Dieser Knoten hält

Future - Stahl

Glaubt man der Presse – und wem sollte man sonst glauben? – gehört die Zukunft den Leichtmetallen und faserverstärkten Kunststoffen. Doch die Stahlproduzenten haben die Flucht nach vorn angetreten und warten mit vor einigen Jahren noch unvorstellbaren Materialeigenschaften auf.

10. September 2012

Eine empirische Faustregel besagt: Was hart ist, geht leicht zu Bruch. Oder anders gesagt: Entweder hart oder zäh – beides zusammen geht nicht. Nun sind hart und zäh relativ und Metalle relativ ›gutmütig‹ – leider ändert das nichts am Prinzip. Und folglich ordnen sich beispielsweise die meisten Stahlsorten im Bruchdehnungs-Zugfestigkeits-Diagramm entlang einer Hyperbel an, im Volksmund auch ›Banane‹ genannt. Es gibt aber Ausnahmen (der Begriff ›Ausreißer‹ wäre an dieser Stelle irreführend) – glücklicherweise nach rechts oben.

All diese Ausnahmesorten weisen mehr oder weniger austenitische Gefüge auf. Da wären als erstes die Duplex-Stähle zu nennen. Obwohl ihre Zugfestigkeit jenseits 600 MPa liegt, lassen sie sich immerhin um etwa 30 Prozent dehnen. Eine deutlich höhere Dehn- und damit Umformbarkeit (Duktilität) – um 50 Prozent – lassen etliche austenitische nicht rostende Cr-Ni-Stahlsorten zu, deren Zugfestigkeit von 500 bis 850 MPa reicht.

Entweder oder? – Sowohl als auch!

»I want it all!«, forderte einst nicht nur Freddy Mercury, sondern auch die Autoindustrie wünscht sich die Kombination von großer Härte und Biegsamkeit, vor allem für Karosseriebleche, und hier speziell für Crash-relevante Bereiche und vor allem für A- und B-Säule sowie für den Vorderwagen, aber auch für die Quertraverse zwischen den B-Säulen. Die meisten herkömmlichen Trip-Stähle (Transformation induced Plasticity), etwa seit dem Jahrtausendwechsel auf dem Markt, erreichen Zugfestigkeiten zwischen 650 und 850 MPa und lassen sich dennoch um etwa 23 Prozent dehnen, bevor sie reißen.

Neue Trip-Sorten mit 15 Prozent Mangan (sowie je 2,5 bis 3 Prozent Silizium und Aluminium) kommen auf Dehngrenzen bis 1000 MPa (Zugfestigkeit bis 1400 MPa) bei einer Bruchdehnung von 30 bis 40 Prozent. ›Nur‹ auf 600 MPa Zugfestigkeit kommen die Twip-Sorten (Twinning induced Plasticity) mit zirka 25 Prozent Mangan, dafür lassen sich die ›weicheren‹ (wir reden von Dehngrenzen über 400 MPa) Twip-Stähle um 70 Prozent dehnen – ideal für die Umformung sehr komplexer Bauteile.

Weil sich neue Trip/Twip-Sorten deutlich vom bereits verfügbaren Trip-Stahl mit geringem Mangan-Anteil unterscheiden und sich die Begriffe Trip und Twip noch ähnlicher sind als die möglichen Einsatzgebiete, werden die neuen Sorten wohl unter anderen Handelsnamen auf den Markt kommen: Salzgitter Flachstahl nennt seinen neuen Twip-Stahl zum Beispiel HSD-Stahl (High Strength and Ductility).

Chemie gleich, Physik verschieden

Die in sich scheinbar diametralen Eigenschaften von HSD-Sorten sind auf Gefügeänderungen während der Umformung in der Presse zurückzuführen. Wird Trip-Stahl verformt, kippen die Kristallgitter aus einer kubisch-flächenzentrierten (austenitischen) in eine kubisch raumzentrierte (martensitische), hochfeste Struktur. Diese Umwandlung (Scherung der Gitterebenen) bewirkt die Verformbarkeit des Trip-Materials. Das wars aber auch schon fast – doch davon gleich mehr.

Die fertigen Teile können also erhebliche Unterschiede aufweisen, je nachdem, ob sie auf Trip- oder Twip-Verhalten ausgelegt sind: Trip-Sorten bleiben nach der Umformung bauteilabhängig noch etwa fünf Prozent Dehnungsreserve, Twip-Sorten dagegen um 35 Prozent. Twip-Stahl ist für die Crash-Bereiche das Material der Wahl, wo ausreichende Verformungswege vorhanden sind, beispielsweise in den Strukturen des Vorderwagens, der ›Knautschzone‹. Aber nicht nur da: Für Crash-relevante Bauteile in anderen Anwendungen ragt die Energieaufnahme der HSD-Stähle aufgrund der erheblichen Verfestigung auch bei sehr hohen Verformungsgeschwindigkeiten aus der Schar höher- und höchstfester Stahlsorten heraus – wenngleich zu wünschen ist, dass die Fahrzeuginsassen diesen Vorteil nie kennenlernen.

Für ›normale‹ Pressen

Natürlich kann man Twip-Stahl auch für die besonders steifen Seitenteile des Fahrzeuges verwenden, wenn man konstruktiv ein wenig trickst, durch Verrippung oder lokal veränderte Blechdicken (Tailor Blanks). Die konstruktive Optimierung ist ohnehin ratsam, denn der E-Modul, somit die Steifigkeit, ist etwas geringer als die anderer hochfester Stahlsorten. Das sollte aber kein Problem sein – im Gegenteil: Die extreme Duktilität gibt den Konstrukteuren einen deutlich größeren Gestaltungsspielraum.

Damit gleichen HSD-Stähle einen Nachteil gegenüber presshärtbaren Stählen aus, die (allerdings mit hohem Aufwand und Kosten für die Warmumformung erkauft) die gezielte Härtung bestimmter Partien im Bauteil ermöglichen. Allerdings liegt die Bruchdehnung von presshärtbaren Stählen im Lieferzustand (Dehngrenze 200 bis 500 MPa) unter 30 Prozent, die entsprechender HSD-Sorten bei 60 Prozent. Die Endfestigkeit presshärtbarer (MnB-)Stähle (Dehngrenze jenseits 1000 MPa) ist für Trip- und erst recht für Twip-Stahl derzeit allerdings unerreichbar.

Große Bandbreite an Eigenschaften

Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der HSD-Sorten werden physikalisch während des Bandgieß- und Abkühlprozesses erzeugt, während die chemische Zusammensetzung immer gleich bleibt. Leichter kann Recycling nicht gemacht werden. Besonders verblüffend ist aber, dass sich alleine durch Prozessvariationen (Walzen und Glühen) sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften einstellen lassen: Wer keine 50 Prozent Dehnung braucht, aber hohe Festigkeit, kann HSD mit 1400 MPa Zugfestigkeit und ›nur‹ 20 Prozent Bruchdehnung haben – oder in die andere Richtung 60 Prozent Bruchdehnung und ›nur‹ 800 MPa.

Doch Salzgitter wäre nicht Salzgitter, wenn man sich mit einem faszinierenden Festigkeits-Dehnungs-Verhältnis begnügen würde. Kein Werkstoff kommt auf den Markt, der nicht schon vorher seine Praxistauglichkeit – auch langfristig – bewiesen hätte. An erster Stelle stehen hier die Schweiß- und die Beschichtbarkeit mit korrosionsverhindernden Auflagen. An diesen Aspekten der Anwendungs- und Oberflächentechnik wird intensiv gearbeitet.

Praxistauglichkeit erwiesen

Ein großes Problem herkömmlicher Karosseriewerkstoffe mit Zugfestigkeiten oberhalb 800 MPa war hingegen die Wasserstoffversprödung. Zwar ist die Frage, warum Wasserstoff in Stahl eindringt, noch Gegenstand wissenschaftlicher Forschung, aber man hat immerhin ein Gegenrezept gefunden: die Legierung mit Aluminium, und 2,5 Prozent Anteil genügen. HSD-Stahl behält also seine guten Eigenschaften über sehr lange Zeit.

Stellen sich noch zwei wesentliche Fragen: Wann wird HSD-Stahl industriell verfügbar sein? Und was soll er kosten? Frage 1 beantworten die Verantwortlichen von Salzgitter Flachstahl gerne und relativ genau (»Mitte 2013«), Frage 2 eher ausweichend: »Da wollen wir uns noch nicht festlegen, aber der Einsatz von HSD-Stahl wird sich für den Anwender in jedem Fall lohnen.« Man wird sich wohl im mittleren Bereich zwischen höherfesten Stahlsorten gleicher Festigkeit und rostfreien Stahlsorten bewegen.

Gewichtseinsparungen über 20 Prozent möglich

Wie sieht es in der Praxis mit der Gewichtseinsparung aus: Die viel höhere Festigkeit und das etwas geringere spezifische Gewicht (7,4 statt 7,8 kg/l) gegenüber üblichen Karosseriestählen können bei werkstoffgerechter Konstruktion zu Minderungen von 20 bis 30 Prozent – je nach Teil – führen. Während Insider seit etwa zehn Jahren an HSD-Stählen arbeiten, träumten die Anwender vor zwei, drei Jahren noch von solchen Eigenschaften.

2009 lautete das ambitionierte, mittelfristige Ziel der Werkstoffentwickler für 2020: »Verdoppelung der Festigkeit bei ähnlicher Duktilität.« Wenn man von den heute verfügbaren austenitischen Rostfrei-Stählen ausgeht, hat man mit HSD-Stahl schon ein Drittel bis die Hälfte des Weges geschafft. Und erst recht umgekehrt: Bei gleicher Festigkeit konnte man die Duktilität um mehr als 50 Prozent erhöhen.

Schon wieder auf dem Sprung

Und geht es weiter in diese Richtungen? Momentan wird an noch leichteren Triplex-Stählen (mit zusätzlicher Ferrit-Phase) geforscht, die mit einem gegenüber HSD-Stahl erhöhten Kohlenstoffanteil und Nanopartikeln (Carbiden) als Gleitmittel zwischen den Kristallen noch mehr Festigkeit als Twip-Stahl und eine noch höhere Duktilität als Trip-Stahl erreichen sollen, kombiniert mit einer weiteren Reduktion der Dichte.

Hans-Georg Schätzl

Euroblech Halle 16, Stand D121

Zahlen & Fakten

Salzgitter Flachstahl ist die größte Stahltochter in der Salzgitter-Gruppe. Über 4700 Mitarbeiter erzeugten 2011 etwa 4,5 Mio. t Rohstahl und erarbeiteten einen Umsatz von 2,9 Mrd. €. Wichtigste Abnehmer sind Fahrzeughersteller sowie deren Zulieferer, Röhrenhersteller, Kaltwalzer und die Bauindustrie. Das Unternehmen produziert Warmbreitband, Bandstahl, Bandblech, Kaltfeinblech und oberflächenveredelte Produkte von 0,4 bis 25 mm Dicke bis 2000 mm Breite. Zum Programm gehören Zieh-, Tiefzieh- und Sondertiefziehstähle, Bau- und Feinkornstähle sowie hoch- und höchstfeste Stähle.

Erschienen in Ausgabe: 05/2012