Pressgehärteter Stahl | PHS-Stahl für die Automobilindustrie

Pressgehärteter Stahl (PHS) ist ein modernes Material, das in der modernen Fertigung und im Automobilbau weit verbreitet ist. PHS ist für seine hohe Festigkeit und außergewöhnliche Formbarkeit bekannt und hat sich zur bevorzugten Wahl für Komponenten entwickelt, die eine starke, leichte Struktur erfordern. 

Dieser Leitfaden befasst sich mit den Grundlagen von pressgehärtetem Stahl und untersucht seine mechanischen Eigenschaften, Produktionsprozesse, Anwendungen und Vorteile für die moderne Industrie.

Was ist pressgehärteter Stahl?

Pressgehärteter Stahl (PHS), auch heißgeprägter oder warmgeformter Stahl genannt, ist ein ultrahochfester Werkstoff. Dieser Stahl zeichnet sich durch sein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und seine Fähigkeit zur Formung komplexer Geometrien aus. Er wird häufig in A- und B-Säulen, Stoßfängerverstärkungen und Querträgern verwendet. 

Durch das Presshärten ist es möglich, aus ultrahochfestem Stahl komplexe und langlebige Teile zu formen, was mit herkömmlichen Methoden der Kaltverformung nur schwer oder gar nicht möglich wäre.

Der Herstellungsprozess umfasst das Erhitzen des Stahlrohlings auf etwa 900 °C, das Formen im heißen Zustand und das schnelle Abschrecken in gekühlten Formen. Diese Wärmebehandlung wandelt die Mikrostruktur des Stahls in einen vollständig martensitischen Zustand um, was für extrem hohe Festigkeit und verbesserte Verschleißfestigkeit sorgt. Das Schweißen von PHS ist ebenfalls sehr effektiv und mit verschiedenen Verbindungstechniken gut kompatibel.

Chemische Zusammensetzung von pressgehärtetem Stahl

Pressgehärteter Stahl besteht hauptsächlich aus einer kohlenstoffarmen Mangan-Bor-Legierung. Der Kohlenstoffgehalt ist relativ niedrig, wodurch sichergestellt wird, dass der Stahl vor der Wärmebehandlung duktil genug bleibt, um geformt zu werden. Mangan wird in größeren Mengen hinzugefügt, was sowohl die Haltbarkeit als auch die Robustheit verbessert und gleichzeitig die effektiven Schweißeigenschaften bewahrt.

Das entscheidende Element in der Zusammensetzung ist Bor, das normalerweise in kleinen Mengen von 0,002% bis 0,004% vorhanden ist. Selbst diese winzige Zugabe hat eine erhebliche Wirkung und verbessert die Härtbarkeit des Stahls. Während des Presshärtens trägt Bor dazu bei, dass sich der Stahl vollständig in Martensit umwandeln kann, die Mikrostruktur, die für die außergewöhnliche Festigkeit und Haltbarkeit des Materials verantwortlich ist.

Mechanische Eigenschaften von pressgehärtetem Stahl

• Hohe Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von pressgehärtetem Stahl kann bis zu 2000 MPa erreichen, was ihn zu einer der stärksten Optionen für strukturelle Anwendungen macht.

• Außergewöhnliche Streckgrenze

Eine typische Streckgrenze von etwa 1000 MPa ermöglicht es dem Stahl, hohen Belastungen ohne bleibende Verformung standzuhalten.

• Haltbarkeit und Härte

Die durch schnelle Abkühlung erreichte vollständig martensitische Mikrostruktur bietet hervorragende Härte und Verschleißfestigkeit und gewährleistet so auch unter schwierigen Bedingungen eine lang anhaltende Leistung.

• Maßgenauigkeit und Stabilität

Im Gegensatz zu herkömmlichen Stählen weist pressgehärteter Stahl nach der Formgebung kaum oder gar keine Rückfederung auf. Dadurch wird sichergestellt, dass die Komponenten ihre genauen Abmessungen beibehalten und richtig in komplexe Baugruppen passen.

• Temperaturabhängige Umformbarkeit

Bei erhöhten Temperaturen lässt sich pressgehärteter Stahl hervorragend formen. Dadurch ist die Herstellung komplexer Formen und Designs möglich, die mit herkömmlichen Kaltverformungsverfahren nicht möglich wären.

Der Presshärteprozess

Direkter Prozess

Der Rohling wird gleichmäßig auf etwa 900 °C erhitzt, damit die Mikrostruktur des Stahls vollständig austenitisiert. Sobald der Rohling die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird er schnell in die Formmatrize überführt. Noch heiß wird der Stahl in seine endgültige Geometrie gebracht. Gleichzeitig kühlt die Matrize das Material schnell ab, um seine hochfeste martensitische Mikrostruktur zu fixieren.

Dieser Ansatz ermöglicht komplexe Teiledesigns und einheitliche Materialeigenschaften im gesamten Teil.

Indirekter Prozess

Der indirekte Prozess beginnt mit der Formung des Stahlrohlings bei Raumtemperatur. Nach der ersten Formgebung wird der Stahl zugeschnitten und auf seine nahezu endgültigen Abmessungen gestanzt. Der Rohling wird dann erneut erhitzt und in einer gekühlten Matrize schnell abgeschreckt, wodurch der Stahl vollständig gehärtet wird.

Dieses Verfahren wird häufig für Teile mit anspruchsvoller Geometrie oder wenn eine spezielle Beschichtung erforderlich ist, gewählt.

Wichtige Schritte im Presshärteprozess

• Umformen und Abschrecken: Beim direkten Verfahren wird der Rohling im heißen Zustand umgeformt und sofort im Gesenk abgeschreckt. Beim indirekten Verfahren erfolgt zunächst die Umformung, anschließend das erneute Erwärmen und Abschrecken.
• Kühlungssteuerung: Das Kühlsystem der Matrize sorgt dafür, dass der Stahl schnell und gleichmäßig abkühlt. Diese kontrollierte Abkühlung ist entscheidend, um die gewünschte Härte und Festigkeit zu erreichen.

Anwendungen für pressgehärteten Stahl

Pressgehärteter Stahl ist ein wichtiges Material in der Automobilindustrie, insbesondere für sicherheitskritische Komponenten. Aufgrund seiner hohen Festigkeit, Maßgenauigkeit und Fähigkeit, komplexe Formen zu bilden, eignet er sich gut für crashsichere Strukturen. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

• A- und B-Säulen
• Türverstärkungen und Seitenaufprallträger
• Querträger und Dachreling
• Stoßfänger und Crash Management Systeme
• Komponenten zum Schutz von Elektrofahrzeugbatterien

Vorteile von PHS für die Automobilindustrie

Sicherheitsverbesserungen

PHS-Komponenten verbessern das Crashverhalten, indem sie Aufprallkräfte effizient absorbieren und übertragen. Ihre hohe Festigkeit sorgt dafür, dass sicherheitskritische Strukturen wie A- und B-Säulen intakt bleiben und tragen so zu einem besseren Schutz der Insassen bei.

Leichtbau

Die außergewöhnliche Festigkeit von PHS ermöglicht dünnere und leichtere Teile, was zur Reduzierung des Gesamtgewichts eines Fahrzeugs beiträgt. Das reduzierte Gewicht steigert die Energieeffizienz und reduziert die Schadstoffe, wodurch immer strengere gesetzliche Anforderungen erfüllt werden.

Optimierte Produktion

Durch die einfachere Erstellung komplexer Formen macht PHS mehrere Teile und Schweißnähte überflüssig. Diese Vereinfachung der Fertigung verkürzt die Montagezeit und verbessert die Gesamtqualität und Konsistenz der Fahrzeugstrukturen.

Kosteneffizienz im Laufe der Zeit

Obwohl PHS moderne Produktionsmethoden erfordert, führen sein geringes Gewicht und die Möglichkeit, Komponenten zu konsolidieren, zu Materialeinsparungen. Darüber hinaus reduzieren die Haltbarkeit und lange Lebensdauer von PHS-Teilen die Wartungs- und Ersatzkosten über den Lebenszyklus des Fahrzeugs.

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