Weniger geht fast immer

Fokus

Die Verarbeitungseigenschaften dünnen Dualphasenstahls für exponierte Karosserieplatten bieten der Automobilindustrie neue Perspektiven. Mitarbeiter von Thyssenkrupp arbeiten intensiv mit verschiedenen Automobilherstellern an der Serieneinführung des Materials.

07. November 2018
Innovativer Leichtbau mit DP-K 290Y490T: Gerade mal 0,55 Millimeter dünn lässt sich dank eines neuen Dualphasenstahls die Außenhaut von Fahrzeugen konstruieren. Bild: Thyssenkrupp
Bild 1: Weniger geht fast immer (Innovativer Leichtbau mit DP-K 290Y490T: Gerade mal 0,55 Millimeter dünn lässt sich dank eines neuen Dualphasenstahls die Außenhaut von Fahrzeugen konstruieren. Bild: Thyssenkrupp)

Der Klimaschutz verlangt von den OEMs, ihre Flottenabgaswerte kräftig zu senken. Leichtbau heißt hier das Thema. Neue Stahlsorten und Materialverbünde, der Einsatz von Magnesium und kohlefaserversta¨rkten Kunststoffen sind hier unabdingbar. Aber auch mit neuen Varianten etablierter Materialien lässt sich noch viel erreichen, wie mit dem Dualphasenstahl DP-K 290Y490T.

Dualphasenstähle sind optimal für die Automobilindustrie. Kalt gewalzte Dual-Phasenstähle eignen sich bestens für komplex geformte Karosserieteile, wie Türen, Dächer, und Bauteile, die höhere Anforderungen an die Beulsteifigkeit stellen. Am Beispiel einer Türbaugruppe aus dem thyssenkrupp-eigenen Forschungsprojekt ›Incar plus‹ zeigten die Entwickler, dass sich mit dünnem Dualphasenstahl auch komplexe Bauteilgeometrien realisieren lassen. Dazu kann die Leistungsfähigkeit des DP-Stahls durch eine Beschichtung mit Zink-Magnesium verbessert werden. Diese verbessert den Korrosionsschutz, reduziert den Verschleiß im Umformwerkzeug und liefert ein besseres Lackbild.

Dualphasenstahl hat eine ferritische Matrix und eine meist martensitische Phase, die die Festigkeit erhöht. Der Martensitanteil liegt zwischen 10 und 40 Prozent. Mehr würde zwar eine höhere Zugfestigkeit ermöglichen, allerdings die Bruchdehnung senken. Diese Zusammensetzung bietet eine niedrige Streckgrenze, passend für die Herstellung komplexer Tiefziehteile, und eignet sich so bestens für Strukturbauteile und neuerdings auch für den Außenhautbereich.

Entsprechend werden solche Stähle mit Festigkeiten von 500 bis 1200 Megapascal und Dicken von 0,55 bis 2,50 Millimeter – dank hervorragender Crashperformance – gerne im Karosseriebau eingesetzt, sind also Marktstandard. Da die kalt gewalzten Varianten eine höhere Festigkeit mitbringen, kann auch eine reduzierte Blechdicke noch ausreichend Festigkeit bieten. Bei Thyssenkrupp hat man es durch Prozessoptimierung geschafft, dem ›alten‹ Material DP-K 290Y490T neues Leben einzuhauchen. Durch das Walzen auf 0,6 Millimeter Blechdicke, mit entsprechenden Oberflächenbeschichtungen, lässt sich der Werkstoff optimal für Außenhautbauteile von Fahrzeugen einsetzen. »Das ermöglicht es, bei einer Türbeplankung zirka 20 Prozent Gewicht zu sparen. Doch bedeutet die höhere Festigkeit bei geringeren Blechdicken, dass man um die Simulation der Prozessgestaltung nicht herumkommt, speziell der Formung schwieriger Bereiche wie Türgriffmulden«, bemerkt Michael Linnepe von Thyssenkrupp Steel Europe. 

DP-K 290Y490T bietet das Unternehmen in verschiedenen Oberflächenvarianten an. Bleche mit der neuen Zink-Magnesium-Beschichtung ZM Eco-protect besitzen einen deutlich besseren Korrosionsschutz als solche mit konventionellen, gleich dicken Zinkschichten, was man besonders an Schnittkanten und Kratzern sieht. Dazu haben diese zink-magnesium-beschichteten Bleche deutlich bessere Reibungs- und Abrasionseigenschaften, was sich in einer verbesserten Umformbarkeit und einem geringeren Verschleiß der Umformwerkzeuge zeigt. Gegenüber feuerverzinkten Blechen mit einer Beschichtung von 100 g/m? und einem Reibungskoeffizienten von µ = 0,09 liegt der Wert von ZM-Ecoprotect-beschichteten Blechen bei µ = 0,07, dazu kommt ein verbessertes Stick-Slip-Verhalten. Darüber hinaus kann man dank dieser Beschichtung ein optimales Lackbild ohne Füllstoffe erreichen, was die Automobilhersteller natürlich freut.

Der neue dünne DP-K 290Y490T bietet aber noch mehr. An kritischen Stellen, etwa bei scharfen Radien anTürgriffaussparungen, zeigten Tests, dass selbst bei 0,55 Millimetern Dicke die Umformresultate gut sind. 

Bei Türen und anderen Beplankungen kommt noch eine weitere Herausforderung dazu: Das Material muss hervorragende Falzeigenschaften haben, sprich Biegungen von 90° und anschließend 180° sind für Material und Beschichtung zu bewältigen. Das Verhalten dünnen Dualphasenstahls mit Zink-Magnesium-Beschichtung wurde getestet, und die Ergebnisse waren auch in scharfen Eckbereichen bestens.

»Im unternehmenseigenen Forschungsprojekt Incar plus haben wir gezeigt, dass bei einer Tür mit einer dünnen Außenhaut aus DP-Stahl auch komplexe Geometrien möglich sind. Weder die präzise geformte Türgriffmulde noch die diagonale Stylingkante machten hier Probleme«, berichtet Michael Linnepe. Auch an der Verbindung von Türaußen- und Türinnenblechen gab es weder im Substrat noch in der Beschichtung Risse oder Defekte.

Die Analyse aller Ergebnisse zeigt, dass der 0,6 Millimeter dicke DP-Stahl mit Blech der Referenzgüte von 0,75 Millimetern vergleichbar ist. In der Steifigkeit schneidet die Sorte etwas schlechter ab, was sich jedoch durch geometrische oder konstruktiv unterstützende Maßnahmen ausgleichen lässt. Allerdings müssen beim Einsatz als Außenhaut die Prozessgrenzen präzise abgeschätzt werden, damit sicher ist, dass das Material dem Umformen standhält. 

Generell zeigt dies, dass sich besonders große Gewichtsersparnisse bei großen Außenhautpaneelen realisieren lassen, indem man 0,8-Millimeter-Bleche durch hochfeste Sorten von 0,6 Millimeter Dicke ersetzt. Dennoch müssen die OEMS bezüglich des Fahrzeugdesigns keine Kompromisse eingehen. Für optimale Verarbeitungsergebnisse empfiehlt sich die ZM Ecoprotect-Beschichtung. Neben dem hervorragenden Korrosionsschutz bietet diese Beschichtung optimierte Umformeigenschaften hinsichtlich Werkzeugverschleiß und Reibungseigenschaften. 

Dr. Barbara Stumpp

Fachjournalistin aus Freiburg

Erschienen in Ausgabe: 05/2018