Dualphasen-Stahl – maßgeschneidertes Portfolio für modernen Leichtbau

Die warm- und kaltgewalzten Dualphasen-Stähle bieten aufgrund ihrer aufeinander abgestimmten Gefügeanteile von Ferrit und Martensit eine besonders attraktive Eigenschaftskombination von hoher Festigkeit, niedrigem Streckgrenzenverhältnis, guter Kaltumformbarkeit und Schweißeignung.

Das hohe Verfestigungsvermögen reduziert die Gefahr örtlicher Einschnürung des Werkstoffes bei der Umformung und führt bereits bei geringen Verformungsgraden zu einer starken Anhebung der Bauteilstreckgrenze in den verformten Bereichen.

Das Gefüge besteht vornehmlich aus einer weichen ferritischen Matrix, in die eine zweite, harte, überwiegend martensitische Phase inselförmig eingelagert ist. Der Ferritanteil beträgt bis zu 90 %. Neben Martensit können auch Anteile von Restaustenit und Bainit vorhanden sein, die die Umformbarkeit verbessern. Bei einer Nitalätzung werden die Korngrenzen gut kontrastiert. Mit der Farbniederschlagsätzung nach Klemm werden die Kornflächen kontrastiert. Die Kornflächen des Ferrits erscheinen in Braun- oder Blautönen, Martensit wird braun; strukturschwacher Martensit und Restaustenit erscheinen weiß.

Beispielgefüge kaltgewalzter DP-Stähle

Warmgewalzte Dualphasen-Stähle DP-W®neignen sich besonders für die gewichtssparende Herstellung von Rädern, Fahrwerksteilen, Profilen, Karosserieverstärkungen usw. Kaltgewalzte Dualphasen-Stähle DP-K® sind sowohl für schwierige Strukturteile wie z.B. Längs- und Querträger als auch für streckgezogene Außenteile mit besonderer Anforderung an die Beulfestigkeit (Türen, Dächer, Kofferraumdeckel) geeignet. Die Auswahl der einzusetzenden Stahlsorte für ein bestimmtes Festigkeitsniveau muss auch mit besonderem Blick auf die tatsächlich zu erwartende Umformbeanspruchung getroffen werden. Auf diese Weise können die individuellen Vorteile optimal genutzt und die Stähle damit auch für schwierige Ziehteile eingesetzt werden.

Aufgrund des guten Verfestigungsverhaltens, ausgedrückt durch einen relativ hohen n-Wert, besitzen die Dualphasen-Stähle einen hohen Widerstand gegen lokales Einschnüren, da aufgrund der höheren Verfestigung das Material großflächiger an der Umformzone beteiligt wird. Die für die Verfestigung günstige Gefügestruktur von Dualphasen-Stählen aus hartem Martensit und weichem Ferrit sowie die ausgeprägte Kantenaufhärtung beim mechanischen Schneiden reduzieren das gute Umformpotenzial im Schnittkantenbereich deutlich. Bei der konstruktiven Festlegung z.B. von Durchstellungen oder der Höhe von abgestellten Flanschen in Eckbereichen ist dieses zu berücksichtigen. Kleinste Biege- und Ziehradien sind relativ zur jeweiligen Blechdicke zu vermeiden. In solchen Fällen empfiehlt sich die Wahl der Streckgrenzen-optimierten Varianten. Zur Verbesserung der Maßhaltigkeit der umgeformten Bauteile ist eine möglichst homogene Plastifizierung einzustellen. Die Pressen sollten über ein hohes Potenzial an Press- und Niederhalterkräften verfügen. Als Richtwert sollte hierbei das Zugfestigkeitsniveau im Vergleich zu bekannten Werkstoffen betrachtet werden. Auch vorgeschaltete Richtanlagen sind entsprechend auszulegen. Besonderes Augenmerk ist mit zunehmendem Festigkeitsniveau der Dualphasen-Stähle auf die Auslegung der Umform- und Schneidwerkzeuge zu legen. Speziell beim Schneiden ist die Anforderung an die Werkzeuge hoch. Neben einer ausreichenden Härte von > 60 HRC muss durch die Auswahl geeigneter Werkzeugstoffe gleichzeitig eine hohe Duktilität gewährleistet sein, um ein frühzeitiges Ausbrechen der Schneidkanten zu vermeiden. Mit Hilfe einer gezielten Verrundung der Schneidkanten im Größenbereich von ca. 50 μm kann die Kantenstabilität der Werkzeuge optimiert werden. Der Schneidspalt ist unter Berücksichtigung der jeweiligen Blechdicke des Werkstoffes auszulegen und sollte als Richtwert ≥ 10 % der Blechdicke betragen.

Hinsichtlich der Umformwerkzeuge muss eine ausreichende Stützhärte erzielt werden. Üblich ist ein segmentierter Aufbau der Umformwerkzeuge. In höchstbeanspruchten Bereichen kann der Einsatz von Schnellarbeitsstählen notwendig sein. Hierzu zählen der Schnellarbeitsstahl 1.3343 oder entsprechende pulvermetallurgisch hergestellte Sinterwerkstoffe. Zusätzlich können Werkzeugbeschichtungen wie eine CVD (TiC-TiN-Beschichtung) den Werkzeugverschleiß minimieren.

Die DP-Stähle sind sowohl in Verbindung mit sich selbst als auch in Mischverbindung mit anderen gängigen Stahlsorten prinzipiell gut schweißgeeignet. Voraussetzung sind auf den Werkstoff abgestimmte Schweißparameter.

Zum Punktschweißen von Dualphasen-Stählen können die gleichen Einrichtungen wie zum Schweißen unlegierter Tiefziehstähle verwendet werden. Im Vergleich zu Stahlsorten gleicher Dicke mit niedrigeren Festigkeiten verschiebt sich der Schweißbereich tendenziell zu niedrigeren Strömen. Gleichzeitig verengt sich der Einstellbereich geringfügig, was jedoch durch Anhebung der Elektrodenkräfte und Schweißströme weitgehend kompensiert werden kann. Auch eine Verlängerung der Stromfluss-Zeiten oder etwa die Anwendung von Mehrimpulsschweißen in Anlehnung an SEP 1220-2 kann sich günstig auf die Breite des Schweißbereichs auswirken. Beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche müssen die Schweißströme aufgrund der höheren Leitfähigkeiten des Überzuges gegenüber dem Grundwerkstoff angehoben werden. Darüber hinaus wirkt sich eine Erhöhung der Elektrodenkraft und der Schweißzeit günstig auf den Schweißbereich aus.

Neben der Blechsorte, -oberfläche und -dickenkombination spielen andere Faktoren, wie z.B. der verwendete Elektrodentyp, eine wichtige Rolle bei der Festlegung von optimalen Fügeparametern.

Im Merkblatt DVS 0938-2 „Lichtbogenlöten“ wird das Löten von Stählen bis zu einer Zugfestigkeit von ca. 500 MPa beschrieben. Da der beschriebene Werkstoff oberhalb dieser Zugfestigkeit liegt, wird empfohlen, bauteilspezifisch die Eignung des Lötens zu überprüfen.

Dualphasen-Stähle besitzen ein hohes Verfestigungsvermögen bei gleichzeitig hohen Streckgrenzenwerten. Hohe Streckgrenzenwerte und hohe Zugfestigkeitswerte belegen hohe Dauerfestigkeitsniveaus. Durch die feine und disperse Verteilung von Martensit und Ferrit ist keine negative Beeinflussung der Schwingfestigkeit durch die Festigkeitsdifferenz zwischen den Gefügebestandteilen Ferrit und Martensit festzustellen. Höhere Festigkeitswerte durch Kaltverfestigung infolge der Umformung einschließlich des Bake-Hardening-Effektes tragen zu dem vorteilhaften Werkstoffverhalten bei. Durch das hohe Festigkeitsniveau und das hohe Verfestigungsvermögen sind Dualphasen-Stähle ideal für crashenergieabsorbierende Bauteile geeignet.