigfeste Schrauben (Klasse 4.8/5.8) und einsatzgehärtete Bohrschrauben, bei denen maximale Werkzeugstandzeit oberste Priorität hat.
- Borstahl wählen (10B21 / 15B25 / 20MnB4): Für Großserien-Automobilschrauben der Klassen 8.8 und 10.9 (bis M20), bei denen der Wegfall des GKZ-Glühens und geringerer Matrizenverschleiß die Stückkosten senken.
- Vergütungsstahl wählen (SAE 1035 / EN8 / C45): Wenn Kundenzeichnungen Borzusätze ausdrücklich untersagen (üblich in bestimmten Öl-&-Gas-, Bahn- oder Schweißbolzen-Spezifikationen) oder wenn Induktionshärten gefordert ist.
- Legierten Stahl wählen (4135 / 4140 / EN19): Für Schrauben der Klasse 12.9, große Durchmesser (>M20), Hochtemperatur-Stiftschrauben und sicherheitskritische Antriebsstrang-Verschraubungen.
Erfahren Sie auf unserer Seite Anwendungsbereiche, wie unsere Präzisionsstäbe die Verbindungselemente- und Automobilindustrie unterstützen, oder nutzen Sie unsere Stahlsorten-Vergleichstabelle.
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Steelmet Industries liefert geprüfte kaltgezogene Blankstahlstäbe, geglühte Stäbe und warmgewalzte Rundstäbe in kohlenstoffarmen, mittelkohlenstoffhaltigen, legierten und Bor-Stahlgüten — jeweils mit vollständigen chemischen und mechanischen Werkszeugnissen gemäß unserer Qualitätspolitik.
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