Zusammenfassung

Dual-Phase-(DP)-Stähle sind hochfeste Stähle (AHSS) mit fortschrittlichen Eigenschaften, die sich durch eine Mikrostruktur aus harten Martensitinseln in einer weichen ferritischen Matrix auszeichnen. Diese einzigartige Kombination führt zu einem niedrigen Streckgrenzen-zu-Zugfestigkeits-Verhältnis (~0,6) und einer hohen anfänglichen Verfestigungsrate (n-Wert), wodurch sie ideal für komplexe Umformungen im Automobilbau sind, bei denen sowohl Umformbarkeit als auch Crashfestigkeit erforderlich sind. Für eine erfolgreiche Umformung müssen jedoch erhebliche Rückfederung und Risiken von Kantenrissen berücksichtigt werden. Ingenieure müssen typischerweise Stempelspiele auf 12–14 % erhöhen und steifere Werkzeuge mit fortschrittlichen Beschichtungen wie TiC oder CrN verwenden, um die höheren Presskräfte und Verschleißraten bewältigen zu können.

Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften

Der ingenieurtechnische Wert von Dual-Phase-Stahl liegt in seiner charakteristischen zweiphasigen Mikrostruktur. Im Gegensatz zu hochfesten, niedriglegierten (HSLA) Stählen, die auf Ausscheidungshärtung basieren, leiten DP-Stähle ihre Eigenschaften von einer Verbundstruktur ab: einer kontinuierlichen, weichen Ferrit-Matrix, die Duktilität bietet, und verteilten harten Martensit-Inseln, die Festigkeit liefern. Bei Verformung konzentriert sich die Dehnung in der weicheren Ferrit-Phase um den Martensit herum, was zu einer hohen anfänglichen Verfestigungsrate (n-Wert) führt.

Diese Mikrostruktur erzeugt ein mechanisches Verhalten, das speziell für das Kaltumformen optimiert ist. Während HSLA-Werkstoffe typischerweise ein Streckgrenzen-zu-Zugfestigkeits-Verhältnis (YS/TS) von etwa 0,8 aufweisen, weisen DP-Stähle ein deutlich niedrigeres Verhältnis von ungefähr 0,6 auf. Diese niedrigere Streckgrenze ermöglicht ein früheres Einsetzen plastischer Verformung und erleichtert so die Formgebung komplexer Geometrien, bevor das Material seine maximale Zugfestigkeit erreicht. Der Verarbeiter vermerkt dass dieser hohe n-Wert besonders bei niedrigeren Dehnungsbereichen (4–6 %) deutlich ausgeprägt ist, was dazu beiträgt, die Dehnung gleichmäßig über das Bauteil zu verteilen und ein lokales Einschnüren früh im Presshub zu verhindern.

Häufige handelsübliche Sorten – wie DP590, DP780 und DP980 – werden durch ihre minimale Zugfestigkeit (in MPa) definiert. Mit steigendem Volumenanteil an Martensit steigt die Zugfestigkeit, während die Duktilität naturgemäß abnimmt. Ingenieure müssen diese Faktoren ausgewogen berücksichtigen, wobei sie oft geringere Martensitanteile für tiefgezogene Teile und höhere Anteile für strukturelle Rahmenprofile wählen, wo die Eindringfestigkeit im Vordergrund steht.

Umformherausforderungen: Rückfederung und Kantenrissbildung

Derjenige sehr charakteristische Aspekt, der DP-Stahl wünschenswert macht – seine hohe Verfestigungsrate bei Kaltverformung – führt gleichzeitig zu seinem hauptsächlichen Fertigungsfehler: dem Federrücklauf. Da sich das Material während der Verformung schnell verhärtet, ist die im Bauteil gespeicherte elastische Rückfederungsspannung deutlich höher als bei unlegierten Stählen. Dies äußert sich in einem Aufrollen der Seitenwände und einer Winkeländerung, nachdem das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen wurde, was die Maßhaltigkeit für die Montage erschwert.

Um den Federrücklauf zu verringern, setzen Verfahrensingenieure mehrere Strategien beim Werkzeugdesign ein. Überkronung der Werkzeugoberflächen ermöglicht es dem Material, in die korrekte Geometrie nachzulagern. Zusätzlich können Wandnutungen oder Versteifungen die Geometrie fixieren. Eine fortschrittlichere Technik besteht darin, am Ende des Pressenhubs eine hohe Dehnung einzubringen, um Restdruckspannungen zu reduzieren und so die Form effektiv „einzustellen“.

Randrisse sind ein weiterer kritischer Versagensmodus, insbesondere bei Stretch-Flanging-Operationen. Die Härte-Diskrepanz zwischen dem weichen Ferrit und dem harten Martensit erzeugt Spannungsrisse an geschnittenen Kanten, was zu Mikrohohlräumen führen kann, die sich zu Rissen verbinden. SSAB empfiehlt die Verwendung spezieller „Dual Phase High Formability“ (DH)-Sorten für geometrische Formen, die Tiefziehen oder gestreckte Kanten erfordern. Diese dritten Generation AHSS-Sorten nutzen TRIP-unterstützte Gefüge (mit behaltenem Austenit), um Formbarkeit bei höheren Dehnungsgraden aufrechtzuerhalten, und bieten eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegen Randrisse im Vergleich zu Standard-DP-Sorten.

Richtlinien für Werkzeug- und Matrizenkonstruktion

Das Stanzen von Dual-Phase-Stahl erfordert eine grundlegende Neubewertung der üblichen Werkzeugparameter, die für Weichstahl oder HSLA verwendet werden. Die wichtigste Anpassung betrifft die Stanzspaltbreite. Standardspalte von etwa 9 % der Blechdicke führen bei DP-Stählen aufgrund der hohen Scherfestigkeit des Materials häufig zu schwerwiegenden Randspaltbildungen.

Daten von Tata Steel zeigt, dass eine Erhöhung des Stanzspiels zu 12–14%die Kantenqualität erheblich verbessert. In einer Fallstudie verringerte sich die Rate an Teilungsfehlern von 22 % auf nahezu null, als das Spiel von 9 % auf 12 % erhöht wurde. Dieser größere Spalt verändert den Spannungszustand an der Schneidkante und reduziert die Neigung zur Ausbreitung von Mikrorissen in den Flansch.

Der Werkzeugverschleiß wird ebenfalls beschleunigt. Die hohen Kontaktlasten, die zum Umformen von DP-Stahl erforderlich sind – oft über 600 Tonnen bei strukturellen Bauteilen – können Materialanhaftung (Galling) und eine schnelle Matrizenabnutzung verursachen. Werkzeugstähle müssen daher mit harten, reibungsarmen Oberflächenbeschichtungen wie Titancarbid (TiC) oder Chromnitrid (CrN) beschichtet werden, um die Wartungsintervalle zu verlängern. Zudem muss die Presse selbst ausreichend steif sein, um unter diesen hohen Belastungen keine Verformung zu erfahren, was sonst die Bauteiltoleranzen beeinträchtigen würde.

Für Hersteller, die mit diesen erhöhten Anforderungen an die Ausrüstung konfrontiert sind, ist die Zusammenarbeit mit einem spezialisierten Fertigungsdienstleister oft der effizienteste Weg. Shaoyi Metal Technology umfassende Stanzlösungen die die Lücke vom Prototyping bis zur Massenproduktion schließen. Mit Presskapazitäten bis zu 600 Tonnen und IATF-16949-Zertifizierung sind sie in der Lage, die hohen Anforderungen an Tonnage und Präzision von hochfesten Stählen wie DP- und DH-Güten für kritische Komponenten wie Querlenker und Subrahmen zu erfüllen.

Aushärtung durch Backen und endgültige Leistung

Ein verborgener Vorteil von Dual-Phase-Stahl ist sein „Bake Hardening“ (BH)-Effekt. Dieses Phänomen tritt während des Härtungsprozesses der Autolackierung auf, typischerweise bei etwa 170 °C über 20 Minuten. Während dieses thermischen Prozesses diffundieren freie Kohlenstoffatome in der Gefügestruktur des Stahls und fixieren die Versetzungen, die beim Umformen entstanden sind.

Dieser Mechanismus führt zu einer erheblichen Steigerung der Streckgrenze – typischerweise um 50 bis 100 MPa – ohne die Abmessungen des Bauteils zu beeinträchtigen. Diese statische Festigkeitszunahme ermöglicht es Automobilingenieuren, auf dünnere Materialdicken („downgauge“) zurückzugreifen, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass das fertige Bauteil die Anforderungen an die Crashsicherheit erfüllt. Die Kombination aus Umformhärten in der Presshalle und Lackhärtung in der Lackierabteilung verleiht dem Endprodukt eine außergewöhnliche Energieabsorptionsfähigkeit, wodurch DP-Stahl zur Standardwahl für Komponenten des Sicherheitskäfigs wie B-Säulen, Dachschienen und Querverstrebungen wird.

Fazit: Optimierung für die Produktion von AHSS

Dual-Phase-Stahl stellt einen entscheidenden Gleichgewichtspunkt im modernen Automobilbau dar, da er die für die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften erforderliche Festigkeit und die für die Fertigbarkeit notwendige Duktilität bietet. Obwohl das Material deutliche Herausforderungen mit sich bringt – insbesondere bezüglich des Springback-Managements und des Werkzeugverschleißes – können diese durch datengestütztes Matrizendesign und eine geeignete Pressenauswahl effektiv überwunden werden. Indem die besonderen physikalischen Eigenschaften der Ferrit-Martensit-Mikrostruktur berücksichtigt und Parameter wie der Stempelspielraum auf den empfohlenen Bereich von 12–14 % angepasst werden, können Hersteller das Gewichtseinsparungs- und Leistungspotenzial dieses vielseitigen Materials voll ausschöpfen.

Häufig gestellte Fragen

1. Worin unterscheidet sich Dual-Phase-Stahl von HSLA-Stahl?

Während Hochfestigkeits-Leichtlegierungsstähle (HSLA) auf mikrolegierende Elemente für die Ausscheidungshärtung angewiesen sind, basieren Dual-Phase-(DP)-Stähle auf einer zweiphasigen Mikrostruktur aus Ferrit und Martensit. Dies verleiht DP-Stählen ein geringeres Streckgrenz-zu-Zugfestigkeitsverhältnis (~0,6 gegenüber 0,8 für HSLA) und eine höhere anfängliche Verfestigungsrate, was eine bessere Umformbarkeit bei gleicher Zugfestigkeit ermöglicht.

2. Welche empfohlene Stanzspalt ist beim Stanzen von DP-Stahl empfehlenswert?

Die üblichen Stanzspalte für Baustahl (ca. 9 %) sind in der Regel zu eng für DP-Stahl und können Rissbildung an den Kanten verursachen. Branchenbewährte Praxis empfiehlt, den Stanzspalt zu 12–14%der Materialstärke zu erhöhen, um die Kantenqualität und Werkzeuglebensdauer zu verbessern.

3. Was verursacht Springback bei Dual-Phase-Stahl?

Das Federn wird durch die hohe elastische Rückstellung des Materials nach dem Umformen verursacht. Die hohe Kaltverfestigungsrate von DP-Stahl bedeutet, dass während der Verformung erhebliche elastische Energie gespeichert wird. Wenn der Werkzeugverbund öffnet, wird diese Energie freigesetzt, wodurch das Bauteil zurückfedert oder sich krümmt. Dies muss durch Überkronung oder Nachschlagen in der Werkzeuggestaltung ausgeglichen werden.

4. Kann Dual-Phase-Stahl geschweißt werden?

Ja, DP-Stähle weisen im Allgemeinen eine gute Schweißbarkeit auf, wobei jedoch das spezifische Kohlenstoffäquivalent berücksichtigt werden muss. Während niedrigere Festigkeitsklassen (DP590) leicht punktgeschweißt werden können, sind bei höheren Festigkeitsklassen (DP980 und darüber) möglicherweise Anpassungen der Schweißparameter erforderlich, wie z. B. erhöhte Elektrodenkraft oder spezielle Impulszyklen, um spröde Brüche in der wärmebeeinflussten Zone der Schweißstelle zu verhindern.