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Hochfestes leicht umformen

Vom Stahl zum Bauteil aus der Perspektive der Fügetechnik
Hochfestes leicht umformen

Der Stahl SZBS 800 verbindet hohe Festigkeit mit guter Umformbarkeit. Arbeiten Anwender und Stahlhersteller früh zusammen, lässt er sich auch hinsichtlich der Fügetechnik optimieren. Über genormte Proben entfallen Optimierungsschleifen an Prototypenbauteilen, Bauteilentwicklung und die Inbetriebnahme der Fertigungsanlage können schneller erfolgen.

Die Anforderungen an Bauteile und diejenigen, die sie auslegen, steigen stetig. Faktoren wie Bauteilausnutzung, Funktionsintegration, Herstellbarkeit, Komplexität und nicht zuletzt die Kosten fließen in die Entwicklung ein. Dabei ist deren Wirkrichtung nicht gleich, so dass die Herausforderung deren harmonische Gewichtung ist. Das kann nicht mehr einzig und allein der Bauteilhersteller wahrnehmen, hier müssen auch die Halbzeughersteller mitwirken, um die Auswahl des Werkstoffes und dessen Verarbeitung zu unterstützen. Wichtig ist, dass der Werkstoffhersteller nicht erst am Ende des Entwicklungsprozesses hinzugezogen wird, sondern frühzeitig den Prozess begleitet. Die häufig sehr hoch gesteckten Ziele sind oft nicht aus dem standardisierten Werkstoffblatt abzuleiten. Hier muss anwendungsangepasst ein Material herausgegriffen und durch anwendungstechnische Untersuchungen für das spezielle Bauteil qualifiziert werden.

Stahlwerkstoffe folgen Gesetzmäßigkeit
Die Vielfalt der Stahlgüten scheint mit der Vielzahl ihrer Anwendungen zu korrelieren und die Fülle unterschiedlicher Bezeichnungen lässt auf eine große Bandbreite und viele Unterschiede schließen. Trotzdem lassen sich die momentan üblichen und eingesetzten Stähle sehr gut in einem Diagramm, in dem die Bruchdehnung über der Streckgrenze aufgetragen ist, darstellen und kategorisieren. Erkennbar ist, dass alle einer prinzipiellen Gesetzmäßigkeit folgen: Wählt man einen Werkstoff mit höherer Streckgrenze, geht die Bruchdehnung zurück. Grund dafür ist, dass diese Stähle auf einer ferritischen Grundmatrix beruhen und die Festigkeiten durch verschiedene Härtungsmechanismen erzielt werden.
Für eine höhere Festigkeit muss dem Verformen des Werkstoffes ein höherer Widerstand entgegengebracht werden. Da es sich in erster Linie – mit Ausnahme des Trip-Effektes, bei dem durch Umwandlung des Gefüges vom Austenit in Martensit Verformungen ermöglicht werden –, bei der Verformung um die Wanderung von Versetzungen im Metallgefüge handelt, muss diese Wanderung behindert werden. Die Versetzungsbewegung kann man auf metallurgischem sowie walztechnischem Weg durch Mischkristall-, Kornfeinungs-, Ausscheidungs- und Verformungshärtung gezielt beeinflussen und somit ein geeignetes Verhältnis zwischen Streckgrenze und Bruchdehnung erzeugen. Diese konventionellen Güten lassen sich im Feinblechbereich auch mit allen gängigen Schweißverfahren verarbeiten.
Mehrphasenprinzip erhält Umformvermögen
Der steten Forderung nach leistungsfähigeren Stählen, die bei einer Anhebung der Streckgrenze nicht so starke Konsequenzen in der Reduktion des Umformvermögens zeigen, haben die Stahlhersteller Rechnung getragen. Modernere Werkstoffkonzepte, wie der SZBS 800, basieren auf einem zusätzlichen Verfestigungsprinzip, dem Mehrphasenprinzip. Hier wird zusätzlich durch eine geregelte Temperaturführung in der Abkühlung der Blechwerkstoffe ein Mix verschiedener Gefügesorten erzeugt (hier ein Mischgefüge aus Bainit und Ferrit). Die Mischung aus harten und wenig duktilen sowie weichen und duktilen Gefügesorten erzeugt einen Werkstoff, der noch abgestimmter in seinen Festigkeits- und Verformungseigenschaften ist.
Solche Werkstoffe lassen sich ebenfalls gut mit allen üblichen Fügetechnologien verarbeiten. Über gezielte Abkühlbedingungen bietet sich zudem die Chance, die Verbindungseigenschaften positiv zu beeinflussen. Hier kann man durch geschickte Wahl der Zusatzwerkstoffe oder im Falle des Punktschweißens durch gezieltes Einstellen von Parametern wie Vorhalte- und Nachwärmzeit, durchaus noch Potenziale heben, die konventionelle Stähle nicht bieten.
SZBS 800 nutzt das Festigkeitspotenzial
Der SZBS 800 ist ein warmgewalzter Blechwerkstoff, der durch eine feine Verteilung von bainitischen und ferritischen Gefügeanteilen eine Zugfestigkeit von 800 bis 980 MPa erreicht. Hierbei gewährleistet er im Blechdickenbereich zwischen 2 und 3 mm mindestens 10 und zwischen 3 und 8 mm mindestens 12 % Bruchdehnung. Gerade diese Kombination aus hoher Festigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit ist bei diesem Warmband auf die Effekte durch das Mehrphasengefüge zurück zu führen. Der Werkstoff deckt so Einsatzbereiche ab, bei denen die Ausnutzung des hohen Festigkeitspotenzials im Vordergrund steht, wie im Mobilkranbau, bei Längs- und Querträgern im Nutzfahrzeugbereich und bei Sicherheitsteilen im Pkw. Neben den Anforderungen, die der hochfeste Werkstoff an die Umformtechnik stellt, muss gerade in dem genannten Anwendungsspektrum die Frage der Fügetechnik geklärt werden. Durch zukünftige Anwendungsfelder und die Blechdicke des Werkstoffes sind für die fügetechnische Bewertung die entsprechenden Kernfügetechniken, die es zu bewerten gilt, bereits definiert. In diesem Fall richtet sich das Augenmerk auf die Lichtbogenverfahren, im speziellen das MAG-Verfahren. Die Frage, die nun gestellt wird, ist: „Ist der Stahl schweißbar?“. Dies lässt sich auf Basis der Legierungszusammensetzung im Hinblick auf das Kohlenstoffäquivalent mit „ja“ beantworten. Jedoch ist dies nicht die Antwort, die bei dieser Frage in den meisten Fällen erwartet wird.
Gerade bei sicherheitsrelevanten Teilen sind die Trageigenschaften in den verschiedensten Lastfällen von entscheidender Bedeutung. Da diese aber nicht im Vorfeld einer Bauteilentscheidung bekannt sind, beziehungsweise in ihrer Vielfältigkeit abgebildet werden können, beschränkt man sich zunächst auf die Bestimmung der Tragfähigkeit unter quasistatischer Last, unter dynamisch schwingender Last und unter crashartiger Belastung unter dem Einsatz von Normproben.
Bauteileigenschaften spezifisch absichern
Im Falle des Werkstoffes SZBS 800, der insbesondere für Fahrwerksteile bestimmt ist, steht die Bewertung der Tragfähigkeit unter schwingender Beanspruchung im Vordergrund und bildet die Basis für seine weitere Beschreibung. Die Ergebnisse der ersten Wöhleruntersuchungen führen zu einem ersten Anhaltspunkt für die Leistungsfähigkeit einer Verbindungstechnik in Kombination mit einem Stahlwerkstoff. Die weitere Arbeit der Fügetechnik liegt jetzt darin, im Hinblick auf nun ausgewählte Bauteile weitere Potenziale zu heben, sofern die unter standardisierten Bedingungen erzielten Kennwerte noch nicht den Zielvorstellungen genügen. Dies geschieht unter Berücksichtigung von Kosten und Fertigungszeiten sowie -randbedingungen. Durch Anpassung der Prozessverläufe – und in diesem Fall des Schweißdrahtes – lassen sich die Geometrie der Verbindung sowie die metallurgischen Gegebenheiten in der Naht optimieren, denn gerade die thermomechanisch hergestellten Stahlsorten bieten hier Spielräume.
Nach der Absicherung der Bauteileigenschaften an genormten Proben, erfolgt beim Kunden die Umsetzung in ein Bauteil. Hier können die speziell für diese Anwendung ermittelten Prozessgrößen umgesetzt werden und brauchen anhand von Bauteilversuchen nur noch abgesichert zu werden. Durch den gemeinsamen Weg des Kunden und Stahlherstellers bei der Auswahl des Werkstoffes und der Fügetechnik an genormten Proben erspart man sich Optimierungsschleifen an Prototypenbauteilen und spart so Zeit bei der Bauteilentwicklung und der Inbetriebnahme der Fertigungsanlage.
Salzgitter Mannesmann;
Telefon: 05341/21-4594; E-Mail: w.fluegge@sz.szmf.de
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