Presshärtstahl

Presshärtstähle, international als Press Hardening Steel (PHS) geführt, sind für das Presshärten ausgelegte Vergütungsstähle. Im Anlieferungszustand besitzen sie eine moderate Festigkeit, werden nach dem Austenitisieren im heißen Zustand umgeformt und erreichen ihre Endfestigkeit durch die anschließende Abschreckhärtung im Werkzeug.

Werkstoffaufbau und Gefügeumwandlung

Werkstoffseitig handelt es sich um borlegierte Mangan-Bor-Stähle; der bekannteste Vertreter ist 22MnB5. Kohlenstoff und Mangan bestimmen die erreichbare Härte des Martensits, während die geringe Zugabe von Bor die Umwandlung in weichere Gefügebestandteile (Ferrit und Perlit) verzögert. Dadurch genügt bereits die Wärmeabfuhr über die gekühlten Werkzeugflächen, um das austenitisierte Blech vollständig martensitisch umzuwandeln.

Während der Stahl bei Raumtemperatur nur begrenzte Dehnung zulässt, weist er im austenitischen Zustand bei Ofentemperatur ein hohes Umformvermögen und geringe Fließspannungen auf. So lassen sich crashrelevante Strukturbauteile wie A- und B-Säulen, Dachrahmen oder Schwellerverstärkungen fertigen, die kalt nicht mehr formbar oder wegen starker Rückfederung nicht maßhaltig herstellbar wären.

Oberflächenbeschichtungen

Unbeschichteter Stahl verzundert im Ofen bei Kontakt mit Luftsauerstoff. Die harte Zunderschicht erhöht den Werkzeugverschleiß und muss nach dem Pressen durch Strahlen entfernt werden, bevor das Bauteil geschweißt oder lackiert werden kann. In der Großserie werden deshalb überwiegend vorbeschichtete Bänder eingesetzt:

Aluminium-Silizium-Beschichtung (AS / AlSi)

Die am weitesten verbreitete Ausführung für das direkte Presshärten. Beim Erwärmen im Ofen diffundiert Eisen aus dem Grundwerkstoff in die Auflage und bildet eine temperaturbeständige Eisen-Aluminium-Silizium-Schicht, die vor Verzunderung schützt. Dafür verlangt sie eine genaue Einhaltung von Aufheizdauer und Ofentemperatur, damit die Schicht schweißbar und haftfest entsteht.

Zinkbasierte Beschichtung (GI / GA)

Bietet im Unterschied zu AlSi aktiven kathodischen Korrosionsschutz, wie er an korrosionsbelasteten Fahrwerks- oder Unterbodenbauteilen gefragt ist. Bei direkter Warmumformung besteht jedoch die Gefahr von flüssigmetallinduzierter Rissbildung durch flüssiges Zink unter Zugspannung. Zinkbeschichtete Stähle werden daher häufig im indirekten Verfahren verarbeitet oder unter eng geführten Temperaturfenstern umgeformt.

Besonderheiten in der Verarbeitung

• Verhalten im Warmkontakt. Die Reibung zwischen heißem, beschichtetem Blech und der Werkzeugoberfläche liegt höher als beim geschmierten Kaltumformen, und Beschichtungsabrieb setzt sich leicht an den Wirkflächen und der Ziehkante fest. Radien und Einlaufwege werden darauf abgestimmt.
• Empfindlichkeit gegen vorzeitiges Abkühlen. Berührt die Platine beim Einlegen einzelne Werkzeugbereiche zu früh, kühlt sie dort vor dem eigentlichen Umformhub ab. Die örtlich ansteigende Festigkeit behindert den Materialfluss und begünstigt Einschnürungen.
• Trennen und Lochen im gehärteten Zustand. Nach der Martensitumwandlung führt mechanisches Scherschneiden zu hohen Schnittkräften, Schneidenausbrüchen und einer rissgefährdeten Schnittkante. Wo nicht vor dem Härten im weichen Zustand geschnitten werden kann, übernimmt meist eine Laserschneidanlage den Fertigbeschnitt.
• Kombination im Zuschnitt. Presshärtstähle werden auch als Tailored Blanks eingesetzt – etwa als geschweißte Platine aus einer härtbaren und einer duktiler bleibenden Güte oder mit abgestufter Blechdicke. Bei AlSi-beschichteten Blechen muss im Nahtbereich vor dem Laserschweißen die Beschichtung abgetragen werden, damit kein Aluminium in die Schmelze gelangt und die Naht schwächt.