Das Blechumformverfahren ist ein zentraler Prozess in der Fertigung von Karosserieteilen, Gehäusen und Haushaltsgeräten. Für die Prozessstabilität des jeweiligen Umformverfahrens spielt die Auslegung und Materialauswahl der Umformwerkzeuge eine entscheidende Rolle. Sie beeinflusst die mögliche Taktzeit und damit Produktivität, die Standzeit der Werkzeuge und die Werkstückqualität. Hochfeste Aluminiumbronzen (Cu-Al-Legierungen) etablieren sich insbesondere für die Matrizen und Niederhalter beim Tiefziehen, da sie eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen aufweisen. Sie sind nicht nur als Platten sondern auch als Ringe erhältlich und bieten dadurch neben technischen Vorteilen auch eine Ersparnis für den Werkzeugbauer bei Material und Bearbeitungszeit.
Vorteile von Hartbronzen in der Blechumformung
Das Tiefziehen ermöglicht die Herstellung komplexer Formen aus Blechen in einem einzigen Arbeitsschritt. Durch Kaltumformung werden mit kontrollierten Kräften dreidimensionale Strukturen erzeugt. Bevorzugt werden Bleche aus Aluminium, Stahl und Edelstahl aufgrund ihrer hervorragenden Tiefzieheigenschaften. Der Bau und das Design der Werkzeuge sind entscheidend für den Erfolg des Tiefziehprozesses. Ein gut gestaltetes Werkzeug minimiert den Verschleiß und verlängert die Lebensdauer, was zu einer höheren Produktivität und Kosteneffizienz führt.
Wenn beim Umformen der Bleche eine Kaltverschweißung (Adhäsionsverschleiß) mit dem Werkzeug auftritt, entstehen Kratzer, Risse oder Oberflächenfehler im Werkstück. Diese Fehler verstärken sich durch Ablagerungen am Werkzeug oder Werkstück in den nachfolgenden Umformschritten. Matrizen oder Niederhalter aus Aluminiumbronzen zeigen hier einen klaren Vorteil: ihre Oberfläche neigt kaum zum Anhaften von Blechmaterial, weder aus Stahl, Edelstahl noch Aluminium. Auch sind die Standzeiten von Hartbronzen durch ihre hohe mechanische Festigkeit deutlich länger als von unbeschichteten Werkzeugstählen. Auch im Vergleich zu beschichteten Stählen (z. B. TiN, CrN) bieten Aluminiumbronzen eine konstante Prozessstabilität ohne Abplatzungsrisiko einer Beschichtung.
Darüber hinaus führt die gute Wärmeleitfähigkeit der Kupferbasislegierungen (CuAl) zu einer effizienteren Dissipation der Umformwärme, was Temperaturschwankungen in der Kontaktzone reduziert. Dadurch werden Maßhaltigkeit und Prozesssicherheit gesteigert.
Werkstoffcharakteristik von hochfesten Aluminiumbronzen
Aluminiumbronzen sind Kupferlegierungen mit einem Aluminiumgehalt zwischen ca. 8 und 12 %. Typische weitere Zusätze sind Eisen, Nickel oder Mangan, welche die mechanischen Eigenschaften gezielt beeinflussen. Die hochfesten Aluminiumbronzen, wie z.B. ALBROMET-A340 enthalten meist einen noch höheren Gehalt an Aluminium von bis zu 14 %. Dadurch kann sich in der Bronze bei der Abschreckung aus der Schmelze die sehr harte β-Phase bilden.
Die zusätzlichen Eisen- und Mangan-Zusätze wirken als Stabilisatoren und Verfeinerer des Gefüges. Es entstehen feine, disperse Ausscheidungen in der Kupfer-Aluminium-Matrix und bedingen eine klassische Ausscheidungshärtung. Das Ergebnis ist ein sehr festes, aber noch zähes Gefüge. Dabei werden Rockwellhärten von bis 40 HRC bzw. Zugfestigkeiten von bis zu 750 MPa erreicht, was klassischen Vergütungsstählen entspricht. Im Unterschied zum Stahl haben die Aluminiumbronzen keine Neigung zur Kaltverschweißung mit niedrig legierten Stählen oder Aluminiumblechen und eine gute Korrosionsbeständigkeit. Zusätzlich führt die im Vergleich zum Werkzeugstahl deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung im Werkzeug.
Grenzen des Einsatzes
Trotz der vielen Vorteile haben Aluminiumbronzen auch Einschränkungen. Bei sehr hohen Presskräften stößt Aluminiumbronze an ihre Grenzen – hier braucht es weiterhin hochfeste Werkzeugstähle oder Hartmetall. Der Materialpreis der Aluminiumbronzen ist höher als bei Standardstählen, rechnet sich aber über die längere Standzeit der Werkzeuge deutlich. Die mechanische Bearbeitung (z. B. Fräsen, Drehen) der Hartbronzen erfordert etwas Erfahrung und muss mit Hartmetall-Werkzeugen und angepasster Schnittgeschwindigkeit erfolgen.
Geschmiedete Ringe aus Hartbronze – zusätzlicher Nutzen in der Topfherstellung
Bei der Herstellung von Kochtöpfen aus dünnem, hochfestem Edelstahlblech (z. B. 0,6–0,8 mm) wird das Material in mehreren Ziehstufen von der Platine zur Topfform umgeformt. Dabei treten hohe Gleitbewegungen zwischen Blech und Werkzeug auf – vor allem am Niederhalter und an der Matrize. Sind diese aus Aluminiumbronze gefertigt, haftet der Edelstahl durch die sehr geringe Adhäsion nicht am Werkzeug an und die Topfwandung wird glatt. Der Umformprozess kann stabil ablaufen, Riefen und Kratzer im umgeformten Blech werden vermieden und die Prozesssicherheit erhöht. Ein Verdoppeln der Standzeit der Werkzeuge im Vergleich zu Werkzeugstahl ist möglich und der Ausschussanteil vom Werkstück deutlich reduziert. Damit amortisiert sich die Investition in das höherpreisige Werkzeugmaterial bereits nach wenigen Produktionswochen.
Für den Bau von Matrizen und Niederhaltern für die Umformung von Edelstahlblechen zu Töpfen werden oft Ringe benötigt, z. B. als Einsatzteile oder komplette Niederhalterkränze. Diese Ringe können entweder aus Vollmaterial, wie z.B. Platten herausgearbeitet oder als Schmiederohlinge bezogen werden.
Die Albromet GmbH bietet die hochfesten Aluminiumbronzen z.B. ALBROMET-A300 oder -A340 als Platten, Plattenzuschnitte und als geschmiedete oder gewalzte Ringe an. Diese Ringe können auf Kundenanforderung auch in Wunsch-Abmessungen hergestellt werden. Das verringert den Materialverlust und die Bearbeitungszeit beim anschließenden Drehen auf Fertigmaß. Zusätzlich verdichtet das Schmieden oder Ringwalzen bei den Hartbronzen das Gefüge und verfeinert die Kornstruktur. Dies führt zu höherer Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit gegenüber gegossenen Halbzeugen. Das wiederum erhöht die Standzeit und Prozesssicherheit im Umformbetrieb nochmals. So kommt zu dem genannten wirtschaftlichen Vorteil noch ein technischer Mehrwert hinzu.
ALBROMET besitzt ebenfalls Fertigungskompetenz und produziert alle benötigten Bauteile aus Hartbronze auch nach Kundenzeichnung ab Stückzahl 1 bis hin zur Serienfertigung.
Weitere Anwendungsbeispiele lassen sich in der Automobilindustrie finden. Dort werden Niederhalter und andere Werkzeuge aus Aluminiumbronze eingesetzt, um das Festkleben von Aluminium- oder Stahlblechen an den Umformwerkzeugen zu verhindern. Mit Einsätzen aus Hartbronze in Stahlgrundkörper an den meistbeanspruchten Stellen lassen sich die Kosten reduzieren und die Vorteile liegen genau nutzen, wo sie gebraucht werden.
Fazit
Aluminiumbronzen bieten in der Blechumformung eine attraktive Alternative zu klassischen Werkzeugstählen, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Reibungs- und Verschleißbelastungen. Ihre Kombination aus Härte, Verschleißfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Antiadäsionsverhalten macht sie prädestiniert für Matrizen und Niederhalter. Zwar sind Anschaffungskosten und Bearbeitungsaufwand höher, doch die gesteigerte Standzeit, Prozesssicherheit und Werkstückqualität rechtfertigen den Einsatz in vielen Fällen.
Erschienen am 02.10.2025 online in der Blech, hier weiterlesen.
