Warmumformung

Warmumformung, auch Presshärten oder Formhärten genannt, ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metallbleche bei Temperaturen über der Rekristallisationstemperatur geformt werden. Die spezifische Temperatur für die Warmumformung variiert je nach verwendetem Metalltyp. Generell liegt die Temperatur für diesen Prozess zwischen 40 und 60 Prozent des Schmelzpunktes des jeweiligen Metalls. Im Gegensatz zur Kaltumformung, bei der das Material bei Raumtemperatur verarbeitet wird, ermöglicht die Warmumformung die Herstellung komplexerer und präziserer Formen mit einer höheren Festigkeit, da durch das Erhitzen des Metalls die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Duktilität verbessert werden, was das Material geschmeidiger und formbarer macht. 

Die Rekristallisationstemperatur ist die Temperatur, bei der ein verformtes Metall behandelt wird, um seine ursprüngliche Kristallstruktur wiederherzustellen, die durch mechanische Bearbeitung wie Walzen, Ziehen oder Schmieden verändert wurde. Während des Prozesses der Rekristallisation wachsen neue, spannungsfreie Kristallite, die die deformierten Strukturen ersetzen. Dies führt zu einer Verringerung der inneren Spannungen und einer Erhöhung der Duktilität des Materials.

Typischerweise liegt die Rekristallisationstemperatur bei etwa 50% bis 60% des Schmelzpunktes des Metalls, gemessen in Kelvin. Dies kann jedoch variieren, abhängig von der Art des Metalls, dem Grad der vorangegangenen Verformung und anderen Legierungselementen, die die Temperatur beeinflussen können. Der Rekristallisationsprozess ist entscheidend für die Wiederherstellung der Eigenschaften des Metalls und wird oft eingesetzt, um Materialien nach der Verformung zu behandeln und ihre Verarbeitbarkeit zu verbessern.

Typischerweise werden für die Warmumformung hochfeste Stahllegierungen verwendet, die bei hohen Temperaturen umgeformt und dann schnell abgekühlt (abgeschreckt) werden, um eine hohe Festigkeit zu erzielen. Beim Tiefziehen von Fahrzeugteilen, wird derzeit hauptsächlich der borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 verwendet, auch bekannt unter den Handelsnamen BTR 1650 und Usibor 1500. Dieser Mangan-Bor-Stahl zeichnet sich durch seine hohe Zugfestigkeit aus. Im Ausgangszustand beträgt die Zugfestigkeit etwa 500 MPa. Durch den Prozess des Presshärtens, kann die Festigkeit des Stahls auf bis zu 1.650 MPa erhöht werden. Diese erhebliche Steigerung der Festigkeit macht den 22MnB5 ideal für die Herstellung von sicherheitsrelevanten und hochbelastbaren Komponenten im Fahrzeugbau.

Warmumgeformte Bauteile erhalten ihre herausragende Festigkeit durch ein spezielles Herstellungsverfahren. Dieses Verfahren beginnt mit dem Erhitzen des Stahlblechs, das eine ferritisch-perlitische Ausgangsmikrostruktur aufweist, auf Temperaturen von etwa 900 bis 950°C. Diese Erhitzung verwandelt den Stahl in eine austenitische Mikrostruktur, macht das Material formbarer und erleichtert die Umformung von komplexen Geometrien.

Nachdem das Blech die gewünschte Form angenommen hat, wird es sehr schnell in einem speziell dafür entwickelten Werkzeug abgekühlt. Diese rasche Abkühlung, oft als Abschrecken bezeichnet, führt zu einer erneuten Umwandlung der Mikrostruktur des Stahls. Insbesondere die Bildung einer sehr harten Phasenstruktur namens Martensit ist für die hohe Festigkeit des Endprodukts verantwortlich. Martensitische Stähle zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aus, was sie ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Automobilindustrie macht, wie etwa bei der Herstellung von sicherheitskritischen Komponenten.

Durch diesen Prozess können warmumgeformte Bauteile eine wesentlich höhere Festigkeit aufweisen als Teile, die durch herkömmliche Kaltumformungsverfahren hergestellt werden.

Die Warmumformung bietet mehrere Vorteile, besonders in Industrien, die hohe Anforderungen an die Materialfestigkeit und Präzision stellen, wie die Automobilindustrie. Hier sind die wichtigsten Vorteile zusammengefasst:

1. Erhöhte Festigkeit und Haltbarkeit: Durch das Erhitzen des Metalls vor der Umformung und schnelles Abkühlen nach der Formgebung entsteht eine Mikrostruktur, die zu erhöhter Festigkeit führt. Insbesondere die Bildung von Martensit im Stahl erhöht dessen Härte und Verschleißfestigkeit, was für sicherheitskritische Bauteile entscheidend ist.

2. Komplexe Geometrien: Die höhere Formbarkeit des Metalls bei hohen Temperaturen ermöglicht die Herstellung komplexer und präziser Formen, die mit Kaltumformungsverfahren oft nicht möglich sind. Dies ist besonders vorteilhaft für die Entwicklung von Komponenten mit speziellen Designanforderungen.

3. Reduzierung von Spannungen: Da das Metall während des Warmumformungsprozesses plastischer ist, können interne Spannungen, die während der Umformung entstehen könnten, minimiert werden. Dies verbessert die allgemeine strukturelle Integrität des fertigen Bauteils.

4. Geringere Rückfederung: Warmumgeformte Bauteile neigen weniger dazu, nach der Formgebung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, was als Rückfederung bekannt ist. Dies führt zu höherer Genauigkeit und Passgenauigkeit in der Produktion.

5. Effizienz und Wirtschaftlichkeit: Obwohl die Warmumformung hohe Energiekosten für das Aufheizen des Materials erfordert, kann sie durch die Reduktion von Nachbearbeitungsschritten wie Schneiden, Schweißen oder weiteres Formen insgesamt kosteneffizienter sein. Die Produktionseffizienz wird auch durch die Möglichkeit erhöht, mehrere Fertigungsschritte in einem einzigen Prozess zu kombinieren.

6. Materialausnutzung: Die Fähigkeit, engere Toleranzen und komplexere Formen zu erreichen, hilft, den Materialverbrauch zu optimieren und Abfall zu reduzieren. Dies trägt zur Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses bei.

7. Verbesserte Duktilität: Die Wärmebehandlung erhöht die Duktilität bestimmter Metalle, was das Risiko von Rissen im Material während des Umformprozesses reduziert.