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Werkstoffe

Höchstfeste Stähle für besondere Leichtbau-Anforderungen

08.05.2008 | Autor / Redakteur: Ulrich W. Schamari / Ulrike Gloger

Dr.-Ing. Hans-Joachim Wieland, Stahl-institut VDEh, zum verbesserten Umformverhalten bei neuen Stahlsorten: „Es lassen sich nicht nur einfache Biegeteile, sondern auch komplexe Tiefziehteile herstellen.“Bild: VDEh
Dr.-Ing. Hans-Joachim Wieland, Stahl-institut VDEh, zum verbesserten Umformverhalten bei neuen Stahlsorten: „Es lassen sich nicht nur einfache Biegeteile, sondern auch komplexe Tiefziehteile herstellen.“Bild: VDEh

Seit die CO2-Diskussion in Gang gekommen ist, spielt im Automobilbau der Wunsch nach Gewichtseinsparung und damit die Entscheidung für die Warmumformung eine große Rolle. Um eine Gewichtsreduzierung zu realisieren, kommen immer dünnere Bauteile aus hochfesten Stählen zum Einsatz.

Das zunehmende Interesse von Stahlherstellern, -verarbeitern und -anwendern an der Umformung des Werkstoffs Stahl ist für Dr.-Ing. Hans-Joachim Wieland vom Stahlinstitut VDEh keine Überraschung. „Die hochfesten Stahlsorten, wie zum Beispiel DP, TRIP und TWIP, erzielen eine Festigkeitssteigerung aufgrund der Umformung“, erläutert er.

Die Verfestigung während der Umformung gehe einher mit der Reduzierung der Bruchdehnung. Folglich könnten die hoch- und höherfesten Stähle zunächst nicht ohne weiteres die gleichen Umformgrade wie konventionelle Tiefziehstähle erreichen, doch sei das Umformverhalten bei neuen Stahlsorten verbessert worden.

„Somit lassen sich nicht nur einfache Biegeteile, sondern auch komplexe Tiefziehteile herstellen“, betont Stahlforscher Wieland. Damit sei das Leichtbaupotenzial von hoch- und höchstfesten Stählen enorm gestiegen.

Es könne die höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit dieser Stähle ausgenutzt werden, um dünnere Bauteile für energieoptimierte Karosseriestrukturen im Automobilbau herzustellen. Die Sicherheit der Fahrzeuginsassen werde durch eine hohe Energieaufnahme bei geringer Verformung realisiert.

Kritische Phänomene bei der Umformung der höchstfesten Stähle

Dass bei der Umformung hoch- und höherfester Stähle Probleme zu lösen sind, bestätigt Bernd Overmaat von Thyssen-Krupp Steel. „Veränderte Versagensgrenzen, geringeres Umformpotenzial, höhere Werkzeugbeanspruchung, mehr Verschleiß“, zählt er als kritische Phänomene auf.

Eine optimistische Position bezieht Michael Braun, Leiter Anwendungstechnik der Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF): „Es gibt grundsätzlich keine Probleme bei der Umformung hoch- und höherfester Stähle, wenn Lieferant und Verarbeiter bei der Qualifizierung von Anwendungen eng und partnerschaftlich kooperieren und die Grenzen des technisch Machbaren akzeptiert werden.“ Wie Braun beobachtet hat, arbeiten zur werkstoffgerechten Konstruktion bevorzugt beide Partner bereits in der frühen Phase der Bauteilentwicklung zusammen.

„Diesem Anspruch folgend hat SZMF in die neue 1000-t-Tryout-Presse investiert“, stellt er fest. Das sei geschehen, um zum einen praxisnah mit dem Kunden zu kooperieren und zum anderen für hoch- und höherfeste Stähle Kennwerte zur virtuellen Absicherung der Umformung bereitstellen zu können.

Prozessauswahl für Umformung höchstfester Stähle läuft pragmatisch ab

Entsprechend pragmatisch läuft bei den Automobilherstellern die Prozessauswahl für die Umformung der hochfesten Stahlsorten ab. Dazu Dr. Michael Rupp, Leiter Stahlqualität und technische Anwendung bei Adam Opel: „Sie wird beeinflusst durch die Teilegeometrie und das von der Produktentwicklung angestrebte Festigkeitsniveau. Wir versuchen dabei, schon in der Frühphase der Entwicklung Einfluss auf die Teilegeometrie zu nehmen, um die Herstellbarkeit in Verbindung mit einem geringen Materialverbrauch sicherzustellen. Das Thema Rückfederung ist hierbei immer ,Dreh- und Angelpunkt’. Ohne Umformsimulation wäre eine Prozessauslegung heute nicht mehr möglich.“

Jens Aspacher, Produktmanager Formhärten und hydraulische Pressen beim Anlagenbauer Schuler Weingarten, kann über eine interessante Entwicklung hinsichtlich der Prozessauswahl berichten: „Wir beobachten, dass der erste Ansatz häufig von einer Herstellung mit kaltumformbaren Stählen ausgeht, da der Anwender hofft, vorhandene Anlagen nutzen zu können.“ Die Firmen, die schon Erfahrungen mit Kaltumformung höchstfester Stähle sowie der Warmumformung haben, besitzen heute die ideale Basis, um gezielt die jeweiligen Verfahrensvorteile einzusetzen.

Gesenkbiegen bereitet beim Umformen höchstfester Stähle die geringsten Probleme

Beim Tiefziehen sind laut Thyssen-Krupp Steel die erforderlichen Kräfte mit zunehmenden Festigkeiten höher, aber das erreichbare Grenzziehverhältnis ist auch deutlich niedriger, was bedeutet, dass das Umformpotenzial mit der Festigkeit abnimmt. TKS-Experte Overmaat kommt daher zu dem Schluss: „Das Gesenkbiegen ist das unkritischste Umformverfahren, denn die Auswirkungen hochfester Güten sind hier gering.“ Natürlich nähmen auch hier die notwendigen Biegekräfte zu.

Der Salzgitteraner Anwendungstechniker Braun will auch den wirtschaftlichen Aspekt der Verfahrensauswahl berücksichtigt wissen: „Die Verfahrensauswahl ist bestimmt durch das Lastenheft für das jeweilige Bauteil – unter Berücksichtigung der jeweiligen Herstellroute und kapazitätsbezogener Möglichkeiten – für eine abgesicherte Fertigung zu wettbewerbsfähigen Kosten.“ Dies könne oft auch durch die Stückzahl geprägt sein.

Fortschritt beim Bearbeiten hoch- und höherfester Stähle

Dr. Holger Heyn, Leiter des Fachbereichs Technologieentwicklung bei Volkswagen, lobt den Fortschritt bei hoch- und höherfesten Stählen: „Durch vielfältige Arbeiten in Forschung, Entwicklung und Produktion ist man heute in der Lage, sowohl die Umformtechnik als auch die Weiterverarbeitung, und hierbei insbesondere auch die Fügetechnik, zu beherrschen.“

Vermehrt fragen Firmen – sowohl Automobilhersteller als auch große Zulieferer – neue Warmformanlagen nach, wie Jens Aspacher von Schuler Weingarten berichten kann. Auch die Anzahl der in neuen Automodellen verbauten Formhärteteile steige ständig. Nicht zuletzt deshalb kommt er zu dem Schluss, dass die Warmumformung mit Sicherheit immer mehr auf dem Vormarsch ist. Inzwischen liefen weltweit schon mehr als 80 Anlagen oder seien im Aufbau.

Zustimmung erfährt er von Manfred Beck, Vertriebsleiter beim Warmumform-Spezialisten Braun Cartec GmbH im saarländischen Schwalbach: „Eine entscheidende Rolle spielt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, bei dem man durch eine ständig verbesserte Werkzeugtechnik zum Beispiel Arbeitsgänge einsparen und Taktzeiten reduzieren kann.“

Bauteilfestigkeit dank höchstfester Stähle und Warmumformung unübertroffen

Für die Warmumformung spricht, dass die Bauteilfestigkeit derzeit unübertroffen und die Maßhaltigkeit gut ist – man also nur mit sehr geringer Rückfederung rechnen muss. Stahlexperte Wieland zieht den Vergleich zum Kaltumformverfahren: „Mit den neuen FeMn-Legierungen ist es ebenfalls möglich, Bauteile ähnlicher Festigkeit herzustellen. Allerdings ist dies mit enormen Werkzeugbelastungen und extremer Neigung zur Rückfederung verbunden.“

Bernd Overmaat von ThyssenKrupp Steel hält die Festigkeit durch Warmumformung für unübertroffen: „Hier werden spezielle Stahlgüten eingesetzt – Warmumformstähle, mit Mangan und Bor legiert –, die durch den Warmumformprozess eine Festigkeit von etwa 1500 MPa erreichen.“ Das sei deutlich mehr, als die derzeit eingesetzten Stähle mit höchsten Festigkeiten für die konventionelle Kaltumformung bieten.

Der Wunsch nach maßhaltigen Bauteilen höchster Festigkeit lässt sich mit der Verbreitung des Leichtbaugedankens erklären. Dessen Anforderungen haben also die Warmumformung bei hoch- und höherfesten Stählen notwendig gemacht.

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