Werkstoffe und Halbzeuge

Warmumformung

Warmumformung und neue Stahl-Werkstoffe machen Fahrzeugkarosserien leichter

Stahl ist nach wie vor der Werkstoff der ersten Wahl, wenn es um moderne und kostengünstige Fahrzeugkarosserien geht. Die werkstoffseitige Antwort der Stahlhersteller auf die Forderungen der Automobilindustrie nach Leichtbauwerkstoffen zeigt sich in der Entwicklung neuer Stähle, die hohe Festigkeiten mit guter Umformbarkeit kombinieren.

Laserschweißanlage in einem Fügebetrieb der Thyssenkrupp Tailored Blanks GmbH. Bild: TKS

Unter Warmumformung versteht man eine Erwärmung der Platine in den Bereich vollständiger Austenitisierung (typischerweise 920 °C). Die Platine wird heiß in das Werkzeug eingelegt und beim Verpressen ausreichend schnell abgekühlt.

Aus einem relativ weichen, ferritisch-perlitischen Ausgangsgefüge entsteht harter Martensit mit Festigkeiten im Bereich von 1500 MPa. Eingesetzt wird typischerweise ein borlegierter Stahl mit 0,24% Kohlenstoff. Das Umwandlungsverhalten wird über Bor und die Festigkeit über den Kohlenstoffgehalt gesteuert.

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Vorteile des Verfahrens sind der niedrige Umformwiderstand und die bessere Umformfähigkeit von Stahl bei dieser Temperatur, die hohen Bauteilfestigkeiten sowie die gute Maßhaltigkeit.

Erste warmumgeformte Tailored Blanks vorgestellt

Nun hat Thyssenkrupp-Steel zusammen mit der Tochter Thyssenkrupp Tailored Blanks vor wenigen Monaten die ersten warmumgeformten Tailored Blanks in einer Serienanwendung präsentiert.

Die lasergeschweißten Platinen setzt beispielsweise der Automobil-Premiumhersteller Audi AG in der Plattform des im Frühjahr 2007 bereits vorgestellten A5 Coupé und des neuen A4 ein. Die Tailored Blanks werden dabei zu B-Säulen, hinteren Längsträgern und Tunnelverstärkungen verarbeitet.

Warmumformung bietet höhere Festigkeit

Immer häufiger setzen Automobilhersteller die Warmumformung ein, wenn hohe Anforderungen an Crashsicherheit und Leichtbau miteinander in Einklang gebracht werden müssen. Für das Verfahren gibt es spezielle, mit Mangan und Bor legierte Stähle, die durch Warmumformung eine Festigkeit von etwa 1500 MPa erhalten.

Das ist deutlich mehr als die derzeit eingesetzten Stähle mit höchsten Festigkeiten für die konventionelle Kaltumformung bieten. Warmumgeformte Bauteile lassen sich entsprechend dünnwandiger dimensionieren, was das Gewicht der Karosserie verringert, ohne der Sicherheit der Fahrzeuginsassen abträglich zu sein.

Hohe Temperatur sorgt für gutes Umformverhalten des Stahls

Beim Warmumformen werden Bleche aus Mangan-Bor-Stahl zunächst in einem Ofen auf Temperaturen von 880 bis 950 °C erhitzt, dann in einer speziellen Umformpresse zu Bauteilen geformt und zugleich sehr schnell mit einer Abkühlrate von mehr als 30 K pro Sekunde abgekühlt.

Die hohe Platinentemperatur bei der Umformung gewährleistet ein exzellentes Umformverhalten und die anschließende schnelle Abkühlung sorgt gemeinsam mit den Legierungselementen Mangan und Bor dafür, dass im Werkstoff eine extrem harte Gefügestruktur entsteht. Darüber hinaus sind die warmumgeformten Teile nahezu frei von Eigenspannungen und dadurch extrem maßhaltig.

Gegen die Verzunderung beim Ofendurchlauf sind Warmumformstähle je nach Verfahrensvariante durch eine Aluminium-Silizium-Oberfläche oder andere Beschichtungssysteme wie beispielsweise X-Tec geschützt. Audi verwendet für den A4 und den A5 Stahl mit Aluminium-Silizium-Beschichtung.

Warmumformung produziert Teile mit ausreichend Restbruchdehnung

Bei allen Vorteilen stieß dieses Verfahren bisher immer dann an Grenzen, wenn es darum ging, die bei einem Crash entstehende Aufprallenergie nicht nur abzuhalten, sondern auch teilweise abzubauen. Bauteile mit einem solchen Anforderungsprofil benötigen eine genau definierte Restbruchdehnung für die Energieaufnahme.

Mit etwa 5% ist die Restbruchdehnung bei warmumgeformten Teilen aus Mangan-Bor-Stahl in manchen Fällen zu gering. Dieses Problem hat Audi mit Tailored Blanks gelöst, die sowohl aus Mangan-Bor-Stahl als auch aus einem konventionellen, mikrolegierten Tiefziehstahl bestehen.

Versuchsfeld für die Warmumformung aufgebaut

Als Beispiel dient eine B-Säule. Die Komponente, eine senkrechte Strebe, die in der Mitte des Fahrzeugs vom Boden zum Dach führt, muss im unteren Drittel nachgiebig sein, weil hier Crashenergie teilweise abgebaut werden kann, ohne die Insassen zu gefährden.

Die oberen zwei Drittel müssen hart sein, um Oberkörper und Kopf von Fahrer oder Beifahrer beim Seitenaufprall zu schützen. Um diese Anforderungen optimal zu erfüllen, hat Thyssenkrupp Steel eigens ein Versuchsfeld für die Warmumformung aufgebaut.

Einer der Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit war es, einen konventionellen Tiefziehstahl zu ermitteln, der als Teil eines Tailored Blanks der Warmumformung nicht nur standhält, sondern dabei auch die gewünschten Festigkeits- und Restbruchdehnungseigenschaften entwickelt. Außerdem hat man die Parameter für den späteren Serienprozess ermittelt.

Warmumformung ermöglicht niedriges Bauteilgewicht

Das für die B-Säule verwendete Tailored Blank wurde auf der Grundlage dieser Untersuchungen ausgelegt. Die Festigkeit nach der Warmumformung beträgt im unteren Drittel aus mikrolegiertem Tiefziehstahl zirka 500 MPa und der Wert für die Restbruchdehnung beträgt rund 15%. Das Blech ist überall 1,55 mm dick.

Würde man die B-Säule durchgehend aus einem höherfesten Mehrphasenstahl durch Kaltumformung herstellen, wäre die Blechdicke und somit das Bauteilgewicht deutlich höher.

Bei den hinteren Längsträgern setzt Audi ebenfalls auf die Kombination Mangan-Bor und mikrolegiert, die Tailored Blanks der Tunnelverstärkung bestehen aus Einzelplatinen unterschiedlicher Dicke aus Mangan-Bor-Stahl.

Erst jetzt Tailored Blanks für die Warmumformung erhältlich

Tailored Blanks sind aus Einzelblechen verschiedener Stahlsorten, Stärken oder Oberflächenbeschichtungen zusammengesetzt und per Laser verschweißt. Die maßgeschneiderten Platinen wurden in den 80er Jahren von der damaligen Thyssen Stahl AG entwickelt.

Dass es erst jetzt Tailored Blanks für die Warmformung gibt, hängt auch mit der Schutzschicht aus Aluminium und Silizium an der Oberfläche der Warmumformstähle zusammen. Die beiden chemischen Elemente verdampfen beim Schweißen der Einzelplatinen nicht, sondern erstarren in der Schweißnaht und sorgen dort für Schwachstellen.

Zusammenarbeit mit Rofin-Sinar beschert neue Möglichkeiten

Die Thyssenkrupp Tailored Blanks GmbH hat deshalb mit der Rofin-Sinar Laser GmbH eine Anlage entwickelt, bei der ein pulsierender Festkörperlaser einen jeweils 1,5 mm breiten Streifen der Beschichtung auf beiden Seiten des Fügespaltes für die Schweißnaht der Tailored Blanks abträgt.

Etwa ein Jahr hat die gemeinsame Entwicklungsarbeit mit einem der weltweit führenden Lasertechnologie-Anbieter gedauert. Das Ergebnis ist eine technisch führende Position der Thyssenkrupp Tailored Blanks GmbH in einem neuen Marktsegment.