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MBW® – Mangan-Bor-Stahl zum Warmumformen

Einsatzgebiete von Mangan-Bor-Stählen MBW®

Unsere presshärtbaren Mangan-Bor-Stähle MBW® bieten höchste Festigkeiten nach der Warmumformung bei gleichzeitig guten Umformeigenschaften und ermöglichen so Gewichtseinsparungen beim Einsatz für chrashrelevante Strukturbauteile im Fahrzeugbau.

  • Die Einstellung der Bauteileigenschaften erfolgt im Gegensatz zur Kaltumformung hochfester Stähle im Wesentlichen durch den Prozess der Wärmebehandlung und der anschließenden Abkühlung im Werkzeug und weniger durch die Umformung oder durch angepasste Legierungskonzepte.
  • Warmumgeformte Bauteile zeichnen sich zusätzlich durch die äußerst geringe Rückfederung aus, wodurch die Fertigung höchstmaßhaltiger Bauteile ermöglicht wird.
  • Werkstoffportfolio umfasst höchste Festigkeiten bis 2.000 MPa nach der Warmumformung.
  • Aluminium-Silizium-beschichtete Mangan-Bor-Stähle sind gegen eine Verzunderung, die bei der Warmumformung typischerweise auftritt, geschützt. Dies sorgt für eine Standzeiterhöhung bei den Umformwerkzeugen. Darüber hinaus wirkt der AS-Überzug auch nach der Warmumformung als Korrosionsschutz durch Barrierewirkung.
  • Werkstoffeigenschaften werden im Zuge der Wärmebehandlung eingestellt, die im Weiteren die Beanspruchbarkeit der Bauteile charakterisieren.
Oberflächenveredelung
UC ZE/EG Z/GI ZF/GA ZM AS
Stahlsorte Vergleichsgüte
MBW® 500 - #25cf
MBW® 600 - #25cf
MBW-W® 1500 - #25cf
MBW-K® 1500 - #25cf
MBW® 1500 - #25cf
MBW-K® 1900 - #25cf
Mangan-Bor-Stahl zum Warmumformen in Anlehnung an VDA 239-100.

Hinweise für die Anwendung und Verarbeitung

Werkstoffcharakteristik

Mangan-Bor-Stähle zählen zu den Vergütungsstählen. Die in dieser Stahlfamilie zugrunde liegenden Werkstoffkonzepte weisen eine ausgewählte und aufeinander abgestimmte chemische Zusammensetzung auf, die eine Härtungsbehandlung (Warmumformung) ermöglichen. Das im Lieferzustand vorliegende ferritisch-perlitische Gefüge wird dabei in ein rein martensitisches Gefüge umgewandelt. Durch diesen Verarbeitungsprozess können beim MBW® 1500+AS beispielsweise die Mindestzugfestigkeiten von 500 MPa im Anlieferungszustand auf bis zu 1.500 MPa erhöht werden. Das ZTU-Diagramm veranschaulicht das Umwandlungsverhalten bei einer Austenitisierungstemperatur von 900 °C, einer Haltedauer von 5 Minuten und einer Aufheizung in 1 Minute. Auch bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten sind noch vollständig martensitische Gefüge erzielbar.

ZTU-Diagramm Umwandlungsverhalten MBW® 1500

ZTU-Diagramm Umwandlungsverhalten MBW® 1500

Beispielgefüge im Anlieferungszustand: Ferrit, Perlit

Im Anlieferungszustand: Ferrit, Perlit

Beispielgefüge nach Presshärten MBW

Beispielgefüge nach Presshärten

Als Partner für die Warmumformung bietet thyssenkrupp nicht nur die passenden Werkstoffe, sondern auch die Einrichtungen, um beispielsweise die optimalen Prozessparameter für die Warmumformung ermitteln zu können. Zu diesen Einrichtungen gehört ein eigenes Versuchsfeld mit modernsten Warmumformanlagen, das ein Nachstellen der in der Serienfertigung eingesetzten Prozesse im Labormaßstab ermöglicht. So kann die Fahrzeugentwicklung von der Bauteilkonzeption bis zur Serienreife durch Analysen (Thermografie, Umformung, Simulation etc.) und Troubleshooting umfassend begleitet werden. Darüber hinaus können Prozess, Bauteilmachbarkeit und Gefüge durch FEM-Simulationen bei thyssenkrupp untersucht werden.

Analog zu den kaltumgeformten Güten kann auch eine Umformanalyse an Warmumformbauteilen durchgeführt werden.

Umformen

Mangan-Bor-Stähle verfügen über ein hervorragendes Warmumformverhalten. Im Austentisierungstemperaturbereich ist das Umformvermögen dieser Stahlsorten vergleichbar mit dem von weichen Tiefziehstählen bei Raumtemperatur. Hierdurch bedingt lassen sich in einer Umformstufe Bauteile mit komplexen Geometrien bei geringen Pressenkräften fertigen. Die Einstellung der Bauteileigenschaften erfolgt im Gegensatz zur klassischen Kaltumformung im Wesentlichen durch die Abkühlung im Werkzeug und weniger durch die Umformung oder durch angepasste Legierungskonzepte. Durch die gezielte Steuerung der Abkühlung im Werkzeug (Tailored Tempering Verfahren) lassen sich zudem Bauteile mit graduierten Funktionseigenschaften herstellen.

Durch die Warmumformung werden neue Möglichkeiten bei der Bauteilfertigung eröffnet. Die Änderung von Prozessparametern ermöglicht eine gezielte Einstellung der gewünschten Bauteileigenschaften, z. B. bei der Festigkeit oder der Restdehnung, um u. a. ein optimales Crashverhalten einzustellen.

Als Verfahren sind heute die direkte und indirekte Warmumformung üblich. Der einstufige Prozess (direkte Warmumformung) ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren. Es eignet sich besonders für die Verarbeitung von Aluminium-Silizium-beschichteten Mangan-Bor-Stählen. Diese Beschichtung bietet einen guten Schutz vor der Verzunderung, die bei der Warmumformung typischerweise auftritt, und sorgt somit für eine Standzeiterhöhung bei den Umformwerkzeugen.

Der zweistufige Prozess (indirekte Warmumformung) erlaubt die Verarbeitung von feuerverzinktem Material, ist aber aufgrund vorgelagerter Kalt- und anschließender Warmumformung aufwändiger und kostenintensiver.

Das Tailored Tempering oder partielle Presshärten bietet die Möglichkeit, partiell unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Dehnung in einem Bauteil zu vereinen. Hierbei werden über eine gezielte Temperaturführung im Warmumformprozess die lokal gewünschten Bauteileigenschaften erzeugt. So lassen sich die gewünschten mechanischen Eigenschaften über die Wahl unterschiedlicher Gefügeumwandlungen einstellen.

Warmumgeformte Bauteile zeichnen sich zusätzlich durch eine äußerst geringe Rückfederung aus, wodurch die Produktion höchstmaßhaltiger Bauteile ermöglicht wird.

Verarbeitungshinweise zum Fügen

Mangan-Bor-Stähle zum Warmformhärten sind sowohl im Anlieferungs- als auch im warmumgeformten (gehärteten) Zustand in artreinen und in Mischverbindungen mit anderen gängigen Stahlsorten schweißgeeignet.

Voraussetzung hierfür sind auf den Werkstoff abgestimmte Schweißparameter. Insbesondere sind das Widerstandspunkt-, das Schutzgas- sowie das Laserstrahlschweißverfahren anwendbar.

Widerstandspunktschweißen

Das Widerstandspunktschweißen wird bevorzugt eingesetzt, weil es mehrere Vorteile bietet. Dazu zählen gute Automatisierbarkeit, geringer Bauteilverzug und Verzicht auf Schweißzusatzwerkstoffe. Im Vergleich zu Stählen mit niedrigeren Festigkeiten müssen beim Widerstandspunktschweißen höhere Elektrodenkräfte und längere Schweißzeiten verwendet werden – wahlweise als Mehrimpulsschweißungen in Anlehnung an DIN EN ISO 18278-2. Die Schweißbereiche sind sowohl in artreinen als auch in Mischverbindungen für diese Festigkeitsklasse groß. Die Punktschweißverbindungen sind relativ duktil. Sie versagen im Meißeltest trotz der hohen Werkstofffestigkeit und Härte in der Schweißverbindung in der Regel durch Mischbruch mit relativ hohem Ausknöpfanteil. Die Verbindungsfestigkeiten folgen in ihrer Höhe den Festigkeiten der an der jeweiligen Verbindung beteiligten Grundwerkstoffe und werden bei Mischverbindungen naturgemäß durch den weicheren Fügepartner beeinflusst.

Lichtbogenlöten und -schweißen MIG/MAG

Bei den Lichtbogenverfahren kommt es zu einer Materialerweichung in der Wärmeeinflusszone, diese sollte neben dem eingesetzten Zusatzwerkstoff durch den Konstrukteur berücksichtigt werden. Die durch die Warmumformung thermisch beeinflusste AS-Beschichtung kann gerade bei Verbindungen mit Z-beschichteten Stahlfeinblechen zu einer Einschränkung der Lichtbogenstabilität führen.

Das MIG-Löten bzw. der Sonderprozess „Cold Metal Transfer“ zeigt hierbei deutliche Vorteile bzgl. Prozessstabilität und Nahtgeometrie gegenüber dem Standardprozess Metallaktivgasschweißen (MAG).

Die in der Regel eingesetzten Standardzusätze G4Si1 (MAG) und das Kupferlot CuAl7 (MIG-Löten) erreichen ausreichende Verbindungsfestigkeiten. Um das hohe Festigkeitspotenzial des Werkstoffes auszuschöpfen, sollten möglichst kerbfreie Verbindungen hergestellt werden. Durch eine anschließende Wärmebehandlung bzw. Vergütung des Bauteils mit Schweißnaht können in Sonderfällen mit geeigneten Zusatzwerkstoffen Härtesäcke in der Wärmeeinflusszone vermieden und kann somit das Festigkeitspotenzial des Grundwerkstoffs ausgenutzt werden.

Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen von MBW®-Stählen ist sowohl mit CO2- als auch mit Festkörperlasern gut möglich. Das Schweißen mit CO2-Lasern geschieht unter Verwendung der gängigen Schutzgase. Im unvergüteten Zustand sollte die Feueraluminierung vor dem Laserschweißen lokal entfernt werden, da es sonst zu festigkeitsmindernden AlSi-Einschlüssen kommen kann. Im vergüteten Zustand ist die Beschichtung durchlegiert und braucht nicht entfernt zu werden. Grundsätzlich ist zu beachten, dass es in der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht zu einem Festigkeitsabfall des Grundwerkstoffes kommt. Dieser kann durch erneute Vergütung beseitigt werden.

Betriebsfestigkeit und Crashverhalten

Mangan-Bor-Stähle werden gezielt für die Warmumformung angeboten. Erst durch die Wärmebehandlung beim Presshärten werden die Werkstoffeigenschaften eingestellt, die im Weiteren die Beanspruchbarkeit des Bauteils charakterisieren. Durch den eindeutigen Haupteinfluss des Presshärtens auf die Werkstoffeigenschaften muss die Beschreibung der Werkstoffeigenschaften durch den Bauteilhersteller erfolgen. Im Allgemeinen ist jedoch zu sagen, dass aufgrund des sehr hohen Festigkeitsniveaus diese Stähle für Bauteile eingesetzt werden, die während des Crashs nicht deformieren sollen.

Tailored Tempering

Tailored Tempering, etablierter und patentierter Prozess für die Warmumformung, bietet die Möglichkeit, partiell unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Dehnung in einem monolithischen Bauteil zu vereinen.

Kundennutzen

  • Einzelbauteilfertigung, d. h. Herstellung von Bauteilen mit lokal unterschiedlichen und präzise eingestellten Dehnungs- und Festigkeitseigenschaften in einem Arbeitsschritt aus einem homogenen Stahlblech, das Verschweißen unterschiedlicher Bleche entfällt
    • Einsparung von Prozessschritten, da unterschiedliche Bauteileigenschaften in einem einzigen Arbeitsschritt eingestellt werden
    • Deutliche Gewichtsreduzierung bei attraktiven Leichtbaukosten durch Materialeinsparung
  • Hervorragende Crash-Performance durch gezielte Einstellung lokal hoher Festigkeiten kombiniert mit lokal hohen Restbruchdehnungswerten
  • Präzise Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften
  • Geringer Härteübergangsbereich für zielgenaue und anforderungsgerechte Crash-Auslegung
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