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Warmumformstähle - Usibor® und Ductibor®.

Beschreibung

Die Stähle Usibor® und Ductibor® sind Warmumformstähle für Struktur- und Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau. Aufgrund ihrer sehr hohen Festigkeit eignen sich Usibor®-Stähle besonders für einbruchhemmende Teile, bei denen eine hohe Bruchkraft erforderlich ist. Dank ihrer sehr guten Duktilität beweisen Ductibor®-Stähle ihre Stärken besonders bei Teilen, die bei einem Aufprall Energie aufnehmen müssen. Das folgende Diagramm zeigt typische Werte für Zugfestigkeit und Bruchdehnung von Usibor®- und Ductibor®-Stählen.

Die Hauptvorteile der Stähle Usibor®- und Ductibor® sind:

  • Die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu erhalten, da die Umformung beim direkten Umformen im austenitischen Zustand erfolgt oder weil das Material beim indirekten Umformen vor der Wärmebehandlung eine gute Umformbarkeit aufweist. Die sehr gute Warmumformbarkeit ermöglicht Lösungen aus Stahl, die mehrere Funktionen vereinen (Wegfall von Verstärkungen und Baugruppen).
  • Keine Rückfederung
  • Einheitlichkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils
  • Außergewöhnliche Ermüdungs- und Crashfestigkeit für hohe Gewichtseinsparungen

ArcelorMittal hat mit Usibor®-AS als erster Stahlhersteller einen beschichteten Warmumformstahl mit einer im Tauchverfahren aufgetragenen Aluminium- und Silikonbeschichtung angeboten.

Usibor®-AS und Ductibor®-AS bieten die zusätzlichen Vorteile:

  • Vereinfachung des Prozesses und wirtschaftliche Vorteile: Wegfall der Strahlbehandlung nach der Umformung (keine Zunderbildung), keine speziellen Schutzatmosphären in Austenitisierungsöfen)
  • Hervorragende temporäre Korrosionsbeständigkeit nach dem Umformen, sodass Bauteile vor der Montage nicht geölt zu werden brauchen
  • Keine Entkohlung
  • Hervorragende Beständigkeit gegen Lochfraß, aktueller Einsatz in trockenen und feuchten Fahrzeugzonen (z.B. Abdeckbleche)

Der verzinkte Usibor® 1500-GI (nur für indirekte Umformverfahren) und der ZnFe-galvannealte Usibor®-GA (für direkte oder indirekte Verfahren) runden das Angebot an Beschichtungen ab.

Es stehen zwei Sicherheitsdatenblätter zur Verfügung: eines für das Produkt bei Auslieferung (vor der Wärmebehandlung) und eines für das Produkt nach der Wärmebehandlung. Für diese Stähle gelten keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen.

Anwendungs­bereiche

Usibor®-Stähle eignen sich besonders für alle Fahrzeugteile, die bei einem Zusammenstoß eine sehr gute Eindringhemmung erfordern.

Die häufigsten Anwendungsbereiche sind:

  • Stoßfängerträger vorn/hinten
  • Türverstärkungen
  • Rahmensäulenverstärkung
  • B-Säulenverstärkung
  • Bodenverstärkungen
  • Tunnelverstärkung
  • Stirnwand-Traverse
  • Dachschwellen
  • B-Säule (Stärke 1,85 mm)

  • Stoßfängerträger (Stärke 2,3 mm)

  • Türverstärkung (Stärke 1 mm)

  • Rahmensäule (Stärke 1,2 mm)

  • Tiefziehversuche an einer lasergeschweißten Platine aus Usibor® 2000 / Ductibor® 1000

Ductibor®-Stähle können in Kombination mit Usibor® in Form von lasergeschweißten Platinen (Laser Welded Blanks - LWB) für warmumgeformte Bauteile mit örtlich höherer Duktilität als Usibor® verwendet werden. Diese Lösung wird dem Bedarf gerecht, die Verformungen bestimmter Fahrzeugzonen (zum Beispiel einer B-Säulen-Verstärkung) während des Aufpralls sehr genau zu steuern und das Einsatzspektrum von warmumgeformten Stählen auf energieabsorbierende Bauteile (zum Beispiel einen Längsträger) auszudehnen.

 Mögliche Einsatzbereiche für lasergeschweißte Platinen aus Usibor® 1500 - Ductibor® 500 sind:

  • Vorderer Längsträger (Vorderteil, Kröpfung und Verlängerung unter dem Boden)
  • Hinterer Längsträger
  • B-Säulen-Verstärkung (Oberteil aus Usibor® 1500, Unterteil aus Ductibor® 500)
Mögliche Einsatzbereiche für lasergeschweißte Platinen aus Usibor® - Ductibor®.

Mögliche Einsatzbereiche für lasergeschweißte Platinen aus Usibor® - Ductibor®.

ArcelorMittal verfügt über eine Datenbank mit den Umform- und Verwendungseigenschaften von Warmumformstählen. Um diese Stähle bereits in der Konzeptionsphase zu integrieren, kann ein Expertenteam spezifische Studien auf Basis von entweder Modellierung oder Charakterisierungsversuchen durchführen.

Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle zeigt die minimalen Kennwerte nach dem Warmumformen (1) und die Simulation der Einbrennenlackierung (2) für jedes Bauteil. Diese Werte sind Richtwerte und hängen vom Warmumformverfahren ab.

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ArcelorMittal-Bezeichnung Richtung Streckgrenze Rp0,2 (MPa) (1)(2) Zugfestigkeit Rm (MPa) (1)(2) Min. A(%) (3) Typ 1 Min. A50mm (%) (3) Typ 2 Min. A80mm (%) (3) Typ 3 Min. A50mm (%) (3) Biegewinkel (4)
22MnB5 RD ≥ 1050 ≥ 1400 5 5 5
Ductibor® 450 RD ≥ 350 ≥ 460 15 15 15 ≥ 120
Ductibor® 500 RD ≥ 380 ≥ 550 15 15 15 ≥ 120
Ductibor® 1000 RD ≥ 800 ≥ 1000 6 6 6 ≥ 80
Usibor® 1500 RD ≥ 1050 ≥ 1400 5 5 5 ≥ 50
Usibor® 2000 RD ≥ 1400 ≥ 1800 5 5 5 ≥ 45
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ArcelorMittal-Bezeichnung Richtung Streckgrenze Rp0,2 (MPa) (1)(2) Zugfestigkeit Rm (MPa) (1)(2) Min. A(%) (3) Typ 1 Min. A50mm (%) (3) Typ 2 Min. A80mm (%) (3) Typ 3 Min. A50mm (%) (3) Biegewinkel (4)

A80mm %: Bruchdehnung bei einer Probe mit Messlänge L0 = 80 mm (ISO 6892-1 Probenform 2 (EN20x80))
A50mm %: Bruchdehnung bei einer Probe mit Messlänge L0 = 50 mm (ISO 6892-1 Typ 1 (ASTM12.5x50) oder Typ 3 (JIS25x50)).
A%: Bruchdehnung bei einer Proportionalprobe mit L0 = 5,65 (So)1/2
Ag %: Plastische Extensometer-Dehnung bei Höchstkraft
BH2: Streckgrenzenerhöhung nach einer plastischen Vordehnung von 2 %, hervorgerufen durch eine Wärmebehandlung (170°C-20 min)

1) Wärmebehandlung Typ 880 °C–930 °C für 5 bis 10 Minuten mit anschließender Aushärtung zwischen vollständig abgekühlten Umformwerkzeugen (Abkühlgeschwindigkeit > 30 °C pro Sekunde).
(2) Simulation einer Einbrennlackierung: Wärmebehandlung mit 170 °C für 20 Minuten.
(3) Bruchdehnungen A%, gemessen an Proben (ISO20x80) sind als Anhaltspunkt angegeben. Der Biegewinkel ist ein besser geeignetes Kriterium zur Beurteilung der Duktilität des Werkstoffs bei einem Zusammenstoß.
(4) Biegewinkel gemessen nach der Norm VDA238-100 an einer 1,5-mm-Probe.

Für weitere Informationen laden Sie bitte die Datenblätter zu den typischen Zugkurven und den zugehörigen physikalischen Zusammenhängen herunter.

Ductibor® 500

  

Ductibor® 1000

  

Usibor® 1500

  

Usibor® 2000

Chemische Zusammen­setzung

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ArcelorMittal-Bezeichnung Max. C (%) Max. Si (%) Max. Mn (%) Max. P (%) Max. S (%) Al (%) Max. B (%) Max. Ti + Nb (%) Max. Cr + Mo (%)
22MnB5 0,25 0,4 1,4 0,03 0,01 0,01 - 0,1 0,005 0,12 1
Ductibor® 450 0,1 0,5 1,9 0,03 0,03 0,015 - 0,2 0,001 0,24
Ductibor® 500 0,1 0,5 1,9 0,03 0,03 0,015 - 0,2 0,001 0,24
Ductibor® 1000 0,12 0,8 2 0,03 0,01 0,01 - 0,1 0,01 0,12 0,6
Usibor® 1500 0,25 0,4 1,4 0,03 0,01 0,01 - 0,1 0,005 0,12 1
Usibor® 2000 0,37 0,7 1,4 0,03 0,01 0,01 - 0,06 0,005 0,12 1,4
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ArcelorMittal-Bezeichnung Max. C (%) Max. Si (%) Max. Mn (%) Max. P (%) Max. S (%) Al (%) Max. B (%) Max. Ti + Nb (%) Max. Cr + Mo (%)
22MnB5 0,25 0,4 1,4 0,03 0,01 0,01 - 0,1 0,005 0,12 1
Usibor® 1500 0,25 0,4 1,4 0,03 0,01 0,01 - 0,1 0,005 0,12 1

Globale Verfügbarkeit


In Entwicklung     In Erprobung bei Kunden     In Güte für nicht sichtbare Teile erhältlich     In Güte für sichtbare und nicht sichtbare Teile erhältlich (Z)    

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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Unbeschichtet (-UNC) Alusi® (-AS) Extragal® (-GI) Ultragal® (-GI) Galvannealed (-GA) Zagnelis® Protect (-ZMP) Galfan (-ZA) Elektrolytisch beschichtet (-EG)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000
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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Unbeschichtet (-UNC) Alusi® (-AS) Extragal® (-GI) Ultragal® (-GI) Galvannealed (-GA) Galfan (-ZA)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000
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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Unbeschichtet (-UNC) Alusi® (-AS) Extragal® (-GI) Galvannealed (-GA) Galfan (-ZA)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000
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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Alusi® (-AS) Galfan (-ZA)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000
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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Unbeschichtet (-UNC)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000
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ArcelorMittal-Bezeichnung Gattungs­bezeichnung Unbeschichtet (-UNC) Alusi® (-AS) Galvannealed (-GA) Galfan (-ZA)
22MnB5
Ductibor® 450
Ductibor® 500
Ductibor® 1000
Usibor® 1500
Usibor® 2000

Vor der Wärmebehandlung weist die Mikrostruktur von Usibor® 1500 eine ferritoperlitische Matrix auf.

Mikrostruktur von Usibor® 1500 vor dem Warmumformen (Lieferzustand)

Mikrostruktur von Usibor® 1500 vor dem Warmumformen (Lieferzustand)

Die Beschichtung von Usibor® 1500-AS im Lieferzustand besteht aus einer ternären Legierungsschicht zwischen Stahl und Beschichtung sowie einer Schicht aus freiem Silizium-Aluminium.

Querschnitt der Beschichtung vor dem Warmumformen von Usibor® 1500-AS

Querschnitt der Beschichtung vor dem Warmumformen von Usibor® 1500-AS

Nach der Wärmebehandlung und Aushärtung ist die Mikrostruktur zu 100 % martensitisch.

Martensitische Mikrostruktur von Usibor® 1500 nach dem Warmumformen (Beispiel: Austenitisierung bei 900 °C für 5 Minuten mit anschließendem Aushärten mit Wasser oder zwischen Umformwerkzeugen). Rasterelektronenmikroskopie.

Martensitische Mikrostruktur von Usibor® 1500 nach dem Warmumformen (Beispiel: Austenitisierung bei 900 °C für 5 Minuten mit anschließendem Aushärten mit Wasser oder zwischen Umformwerkzeugen). Rasterelektronenmikroskopie.

Die AlSi-Beschichtung von Usibor® 1500-AS hat sich im Ofen (Interdiffusions- und Erstarrungsreaktionen) umgewandelt, wobei sich verschiedene intermetallische Schichten aus schützenden und perfekt haftenden AlSiFe gebildet haben.

Aussehen der Beschichtung nach dem Warmumformen (optische Mikroskopie)

Aussehen der Beschichtung nach dem Warmumformen (optische Mikroskopie)

Wärme­behandlung

Usibor®-AS und Ductibor®-AS wurden für direkte Warmumformverfahren entwickelt: Austenitisieren von Blechen in Öfen, Stanzen und Umformen dieser Bleche in gekühlten Werkzeugen. Alle Verformungen werden bei Wärme durchgeführt. Kaltes Vorformen von Usibor®-AS und Ductibor®-AS vor der Wärmebehandlung zur Austenitisierung wird nicht empfohlen. Usibor® 1500-GI ist nicht für direkte Warmumformverfahren geeignet. Warmumgeformte Bauteile aus Usibor®-AS und Ductibor®-AS weisen keine Mikrorisse im Substrat auf.

Direktes Warmumformverfahren für Usibor® 1500-AlSi, Usibor® 1500-GA und 22MnB5

Direktes Warmumformverfahren für Usibor® 1500-AlSi, Usibor® 1500-GA und 22MnB5

Bitte wenden Sie sich an uns für alle Daten und Ratschläge zum Warmumformen von Usibor®- und Ductibor®-Stählen.

Die Güten Usibor® 1500-GI, Usibor® 1500-GA und 22MnB5 haben gute Kaltumformeigenschaften und können in einem indirekten Verfahren eingesetzt werden.

Indirektes Warmumformverfahren für Usibor®-GI-Stähle

Indirektes Warmumformverfahren für Usibor®-GI-Stähle

Oberflächen­behandlung

Nach dem Warmumformen und Aushärten ist die Oberfläche von Teilen aus Usibor® 1500-AS sofort bereit zum Lackieren, ohne vorherige Reinigung durch eine Strahlbehandlung. Die hohe Oberflächenrauheit des Werkstücks ermöglicht eine hervorragende Haftung der Pulverbeschichtung auch ohne Phosphatierung. Die Zusammensetzung der Phosphatierbäder muss nicht verändert werden und es ist keine Verunreinigung festzustellen.

Bauteile aus Usibor® 1500-GI müssen gereinigt werden (z.B. durch eine Strahlbehandlung), um eine gute Lackhaftung und Schweißbarkeit zu gewährleisten.

Bauteile aus 22MnB5 werden systematisch sandgestrahlt, um Zunder auf der Oberfläche zu entfernen und eine gute Lackierbarkeit zu garantieren.

Schweißen

Die Stähle Usibor® und Ductibor® Stahl haben eine gute Punktschweißbarkeit in homogenen wie in heterogenen Verbindungen bei sowohl 50 Hz als auch 1000 Hz.

Die Bereiche der Schweißbarkeit sind groß und die mechanische Festigkeit der Verbindungen (Zug, Scherung) entspricht den Anforderungen der Fahrzeughersteller sowieden Normen. Aufgrund der Beschaffenheit der Legierungsschicht nach dem Warmumformen wird die Lebensdauer von Schweißelektroden im Vergleich zu herkömmlichen Metallbeschichtungen als sehr gut (mehrere tausend Schweißpunkte ohne Verschlechterung) beurteilt. MAG/MIG-Schweißen und alle konventionellen Verfahren (einschließlich Löten) können angewendet werden.

ArcelorMittal verfügt über langjährige Erfahrung mit der Charakterisierung dieser Produkte beim Punkt- und Lichtbogenschweißen und kann technische Hilfestellung bei der Anpassung der Schweißparameter leisten.

  • Homogenes Punktschweißen von Usibor® + Usibor®

  • Dreistufiges heterogenes Schweißen mit Mehrphasenstahl

  • MAG-Schweißen

Dauerschwing­festigkeit

Die Dauerfestigkeit kann als Ermüdungsgrenze (maximale Belastung) ausgedrückt werden.


Usibor®1500-AS und Ductibor® 500-AS bieten hervorragende Ermüdungseigenschaften (besser als bei unbeschichteten Stählen für die Warmumformung mit entkohlter Oberfläche).

Die folgende Tabelle zeigt die Ermüdungsgrenzen (in MPa) für 2 Millionen Zyklen in einem einachsigen Zug-Druckversuch für R = 0,1 und R = -1.

ArcelorMittal-Bezeichnung σD A 2.106 Zyklen (MPa)
R=-1
σD A 2.106 Zyklen (MPa)
R=0,1
Usibor® 1500 475 727
22MnB5* 305 617
Ductibor® 1000-AS 356 621

* Entkohlte Oberfläche nach dem Warmumformen, ca. 30 Mikrometer.

Crash-Festigkeit

Usibor®- und Ductibor®-Stähle werden für Sicherheitsbauteile verwendet. Die außergewöhnliche Crash-Festigkeit kann mit zahlreichen Daten nachgewiesen werden.

Aufgrund ihrer sehr hohen Elastizitätsgrenze eignen sich Usibor®-Stähle besonders für einbruchhemmende Teile, bei denen eine hohe Bruchkraft erforderlich ist. Das folgende Beispiel veranschaulicht das Leichtbaupotential von Usibor®-Stählen im Vergleich zu herkömmlichen Stählen in einem dynamischen Dreipunkt-Biegeversuch bei 30 km/h für eine Energie von 10 kJ.

Leichtbaupotential von Usibor®-Stählen im Vergleich mit einem HSLA 380-Stahl (Referenz)

Leichtbaupotential von Usibor®-Stählen im Vergleich mit einem HSLA 380-Stahl (Referenz)

Aufgrund ihrer hohen Bruchfestigkeit und sehr guten Duktilität eignen Ductibor®-Stähle sich besonders für Bauteile, die bei einem Aufprall Energie absorbieren müssen.

Ductibor®-Stähle wurden im Axialkompressionsversuch am Hutprofil mit punktgeschweißter Schließplatte bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 56 km/h getestet. In diesen Tests zeigten die Stähle ein sehr gutes Crashverhalten. Die folgende Grafik zeigt exemplarisch die minimal mögliche Gewichtseinsparung mit diesen Ductibor®-Stählen im Vergleich zu einem HSLA380-Stahl. Ductibor® 1000 hat eine beispielhafte Crash-Duktilität für einen Stahl mit Rm>1000 MPa.

Weight-saving potential of Ductibor® steels compared to that of an HSLA 380 steel (reference) 

Leichtbaupotential von Ductibor®-Stählen im Vergleich mit einem HSLA 380-Stahl (Referenz)

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