Zusammenfassung

Die Wärmebehandlung für gestanzte Autoteile gliedert sich im Allgemeinen in zwei unterschiedliche Kategorien, abhängig davon, wann die Wärmebehandlung erfolgt: Heißumformen (Presshärtung) und Wärmebehandlung nach dem Stanzen .

Warmstempel beinhaltet das Erhitzen von Borstahl-Platinen (typischerweise 22MnB5) auf über 900 °C, bevor sie beim Umformen gleichzeitig in der Form abgeschreckt werden. Dadurch entstehen ultrahochfeste Strukturbauteile wie B-Säulen und Stoßfänger mit Zugfestigkeiten bis zu 1.500 MPa. Wärmebehandlung nach dem Stanzen wendet sekundäre Verfahren – wie Aufkohlen, ferritisches Nitrocarburieren (FNC) oder Induktionshärten – auf bereits kaltgestanzte Teile an. Dieser Weg eignet sich ideal für funktionelle Baugruppen wie Sitzverstellmechanismen und Bremszahnsegmente, die Verschleißfestigkeit erfordern, ohne die Grundgeometrie zu verändern.

Die beiden Hauptwege: Heißpresshärten vs. Nachbehandlung

Bei der Konstruktion von gestanzten Automobilkomponenten ist die Wahl der Wärmebehandlung nicht nur ein abschließender Schritt; sie bestimmt die gesamte Fertigungsstrategie. Die Branche unterteilt diese Verfahren in zwei Hauptarbeitsabläufe: Presshärtung (Heißumformung) und Nachgeschaltete Wärmebehandlung (Kaltstanzen + Nachbearbeitung) .

Das Verständnis der grundlegenden Unterschiede zwischen diesen Wegen ist entscheidend für Einkaufsleiter und Konstrukteure:

• Integration vs. Trennung: Die Heißumformung integriert Umformen und Härten in einen einzigen Presshub. Das Material betritt die Presse weich und verlässt sie gehärtet. Im Gegensatz dazu trennt die Nachbearbeitung diese Stufen: Teile werden kalt (weich) umgeformt und anschließend zur Härtung in einen Ofen gebracht.
• Materialspezifität: Die Heißumformung verwendet nahezu ausschließlich Mangan-Boron-Stähle (wie 22MnB5), die darauf ausgelegt sind, ihre Gefügestruktur während der Abschreckung zu verändern. Die Nachbehandlung funktioniert mit einer breiteren Palette an kohlenstoffarmen bis -mittleren Stählen und Legierungen (wie 1020, 4140 oder 8620).
• Hauptziel: Das Ziel des Heißstanzens ist in der Regel die strukturelle Integrität und die Unfallsicherheit (Intrusionsschutz). Das Ziel der Nachbehandlung ist oft die Verschleißfestigkeit, Ermüdungslebensdauer oder Korrosionsschutz für bewegliche Teile.

Heißstanzung (Presshärtung): Für sicherheitsrelevante Strukturen

Warmstempel , auch bekannt als Presshärtung, hat die Fahrzeugsicherheit revolutioniert. Sie ermöglicht es Herstellern, komplexe, leichte Strukturbauteile herzustellen, die extremen Crashbelastungen standhalten, ohne zu brechen. Dieses Verfahren ist Standard für den „Sicherheitskäfig“ moderner Fahrzeuge, einschließlich A-Säulen, B-Säulen, Dachschienen und Seiteneinstiegsbalken.

Der Prozess: Von Austenit zu Martensit

Die Wissenschaft hinter dem Heißstanzverfahren basiert auf einer präzisen metallurgischen Umwandlung. Der Prozess beginnt damit, dass ein Stahlrohling in einem Ofen auf etwa 900 °C–950 °C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur ändert sich die innere Struktur des Stahls von Ferrit-Perlit zu austenit , wodurch er äußerst formbar wird.

Das rotglühende Rohling wird dann schnell in eine wassergekühlte Form übertragen. Während die Presse schließt, um das Bauteil zu formen, härten die kalten Formflächen gleichzeitig den Stahl ab. Diese schnelle Abkühlung (mit Abkühlraten, die oft 27 °C pro Sekunde überschreiten), blockiert die Kohlenstoffatome in einem verformten Gefüge und wandelt das Austenit in martensit . Das Ergebnis ist ein Bauteil, dessen Streckgrenze von etwa 400 MPa (im Ausgangszustand) auf über 1.500 MPa ansteigt.

Vorteile und Einschränkungen

Der Hauptvorteil des Warmumformens besteht darin, dass komplexe Formen ohne „Rückfederung“ (die Tendenz des Metalls, zur ursprünglichen Form zurückzukehren) hergestellt werden können, was eine außergewöhnliche Maßhaltigkeit gewährleistet. Allerdings erfordert der Prozess spezielle Laserschneidverfahren für Löcher und Kanten, da der gehärtete Stahl für herkömmliche mechanische Schneidwerkzeuge zu hart ist.

Nach dem Stanzen erfolgende Härtung: Für Verschleiß- und Bewegungsteile

Während das Warmumformen das Skelett des Fahrzeugs bildet, Wärmebehandlung nach dem Stanzen gewährleistet die Haltbarkeit seiner beweglichen Bauteile. Komponenten wie Sitzverstellhebel, Getriebescheiben, Ratschen der Feststellbremse und Türverriegelungen werden üblicherweise aus weichem Stahl kaltumgeformt und anschließend gehärtet, um Abnutzung zu verhindern.

Für Hersteller, die den Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion dieser komplexen Funktionsbauteile meistern müssen, ist die Zusammenarbeit mit einem leistungsfähigen Zulieferer unerlässlich. Shaoyi Metal Technology spezialisiert sich darauf, diese Lücke zu schließen, und bietet umfassende Stanzlösungen, die von der ersten Konstruktion bis zur endgültigen Auslieferung nach Wärmebehandlung strenge globale OEM-Normen erfüllen.

Einsatzhärten (Oberflächenhärtung)

Das Aufkohlen ist das bevorzugte Verfahren für Bauteile, die hohen Reibungs- und Belastungsbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Zahnräder und Ratschen. Dabei werden Bauteile aus kohlenstoffarmem Stahl in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre erhitzt. Der Kohlenstoff dringt in die Oberfläche ein und bildet eine harte „Randschicht“, während der Kern weich und zäh bleibt. Dies harte Randschicht/zäher Kern kombination verhindert, dass das Bauteil bei plötzlichen Stößen bricht, und sorgt gleichzeitig dafür, dass die Oberfläche Abnutzung durch zusammenwirkende Bauteile widersteht.

Induktionshärtung

Wenn nur ein bestimmter Bereich eines gestanzten Teils gehärtet werden muss – wie beispielsweise die Zähne eines Sitzrasters oder die Spitze eines Ratchets – ist die induktive Härterung das bevorzugte Verfahren. Eine elektromagnetische Spule erhitzt ausschließlich die Zielzone, die anschließend sofort abgeschreckt wird. Diese lokal begrenzte Behandlung minimiert Verzug im übrigen Teil.

Durchhärtung (Neutrale Härterung)

Für strukturelle Halterungen, Klammern und Sicherheitsgurt-Schließen, die über den gesamten Querschnitt hinweg eine gleichmäßige Festigkeit erfordern, kommt die Durchhärtung zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wird das gesamte Bauteil auf seine Austenitisierungstemperatur erhitzt und abgeschreckt, wodurch eine gleichbleibende Härte von der Oberfläche bis zum Kern erreicht wird. Es wird typischerweise mit mittel- bis hochkohlenstoffhaltigen Stählen verwendet.

Korrosionsschutz und Stabilität: FNC und Nitrieren

Für Fahrzeugunterbauten oder Bremskomponenten, die Streusalz und Feuchtigkeit ausgesetzt sind, reicht Härte allein nicht aus. Ferritisches Nitrocarburieren (FNC) und Nitrieren bieten einen doppelten Vorteil: Oberflächenhärte und hervorragende Korrosionsbeständigkeit.

Im Gegensatz zum Aufkohlen, das bei hohen Temperaturen (oft >850 °C) erfolgt und zu Verzug an Bauteilen führen kann, wird die FNC-Behandlung bei niedrigeren Temperaturen (ca. 575 °C) durchgeführt. Diese „subkritische“ Temperatur verhindert eine Phasenumwandlung im Kern des Stahls, wodurch praktisch keine dimensionsbezogenen Veränderungen entstehen. Dadurch eignet sich FNC ideal für präzisionsgestanzte Teile wie Bremssattelhalterungen, Kupplungsplatten für Getriebe und dünne Scheiben, die absolut flach bleiben müssen.

Glühen und Spannungsarmglühen: Die unterstützenden Verfahren

Nicht alle Wärmebehandlungen dienen der Härterung von Metall. Aufguss und Spannungsfreimachen sind „weichmachende“ Verfahren, die für den eigentlichen Fertigungsprozess unerlässlich sind.

Beim Tiefziehen (z. B. bei der Herstellung eines Ölwannens oder Motorabdeckung) baut die Kaltverformung innere Spannungen auf, die dazu führen können, dass das Metall reißt oder einreißt. Bei der Zwischenglühung wird das Metall erhitzt, um seine Korngestalt neu zu bilden und so die Duktilität wiederherzustellen, wodurch weitere Umformungsschritte ermöglicht werden. Ebenso wird eine Spannungsentlastung häufig nach starkem Stanzen oder Schweißen angewendet, um zu verhindern, dass sich das Bauteil im Laufe der Zeit aufgrund von Restspannungen verzieht.

Fazit

Die Auswahl der richtigen Wärmebehandlung für gestanzte Autoteile ist ein ausgewogener Prozess aus Funktion, Geometrie und Werkstoffkunde. Das Heißstanzverfahren bleibt unangefochtener Spitzenreiter beim Sicherheitskäfig und bietet eine leichte Festigkeit, die die moderne Fahrzeugarchitektur prägt. Hingegen sind Nachbehandlungen nach dem Stanzprozess wie Aufkohlen und FNC unverzichtbar für die komplexen beweglichen Mechanismen, mit denen Fahrer täglich interagieren. Indem Ingenieure die Leistungsanforderungen des Bauteils – sei es Crashfestigkeit, Verschleißfestigkeit oder Korrosionsschutz – mit dem geeigneten thermischen Zyklus abstimmen, gewährleisten sie Sicherheit und Langlebigkeit im Automobildesign.

Häufig gestellte Fragen

was ist der Unterschied zwischen Heißstanz- und Kaltstanz-Wärmebehandlung?

Beim Heißstanzverfahren wird das Metall erhitzt vorher und während der Umformprozess verändert die Mikrostruktur des Stahls, um in einem Schritt ultrahochfeste Bauteile zu erzeugen. Das Kaltstanzen formt das Metall bei Raumtemperatur, und eine Wärmebehandlung (wie Karbonieren oder Glühen) wird danach als separate Nachbearbeitung durchgeführt, um die Härte einzustellen oder Spannungen abzubauen.

2. Warum wird Borstahl für warmgeformte Bauteile verwendet?

Borstahl, insbesondere Sorten wie 22MnB5, wird verwendet, da das Hinzufügen von Bor die Härtefähigkeit signifikant verbessert. Es ermöglicht dem Stahl, sich während der schnellen Abkühlphase in der wassergekühlten Form vollständig in eine harte martensitische Struktur umzuwandeln, wodurch Zugfestigkeiten von bis zu 1.500 MPa erreicht werden.

3. Kann ein gestanztes Bauteil nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung unterzogen werden?

Ja, aber es erfordert Vorsicht. Beim Schweißen entsteht Wärme, die die Eigenschaften zuvor wärmebehandelter Bereiche verändern kann. Nach dem Schweißen wird häufig eine Spannungsentlastung durchgeführt, um thermische Spannungen abzubauen. Wenn jedoch ein Bauteil hohe Härte benötigt, wird oft zuerst geschweißt und anschließend das gesamte Bauteil endwärmebehandelt, sofern das Design dies zulässt.

4. Welche Wärmebehandlung eignet sich am besten für Korrosionsbeständigkeit bei Autoteilen?

Das ferritische Nitrocarburieren (FNC) gilt weithin als beste Wärmebehandlung, um Härte mit Korrosionsbeständigkeit zu kombinieren. Es erzeugt eine harte, verschleißfeste Oberflächenschicht (die „Verbindungsschicht“), die gleichzeitig vor Oxidation schützt, weshalb es besonders für Bremskomponenten und Unterbodenzargen beliebt ist.