Zusammenfassung

Die Auswahl der richtigen Werkzeugwerkstoffe für das AHSS-Stanzen erfordert eine grundlegende Abkehr von herkömmlichen Werkzeugstrategien. Bei hochfesten Stählen (AHSS) mit mehr als 590 MPa versagen Standard-Werkzeugstähle wie D2 häufig aufgrund unzureichender Zähigkeit und mikrostruktureller Unregelmäßigkeiten wie Karbidausrichtungen. Der Branchenkonsens lautet, auf Pulvermetallurgische (PM) Werkzeugstähle (wie Vanadis 4E oder CPM 3V) umzusteigen, die eine gleichmäßige Kornstruktur aufweisen und hohen Schlagbelastungen standhalten können, ohne auszubrechen.

Der Grundwerkstoff ist jedoch nur die halbe Miete. Um den extremen abrasiven Verschleiß und das Kavitationsversagen, die typisch für AHSS sind, entgegenzuwirken, muss der geeignete PM-Grundwerkstoff mit einer fortschrittlichen Oberflächenbeschichtung kombiniert werden – in der Regel PVD (physikalische Dampfdeposition) für präzise Wartung oder TD (Thermische Diffusion) für maximale Oberflätenhärte. Eine erfolgreiche Auswahlstrategie korreliert die Zugfestigkeit des Blechmaterials direkt mit der Zähigkeit des Werkzeugwerkstoffs und der Verschleißfestigkeit der Beschichtung.

Die AHSS-Herausforderung: Warum herkömmliche Werkzeugstähle versagen

Das Stanzen von hochfesten Stählen (AHSS) erzeugt Kräfte, die exponentiell höher sind als bei der Umformung von Weißstahl. Während Weißstahl relativ niedrigen KontaktDruck erfordern mag, wirken AHSS-Werkstoffe – insbesondere Dualphasen- (DP) und Martensitstähle (MS) – enorme Druckspannungen auf die Werkzeugoberfläche aus. Dies führt während der Umformung zu einer schnellen Kaltverfestigung des Blechmaterials und schafft eine Situation, in der das gestanzte Teil nahezu so hart wird wie das Werkzeug selbst.

Der primäre Schwachpunkt herkömmlicher Kaltarbeitstähle wie AISI D2 ist ihre Mikrostruktur. Bei traditionell ingotgegossenen Stählen bilden Karbide große, unregelmäßige Netze, sogenannte „Stringer“. Bei hohen Schlagbelastungen beim Durchschneiden von 980 MPa oder 1180 MPa Stahl wirken diese Stringer als Spannungsüberhöhungen, was zu katastrophalen absplitterungen oder Risse . Im Gegensatz zum Stanzprozess von Weichstahl, bei dem der Verschleiß schleichend ist, erfolgt der Ausfall bei AHSS oft plötzlich und strukturell.

Darüber hinaus erzeugt der hohe Kontakt Druck erhebliche Wärme, wodurch herkömmliche Schmierstoffe degradiert werden und es zu kaltverschweißung (adhäsivem Verschleiß) kommt. Dabei verschweißt sich das Blech buchstäblich mit der Werkzeugoberfläche und reißt mikroskopisch kleine Stücke aus der Matrize heraus. AHSS-Insights vermerkt, dass bei Stählen mit Zugfestigkeiten über 980 MPa der Ausfallmodus sich vom einfachen abrasiven Verschleiß hin zu komplexen Ermüdungsversagen verändert, wodurch Standard-D2 für Hochlaufleistungsanwendungen obsolet wird.

Kernwerkstoffklassen: D2 vs. PM vs. Karbid

Die Auswahl des Werkzeugwerkstoffs ist ein Kompromiss zwischen Kosten, Zähigkeit (Widerstandsfähigkeit gegen Absplittern) und Verschleißfestigkeit. Bei AHSS-Anwendungen ist die Hierarchie eindeutig.

Konventionelle Werkzeugstähle (D2, A2)

D2 bleibt der Standard für das Stanzen von unlegierten Stählen aufgrund seiner geringen Kosten und ausreichenden Verschleißfestigkeit. Aufgrund seiner groben Karbidstruktur ist jedoch die Zähigkeit begrenzt. Für AHSS-Anwendungen wird D2 im Allgemeinen auf Prototypen oder Kleinserien von niedrigeren AHSS-Werkstoffen (unter 590 MPa) beschränkt. Wird es für höhere Festigkeitsklassen verwendet, erfordert es häufige Wartung und leidet oft unter vorzeitigem Ermüdungsversagen.

Pulvermetallurgische (PM) Stähle

Dies ist der Standard für die moderne AHSS-Produktion. PM-Stähle werden hergestellt, indem geschmolzenes Metall zu einem feinen Pulver zerstäubt und anschließend unter hoher Temperatur und Druck (Heißisostatisches Pressen) verpresst wird. Dieser Prozess erzeugt eine gleichmäßige Mikrostruktur mit feinen, gleichmäßig verteilten Karbiden. Sorten wie Vanadis 4E , CPM 3V , oder K340 bieten die hohe Schlagzähigkeit, die benötigt wird, um Abplatzen zu verhindern, während gleichzeitig eine ausgezeichnete Druckfestigkeit beibehalten wird. Eine von [Autorität] zitierte Studie Der Blechverarbeiter zeigte, dass D2-Werkzeuge nach möglicherweise 5.000 Zyklen bei einer Querlenkerkomponente versagen könnten, während PM-Stahl-Werkzeuge deutlich über 40.000 Zyklen hinaus zuverlässig funktionierten.

Gekittetes Hartmetall

Für extremste Anwendungen oder für spezifische Einsätze wie Stempel und Lochscheren bietet gesinterte Karbid eine überlegene Verschleißfestigkeit. Allerdings ist es äußerst spröde. Während es abrasivem Verschleiß besser widersteht als jeder Stahlsorte, neigt es zum Zerspringen unter den Stoßbelastungen, die typisch für das Durchschlagen von AHSS sind. Es sollte daher vorzugsweise in Hochverschleißbereichen eingesetzt werden, wo Stoßbelastungen kontrolliert sind, oder zum Umformen von niedrig zugfesten, aber abrasiven Materialien.

Die entscheidende Rolle von Beschichtungen: PVD, CVD und TD

Da AHSS äußerst abrasiv ist, wird selbst der beste PM-Stahl letztendlich abgenutzt. Beschichtungen sind unerlässlich, um eine harte, reibungsarme Barriere zu schaffen, die Verkantung (Galling) verhindert.

Physikalische Dampfabscheidung (PVD) wird häufig für Präzisionsstempel bevorzugt, da es bei niedrigeren Temperaturen aufgebracht wird und dadurch die Wärmebehandlung und Maßgenauigkeit des Grundwerkstoffs erhält. Es ist ideal für Schneidkanten, bei denen die Beibehaltung einer scharfen Geometrie entscheidend ist.

Thermische Diffusion (TD) erzeugt eine Vanadiumcarbidschicht, die äußerst hart ist (über 3000 HV), wodurch sie zum Goldstandard beim Gegenhalten von Aufschweißen bei schweren Umformprozessen geworden ist. Da der Prozess jedoch bei Austenitisierungstemperaturen stattfindet, dient der Werkzeugstahl als Kohlenstoffquelle und muss anschließend erneut gehärtet werden. Dies kann zu dimensionsmäßigen Veränderungen führen, weshalb TD bei engen Toleranzen riskant ist, sofern nicht sorgfältig gesteuert.

Auswahlrahmen: Materialanpassung an die AHSS-Güteklasse

Die Entscheidung für ein bestimmtes Material sollte durch die spezifische Zugfestigkeit des Blechs bestimmt werden. Mit steigender Materialgüte verlagert sich die Beanspruchung der Werkzeuge von einfacher Verschleißfestigkeit hin zu Schlagzähigkeit.

• 590 MPa - 780 MPa: Konventioneller D2-Stahl kann bei niedrigeren Stückzahlen verwendet werden, aber ein modifizierter Werkzeugstahl (wie 8 % Cr) oder eine grundlegende PM-Güte ist sicherer für lange Laufzeiten. Eine PVD-Beschichtung (wie TiAlN oder CrN) wird empfohlen, um die Reibung zu verringern.
• 980 MPa - 1180 MPa: Dies ist der kritische Punkt. D2 ist weitgehend ungeeignet. Es muss ein zäher PM-Stahl verwendet werden (z. B. Vanadis 4 Extra oder gleichwertig). Für Umformabschnitte, die anfällig für Kaltverschweißung sind, ist eine TD-Beschichtung äußerst wirksam. Für Schneidkanten hilft eine PVD-Beschichtung auf einem PM-Grundkörper, die Schneidkante bezuhalten und gleichzeitig gegen Abplatzungen widerstandsfähig zu sein.
• Über 1180 MPa (Martensitisch/Heißverformt): Nur die höchste Zähigkeit aufweisende PM-Güten oder spezielle Matrix-Hartstähle sollten verwendet werden. Die Oberflächenvorbereitung ist entscheidend, und duplex-Beschichtungen (Nitrieren gefolgt von PVD) werden häufig eingesetzt, um die extremen Oberflächenbelastungen zu bewältigen.

Es ist außerdem entscheidend, zu erkennen, dass die Werkstoffauswahl nur ein Bestandteil des gesamten Fertigungssystems ist. Für Hersteller, die von der Prototypenfertigung zur Serienproduktion übergehen, ist es unerlässlich, mit einem Stanzunternehmen zusammenzuarbeiten, das über die notwendige Ausrüstung verfügt, um diese Materialien verarbeiten zu können. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology verwenden Pressen mit hohen Presskräften (bis zu 600 Tonnen) und IATF-16949-zertifizierte Prozesse, um die Lücke zwischen Materialeigenschaft und erfolgreicher Bauteilfertigung zu schließen, wodurch sichergestellt wird, dass die gewählten Werkzeugstähle unter Produktionsbedingungen wie vorgesehen funktionieren.

Best Practices für Wärmebehandlung und Oberflächenvorbereitung

Selbst der teuerste PM-Stahl mit einer Premium-Beschichtung versagt, wenn der Grundwerkstoff nicht korrekt vorbereitet wurde. Ein häufiger Versagensmodus ist der „Eierschalen-Effekt“, bei dem eine harte Beschichtung auf einen weichen Grundwerkstoff aufgebracht wird. Unter Druck verformt sich der Grundwerkstoff, wodurch die spröde Beschichtung reißt und abplatzt.

Um dies zu verhindern, muss das Substrat wärmebehandelt werden, um eine ausreichende Härte (typischerweise 58–62 HRC für PM-Stähle) zu erreichen, die die Beschichtung trägt. Dreifaches Anlassen ist oft erforderlich, um die restliche Austenitumwandlung zu vollziehen und dimensionsmäßige Stabilität sicherzustellen. Darüber hinaus ist die Oberflächenbeschaffenheit vor der Beschichtung unabdingbar. Die Werkzeugoberfläche muss auf eine mittlere Rauheit (Ra) von etwa 0,2 µm oder besser poliert werden. Alle auf dem Werkzeug verbliebenen Schleifspuren oder Kratzer wirken als Spannungskonzentrationen, die Risse einleiten oder die Haftung der Beschichtung beeinträchtigen können.

Schließlich müssen die Wartungsstrategien angepasst werden. Ein beschichtetes Werkzeug kann nicht einfach zum Nachschärfen geschliffen werden, ohne die Beschichtung zu entfernen. Bei PVD-beschichteten Werkzeugen muss die Beschichtung häufig chemisch abgetragen, das Werkzeug anschließend geschliffen und poliert und danach erneut beschichtet werden, um die volle Leistung wiederherzustellen. Diese Lebenszykluskosten müssen bereits bei der ersten Auswahl des Werkzeugstahls berücksichtigt werden.

Optimierung für die langfristige Produktion

Der Übergang zu AHSS erfordert einen ganzheitlichen Ansatz bei der Werkzeugauslegung. Es reicht nicht mehr aus, sich auf die bisher als „sicher“ geltenden Lösungen zu verlassen. Ingenieure müssen die Presseform als ein Verbundsystem betrachten, bei dem das Grundmaterial die strukturelle Integrität liefert und die Beschichtung die tribologischen Eigenschaften bereitstellt. Indem die Zähigkeit von PM-Stählen mit der Verschleißfestigkeit moderner Beschichtungen kombiniert wird, können Hersteller die Herausforderung des Umformens hochfester Werkstoffe in einen konsistenten und profitablen Prozess verwandeln. Die höheren Anschaffungskosten für hochwertige Materialien amortisieren sich nahezu immer durch reduzierte Stillstandszeiten und niedrigere Ausschussraten.

Häufig gestellte Fragen

1. Welches ist das beste Werkzeugmaterial zum Stanzen von AHSS?

Für die meisten AHSS-Anwendungen über 590 MPa gelten Pulvermetallurgische (PM) Werkzeugstähle wie Vanadis 4E, CPM 3V oder vergleichbare Sorten als die beste Wahl. Im Gegensatz zu herkömmlichem D2-Stahl weisen PM-Stähle eine feine, gleichmäßige Mikrostruktur auf, die die notwendige Zähigkeit zur Vermeidung von Ausbrüchen bietet und gleichzeitig eine hohe Druckfestigkeit beibehält.

2. Warum versagt D2-Werkzeugstahl bei AHSS?

D2 versagt vor allem aufgrund seiner Mikrostruktur, die große „Karbidsträngen“ enthält. Bei den hohen Stoß- und Kontaktbelastungen beim Stempeln von AHSS wirken diese Strängen als Spannungskonzentrationsstellen, was zu Rissbildung und Abplatzungen führt. D2 weist außerdem die erforderliche Zähigkeit auf, um die Durchbruchkräfte hochfester Materialien zu bewältigen.

3. Was ist der Unterschied zwischen PVD- und CVD-Beschichtungen für Stanzformen?

Der Hauptunterschied liegt in der Aufbringungstemperatur. PVD (Physikalische Dampfabscheidung) wird bei niedrigen Temperaturen (~500 °C) aufgebracht, wodurch eine Erweichung oder Verformung des Werkzeugstahls vermieden wird. CVD (Chemische Dampfabscheidung) und TD (Thermische Diffusion) werden bei deutlich höheren Temperaturen (~1000 °C) aufgebracht, was eine stärkere metallurgische Bindung und eine dickere Beschichtung ermöglicht, jedoch eine erneute Anläuterung des Werkzeugs erfordert, was das Risiko geometrischer Verformungen birgt.

4. Wann sollte ich Pulvermetallurgie (PM)-Stahl für das Stempeln verwenden?

Sie sollten auf PM-Stahl umstellen, wenn Sie Blech mit einer Zugfestigkeit über 590 MPa stanzen, oder bei Langzeitproduktion von Materialien geringerer Festigkeit, bei denen die Wartungskosten eine Rolle spielen. PM-Stahl ist auch unverzichtbar für Anwendungen mit komplexen Werkzeuggeometrien, bei denen das Risiko von Rissen hoch ist.