Eigenschaften von Presshärtendem Stahl: Technischer Leitfaden zu Festigkeit und Umformbarkeit

Zusammenfassung

Presshärtungsstahl (PHS), auch bekannt als heißumgeformter oder Borstahl, ist eine ultra-hochfeste Legierung (typischerweise 22MnB5), die für Sicherheitskomponenten im Automobilbau entwickelt wurde. Er wird im formbaren ferritisch-perlitischen Zustand geliefert (Streckgrenze ~300–600 MPa), wandelt sich jedoch nach dem Erhitzen auf etwa 900 °C und Abschrecken in einer gekühlten Form in eine außergewöhnlich harte martensitische Struktur um (Zugfestigkeit 1300–2000 MPa). Dieser Prozess eliminiert Federrücklauf, ermöglicht komplexe Geometrien und erlaubt eine erhebliche Gewichtsreduzierung bei kritischen Crash-Bauteilen wie A-Säulen und Stoßstangen.

Was ist Presshärtungsstahl (PHS)?

Presshärtender Stahl (PHS), im Automobilbau häufig auch als warmumgeformter Stahl oder heißumgeformter Stahl bezeichnet, stellt eine Kategorie von borlegierten Stählen dar, die einem speziellen thermischen und mechanischen Umformprozess unterzogen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen kaltumgeformten Stählen, die bei Raumtemperatur verformt werden, wird PHS erhitzt, bis er einen austenitischen Zustand erreicht, und anschließend in einem gekühlten Werkzeug gleichzeitig umgeformt und abgeschreckt.

Die Standardqualität für diesen Prozess ist 22MnB5 , eine Kohlenstoff-Mangan-Bor-Legierung. Der Zusatz von Bor (typischerweise 0,002–0,005 %) ist entscheidend, da er die Härtbarkeit des Stahls erheblich verbessert und sicherstellt, dass selbst bei mäßigen Abkühlgeschwindigkeiten eine vollständig martensitische Mikrostruktur erreicht werden kann. Ohne Bor könnte sich das Material während der Abschreckphase in weichere Phasen wie Bainit oder Perlit umwandeln und die gewünschte Festigkeit nicht erreichen.

Die grundlegende Transformation, die PHS seinen Wert verleiht, ist mikrostruktureller Natur. In Form eines weichen ferritisch-perlitischen Blechs geliefert, ist das Material leicht zu schneiden und zu handhaben. Während des Heißumformprozesses wird es über seine Austenitisierungstemperatur (typischerweise etwa 900–950 °C) erhitzt. Wenn das heiße Blech in der Form eingespannt wird, erfolgt eine schnelle Abkühlung (mit Abkühlraten von mehr als 27 °C/s). Diese schnelle Abkühlung verhindert die Bildung weicherer Mikrostrukturen und wandelt den Austenit direkt in martensit , die härteste Form der Stahlgefügestruktur, um.

Mechanische Eigenschaften: Im Lieferzustand vs. Gehärtet

Für Ingenieure und Einkaufsspezialisten ist der entscheidende Aspekt der Eigenschaften von Presshärtungsstahl der dramatische Unterschied zwischen seinem Ausgangszustand und seinem Endzustand. Diese Dualität ermöglicht komplexe Umformungen (im weichen Zustand) und maximale Leistungsfähigkeit (im harten Zustand).

Die folgende Tabelle vergleicht die typischen mechanischen Eigenschaften des gängigen 22MnB5-Werkstoffs vor und nach dem Presshärtungsprozess:

Streckgrenzanalyse: Die Streckgrenze verdreifacht sich typischerweise während des Prozesses. Während das Ausgangsmaterial ähnlich wie herkömmlicher Baustahl verhält, wird das fertige Bauteil starr und verformungsresistent, wodurch es ideal für Einbruchschutz-Sicherheitszellen ist.

Härte und Bearbeitbarkeit: Die endgültige Härte von 470–510 HV macht mechanisches Beschneiden oder Stanzen äußerst schwierig und führt schnell zu Werkzeugverschleiß. Daher werden die meisten Beschneidevorgänge an fertigen PHS-Bauteilen mittels Laserschneiden (siehe SSAB technische Daten ) oder mithilfe spezieller Hartstanzwerkzeuge unmittelbar vor dem vollständigen Abkühlen des Teils durchgeführt.

Gängige PHS-Güten und chemische Zusammensetzung

Während 22MnB5 weiterhin die Standardgüte der Branche bleibt, hat die Nachfrage nach noch leichteren und festeren Bauteilen zur Entwicklung mehrerer Varianten geführt. Ingenieure wählen die Güten üblicherweise basierend auf dem Kompromiss zwischen maximaler Festigkeit und erforderlicher Duktilität zur Energieaufnahme aus.

• PHS1500 (22MnB5): Die Standardqualität mit einer Zugfestigkeit von etwa 1500 MPa. Sie enthält ca. 0,22 % Kohlenstoff, 1,2 % Mangan und Spuren von Bor. Sie vereint Festigkeit mit ausreichender Zähigkeit für die meisten Sicherheitsanwendungen.
• PHS1800 / PHS2000: Neuere Sorten mit ultrahohen Festigkeitswerten, die die Zugfestigkeit auf 1800 bzw. 2000 MPa erhöhen. Diese erreichen eine höhere Festigkeit durch leicht erhöhten Kohlenstoffgehalt oder modifizierte Legierungen (z. B. Silizium/Niob), weisen jedoch möglicherweise eine geringere Zähigkeit auf. Sie werden für Bauteile eingesetzt, bei denen allein die Eindringfestigkeit im Vordergrund steht, wie beispielsweise Stoßfängerträger oder Dachschienen.
• Duktile Sorten (PHS1000 / PHS1200): Auch bekannt als Presshärtende Stähle (PQS), sind diese Sorten (wie PQS450 oder PQS550) so ausgelegt, dass sie nach dem Härten eine höhere Dehnung (10–15 %) beibehalten. Sie werden häufig in „weichen Zonen“ einer B-Säule eingesetzt, um Crashenergie zu absorbieren, anstatt sie weiterzuleiten.

Die chemische Zusammensetzung wird streng kontrolliert, um Probleme wie Wasserstoffversprödung, insbesondere bei höheren Festigkeitsklassen, zu vermeiden. Der Kohlenstoffgehalt wird im Allgemeinen unter 0,30 % gehalten, um eine angemessene Schweißbarkeit sicherzustellen.

Beschichtungen und Korrosionsbeständigkeit

Unbeschichtetes Stahlmaterial oxidiert schnell, wenn es auf 900 °C erhitzt wird, wobei sich eine harte Zunderschicht bildet, die Stanzwerkzeuge beschädigt und nach der Umformung durch abschleifende Verfahren (Sandstrahlen) gereinigt werden muss. Um dies zu vermeiden, verwenden die meisten modernen PHS-Anwendungen vorgestrichene Bleche.

Aluminium-Silizium (AlSi): Dies ist die dominierende Beschichtung für das direkte Warmumformen. Sie verhindert Zunderbildung während des Aufheizens und bietet eine barriereartige Korrosionsschutzfunktion. Die AlSi-Schicht bildet während der Aufheizphase eine Legierung mit dem Eisen des Stahls, wodurch eine robuste Oberfläche entsteht, die Gleitreibung in der Presseform standhält. Im Gegensatz zu Zink bietet sie keinen galvanischen (selbstheilenden) Korrosionsschutz.

Zink (Zn)-Beschichtungen: Zinkbasierte Beschichtungen (verzinkt oder galvannealiert) bieten einen hervorragenden kathodischen Korrosionsschutz, was besonders wertvoll für Bauteile ist, die feuchten Umgebungen ausgesetzt sind (wie beispielsweise Schwellerverkleidungen). Allerdings kann das herkömmliche Heißumformen Flüssigmetallversprödung (LME) verursachen, bei der flüssiges Zink in die Korngrenzen des Stahls eindringt und Mikrorisse bildet. Spezielle „indirekte“ Verfahren oder „Vorkühlungs“-Techniken sind oft erforderlich, um PHS mit Zinkbeschichtung sicher zu verarbeiten.

Wesentliche ingenieurtechnische Vorteile

Die Einführung von pressgehärtetem Stahl wurde durch spezifische ingenieurtechnische Herausforderungen beim Fahrzeugdesign vorangetrieben. Dieses Material bietet Lösungen, die kaltumgeformte hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA) oder Dual-Phase-Stähle (DP) nicht liefern können.

• Extreme Leichtbauweise: Durch die Nutzung von Festigkeiten von 1500 MPa und mehr können Ingenieure die Bauteildicke reduzieren (Downgauging), ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Ein Bauteil, das früher 2,0 mm dick war, kann bei PHS auf 1,2 mm verringert werden, was erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht.
• Keine Rückfederung: Bei der Kaltumformung neigen hochfeste Stähle dazu, nach dem Öffnen des Werkzeugs in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren („Springback“), was die Maßhaltigkeit erschwert. PHS wird heiß und weich (Austenit) umgeformt und härtet unter Einspannung im Werkzeug aus. Dadurch wird die Geometrie fixiert, was nahezu keinen Federweg und außergewöhnliche Maßgenauigkeit ermöglicht.
• Komplexe Geometrien: Da die Umformung erfolgt, während der Stahl formbar ist (~900 °C), können komplexe Formen mit tiefen Zügen und engen Radien in einem einzigen Hub geformt werden – Geometrien, die bei Verwendung von kaltem ultrahochfestem Stahl reißen oder brechen würden.

Typische Automobil-Anwendungen

PHS ist das bevorzugte Material für den „Sicherheitskäfig“ moderner Fahrzeuge – die starre Struktur, die darauf ausgelegt ist, Insassen bei einem Unfall zu schützen, indem sie das Eindringen in den Fahrgastraum verhindert.

Wichtigen Komponenten

Zu den Standardanwendungen gehören A-Säulen, B-Säulen, Dachschienen, Tunnelverstärkungen, Schweller, und Tür-Eindringbalken . In jüngerer Zeit haben Hersteller begonnen, PHS in Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge zu integrieren, um die Module vor Seitenaufprallen zu schützen.

Maßgeschneiderte Eigenschaften

Durch fortschrittliche Fertigungstechniken ist ein „Tailored Tempering“ möglich, bei dem bestimmte Zonen eines einzelnen Bauteils (wie der untere Teil einer B-Säule) langsamer abgekühlt werden, um weich und duktil zu bleiben, während der obere Bereich vollständig gehärtet wird. Diese Kombination optimiert das Bauteil hinsichtlich des Widerstands gegen Eindringung und der Energiedissipation.

Für Hersteller, die diese fortschrittlichen Werkstoffe einführen möchten, ist die Zusammenarbeit mit spezialisierten Fertigungspartnern unerlässlich. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology bieten umfassende Lösungen für Automobil-Stanzteile und sind in der Lage, Anforderungen mit hohen Presskräften (bis zu 600 Tonnen) zu bewältigen sowie den präzisen Werkzeugbedarf für komplexe Fahrzeugbauteile von der schnellen Prototypenerstellung bis zur Serienproduktion nach IATF 16949-Standard zu managen.

Fazit

Die Eigenschaften von pressgehärtetem Stahl stellen eine entscheidende Synergie zwischen Metallurgie und Fertigungsprozess dar. Durch die Phasenumwandlung von Ferrit zu Martensit erreichen Ingenieure ein Material, das formbar genug für komplexe Designs ist und gleichzeitig stark genug, um Leben zu schützen. Während die Festigkeitsklassen sich hin zu 2000 MPa und darüber entwickeln, wird PHS eine tragende Säule der Fahrzeugsicherheit und Leichtbaustrategien bleiben.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen Heißumformung und Presshärtung?

Es gibt keinen Unterschied; die Begriffe werden synonym verwendet. „Presshärtung“ bezieht sich auf den metallurgischen Härtungsprozess, der in der Presse stattfindet, während „Heißumformung“ das Umformverfahren beschreibt. Beide beschreiben dieselbe Fertigungssequenz zur Herstellung hochfester martensitischer Stahlteile.

2. Warum wird Bor zu pressgehärtetem Stahl hinzugefügt?

Bor wird in geringen Mengen (0,002–0,005 %) zugegeben, um die Durchhärtbarkeit des Stahls erheblich zu erhöhen. Es verzögert die Bildung weicherer Gefüge wie Ferrit und Perlit während der Abkühlung und stellt sicher, dass der Stahl sich vollständig in hartes Martensit umwandelt, selbst bei den Abkühlgeschwindigkeiten, die in industriellen Pressformen erreicht werden.

3. Kann pressgehärteter Stahl geschweißt werden?

Ja, PHS ist schweißbar, erfordert jedoch spezifische Parameter. Da das Material typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,22 % aufweist, ist es mit Widerstandspunktschweißen (RSW) und Laserschweißen kompatibel. Beim Schweißen wird jedoch die Wärmeeinflusszone (HAZ) leicht angelockert, was in der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Bei AlSi-beschichteten Stählen muss die Beschichtung (mittels Laserablation) entfernt oder sorgfältig beim Schweißen behandelt werden, um eine Verschmutzung der Schmelzzone zu verhindern.