Zusammenfassung

Die boronstahl-Heißumformverfahren (auch als Presshärtung bekannt) ist ein thermisches Umformverfahren, das niedriglegierten Boronstahl – typischerweise 22MnB5 – von einer ferritisch-perlitischen Mikrostruktur (~600 MPa) in einen vollständig martensitischen Zustand (~1500 MPa) umwandelt. Diese Umwandlung erfolgt durch Erhitzen des Zuschnitts auf Austenitisierungstemperaturen ( 900–950°C ) und anschließendes Umformen und Abschrecken innerhalb einer wassergekühlten Form mit Abkühlraten über 27°C/s . Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer, leichter Automobilbauteile mit ultrahohen Festigkeiten und ohne Rückfederung, wie beispielsweise B-Säulen und Dachschienen.

Die Physik der Heißumformung: Direkte vs. indirekte Verfahren

Die Heißumformung ist kein einheitlicher Prozess; sie wird in zwei unterschiedliche Methoden unterteilt – Direkt und Indirekte —definiert durch den Zeitpunkt, zu dem die Umformung im Verhältnis zum thermischen Zyklus erfolgt. Das Verständnis dieses Unterschieds ist entscheidend für Verfahrensingenieure bei der Auswahl von Ausrüstung für spezifische Bauteilgeometrien.

Direktes Heißumformen

Das direkte Verfahren ist aufgrund seiner Effizienz der Industriestandard für die Mehrheit der strukturellen Bauteile. Bei dieser Abfolge wird ein flaches Blech zunächst in einem Ofen auf etwa 900–950°C erhitzt, um eine homogene austenitische Struktur zu erreichen. Das heiße Blech wird dann schnell (typischerweise in unter 3 Sekunden) in die Presse überführt, wo es gleichzeitig umgeformt und in einem gekühlten Werkzeug abgeschreckt wird. Dieses Verfahren ist kostengünstig, jedoch durch die Umformbarkeit des Materials bei hohen Temperaturen begrenzt; extreme Ziehtiefen können zu Dickenabnahme oder Rissbildung führen.

Indirektes Heißumformen

Für Bauteile mit äußerst komplexen Geometrien, die die Grenzen der Heißumformbarkeit des Stahls überschreiten, wird das indirekte Verfahren angewendet. Hierbei wird das Blech kaltumgeformt zu einer nahezu fertigen Form (90–95 % fertig) vor dem Erhitzen. Das vorgeformte Teil wird anschließend in einem Spezialofen austenitisiert und danach zur endgültigen Kalibrierung und Abschreckung in die Presse überführt. Dadurch werden komplexere Formen ermöglicht, allerdings steigt die Taktzeit sowie der Kapitalaufwand aufgrund des zusätzlichen Kaltumformungsschritts und der Notwendigkeit von 3D-förmigen Ofenhandhabungssystemen deutlich.

Metallurgische Umwandlung: Umwandlung von 22MnB5 in Martensit

Der Kernvorteil des Warmumformens liegt in der mikrostrukturellen Phasenumwandlung des 22MnB5 stahls. Im Auslieferungszustand weist dieser borlegierte Stahl eine ferritisch-perlitische Mikrostruktur mit einer Streckgrenze von etwa 350–550 MPa und einer Zugfestigkeit von rund 600 MPa auf. Die verfahrenstechnische Gestaltung konzentriert sich darauf, drei entscheidende Variablen zu beeinflussen, um diese Struktur zu verändern.

1. Austenitisierung

Der Stahl muss über seine obere kritische Temperatur (Ac3) erhitzt werden, typischerweise bei etwa 850°C , wobei die eingestellten Prozesswerte oft zwischen 900 °C bis 950 °C um eine vollständige Umwandlung sicherzustellen. Während der Haltezeit (normalerweise 4–10 Minuten, abhängig von Dicke und Ofentyp) geht Kohlenstoff in feste Lösung ein und bildet Austenit. Diese flächenzentrierte kubische (FCC-)Struktur ist duktil und ermöglicht komplexe Umformungen mit geringerer Presskraft im Vergleich zum Kaltstanzen.

2. Die Rolle von Bor und Abkühlgeschwindigkeiten

Bor wird der Legierung (0,002–0,005 %) speziell zugesetzt, um die Bildung von Ferrit und Perlit während des Abkühlens zu verzögern. Dieses Härtevermögen erlaubt es dem Stahl, mit einer handhabbaren Rate – typischerweise >27 °C/s (kritische Abkühlgeschwindigkeit) – abgeschreckt zu werden, wodurch die Bainit-Kurve übersprungen und direkt in martensit . Wenn die Abkühlgeschwindigkeit unter diesen Schwellenwert sinkt, bilden sich weichere Phasen wie Bainit, was die endgültige Festigkeit beeinträchtigt.

3. Die Al-Si-Beschichtungslösung

Bei Temperaturen über 700 °C oxidiert blanker Stahl schnell und bildet eine harte Zunderschicht, die die Werkzeuge beschädigt und nachträgliches Sandstrahlen erforderlich macht. Um dies zu vermeiden, verwenden branchenübliche Werkstoffe wie Usibor 1500P eine vorab aufgebrachte Aluminium-Silizium-(Al-Si-)Beschichtung. Während des Aufheizens legiert sich diese Beschichtung mit dem Grundwerkstoff und bildet eine Fe-Al-Si-Diffusionsschicht, die Zunderbildung und Entkohlung verhindert. Diese Innovation macht schützende Ofenatmosphären und nachfolgende Reinigungsschritte überflüssig und vereinfacht die Fertigungslinie.

Die Produktionslinie: Kritische Anlagen und Parameter

Die Einrichtung einer Warmumformlinie erfordert spezialisierte Maschinen, die extreme thermische Gradienten und hohe Presskräfte bewältigen können. Die Kapitalinvestition ist beträchtlich und erfordert oft strategische Partnerschaften für Prototypenfertigung und Überkapazitätsproduktion.

• Ofentechnologie: Rollenherdöfen sind der Standard für hochvolumige direkte Warmumformung. Sie müssen eine Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb von ±5 °C aufrechterhalten, um konsistente mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Für indirekte Verfahren oder geringere Stückzahlen können Kammeröfen verwendet werden. Die gesamte Durchhaltezeit ist abhängig von der Blechdicke und wird typischerweise berechnet als t = (Dicke × Konstante) + Grundzeit , was oft zu 4–6 Minuten bei üblichen Blechdicken führt.
• Hydraulische und Servopressen: Im Gegensatz zur Kaltumformung muss die Presse in der unteren Totlage verweilen, um das Bauteil gegen die gekühlten Werkzeugflächen zu pressen. Hydraulik oder servohydraulische pressen sind aufgrund ihrer Fähigkeit bevorzugt, die maximale Presskraft (häufig 800–1200 Tonnen) während der erforderlichen Abschreckzeit (5–10 Sekunden) aufrechtzuerhalten. Die gesamte Taktzeit liegt typischerweise zwischen 10 und 30 Sekunden.
• Werkzeuge und Kühlkanäle: Die Form ist ein Wärmetauscher. Sie muss aufwändige innere Kühlkanäle (häufig gebohrt oder 3D-gedruckt) enthalten, um Wasser mit hohen Durchflussraten zirkulieren zu lassen. Ziel ist es, Wärme schnell abzuleiten und die Werkzeugoberflächentemperatur unter 200 °C zu halten, um eine effiziente Härterung sicherzustellen.
• Laserschneiden: Da das fertige Bauteil eine Zugfestigkeit von etwa 1500 MPa aufweist, verschleißen herkömmliche mechanische Schneidformen nahezu augenblicklich. Daher laserabgleich (typischerweise 5-Achs-Fasermaser) ist die Standardmethode zum Schneiden von Löchern und der endgültigen Konturen nach dem Umformen.

Für Hersteller, die den Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion meistern müssen, kann die Komplexität dieser Ausrüstungskette eine Hürde darstellen. Die Nutzung von Die umfassenden Stanzlösungen von Shaoyi Metal Technology kann diese Lücke schließen. Ihre Fähigkeiten, die präzise Pressbearbeitung bis zu 600 Tonnen und die Einhaltung der IATF-16949-Standards umfassen, stellen die notwendige technische Infrastruktur bereit, um Prozessparameter zu validieren und die Produktion hochzufahren, ohne dass sofort hohe Investitionskosten anfallen.

Fortgeschrittene Anwendungen: Maßgeschneiderte Eigenschaften und Weiche Zonen

Das moderne Fahrzeugsicherheitsdesign erfordert oft, dass eine einzelne Komponente zwei unterschiedliche Eigenschaften aufweist: hohe Eindringwiderstandsfähigkeit (hart) und hohe Energiedissipation (weich). Das Warmumformen ermöglicht dies durch Maßgeschneiderte Eigenschaften .

Weiche-Zonen-Technologie

Durch die gezielte Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit in bestimmten Bereichen des Werkzeugs können Ingenieure die martensitische Umwandlung in lokal begrenzten Zonen verhindern. Beispielsweise benötigt ein B-Säule möglicherweise einen vollständig martensitischen oberen Bereich (1500 MPa), um den Kopf der Insassen zu schützen, während der untere Bereich weicher und duktil sein sollte (500–700 MPa), um bei einem Seitenaufprall Energie absorbieren zu können. Dies wird erreicht, indem bestimmte Bereiche des Werkzeugs isoliert werden oder Heizelemente eingesetzt werden, um die Werkzeugtemperatur über der Martensitstarttemperatur (Ms) zu halten, sodass Bainit oder Ferrit statt Martensit gebildet werden.

Maßgeschneiderte geschweißte Rohlinge (TWBs)

Ein anderer Ansatz beinhaltet das Laserschweißen zweier verschiedener Stahlqualitäten oder Dicken vor dem Warmumformprozess. Ein Zuschnitt könnte ein Borstahlblech mit einem duktilen HSLA-Stahlblech kombinieren. Beim Warmumformen härtet die Borseite aus, während die HSLA-Seite ihre Duktilität behält, wodurch ein Bauteil mit unterschiedlichen Leistungsabschnitten entsteht, ohne komplexe Werkzeugheizsysteme zu benötigen.

Strategische Analyse: Vorteile, Nachteile und Kosten

Die Entscheidung für den Einsatz von Warmumformen erfordert eine komplexe Abwägung zwischen Leistung und Kosten. Die folgende Analyse verdeutlicht die wichtigsten Entscheidungsfaktoren für Automobilingenieure.