Eisen à la carte

Einsatz zwischen Off-shore und Automobil

„Stahl: Und die Zukunft wird leichter“. Unter diesem griffigen Slogan wirbt das Stahl-Informations-Zentrum für eiserne Rohstoffe. Doch neue Werkstoffe haben mehr als Leichtigkeit zu bieten. Zwischen Offshore-Plattform und Automobil-Karosserien bewegten sich die Einsätze der neuen Werkstoffe, die Thyssen-Krupp Stahl kürzlich vorstellte.

19. März 2001

Das Ambiente paßte: Auf Schloß Landsberg nahe Düsseldorf, dem ehemaligen Stammsitz der Familie Thyssen, ging es um die Werkstoffe, aus denen manche industrielle Zukunft ist. Trends im Leichtbau beleuchtete Dr. Bernhard Engl. Der Hauptbereichsleiter Werkstoff- und Verfahrensentwicklung der Thyssen-Krupp Stahl AG (TKS) rechnete an einem Automobilrad vor, daß höherfeste Stähle dem Aluminium durchaus Paroli bieten können: So läßt sich mit einem Dualphasen-Stahl (DP 600) das Gewicht um 20 Prozent senken - bei gleichen Kosten.

Mit maßgeschneiderten Blechen kommt TKS schon sehr nahe an Aluminium heran: Ein Stahlrad läßt sich mit Hilfe von Tailored-blanking um 30 Prozent auf sechs Kilogramm abspecken (Alu: 5,5 Kilogramm). Dabei wird die Felge aus ?tailored strips?, maßgeschneiderten Rad-Halbzeugen, hergestellt. Die Schüssel entsteht aus sogenannten Tebs, ?Thyssen-engineered Blanks?. Dabei handelt es sich um Tailored-blanks mit nicht-linearen Nähten.

Die Maßschneiderei hat (noch) ihren Preis: Der Kunde muß den 2,2fachen Preis bezahlen, die Alu-Variante kostet 2,5mal soviel wie das konventionelle Stahlrad. Das in Klammern gesetzte ?noch? bezieht sich auf die derzeitige Technik, die wegen der geringen Erfahrung insbesondere mit Tebs noch längst nicht ausgereizt ist. Allerdings entwickelt Thyssen auch maßgeschneiderte Alu-Bleche mit geraden und ungeraden Nähten.

Tailored-blanks befinden sich allgemein im Aufwind. Einen der wesentlichen Gründe nannte Wilfried Prange, der Hauptbereichsleiter Forschung bei TKS: ?Wenn für heutige Fahrzeuge die ab 2003 gültigen Crash-Forderungen zum Zuge kämen, würden sie in konventioneller Stahlausführung rund 25 bis 30 Kilogramm mehr wiegen. Das allein ist schon genügend Ansporn, Tailored-blanks einzusetzen.? Bis zum Jahr 2002 wird sich allein bei TKS die Produktion von maßgeschneiderten Platinen für den europäischen Automobilmarkt auf 600.000 Tonnen verdreifachen. Derzeit hält TKS in Europa einen Marktanteil von schätzungsweise 60 Prozent. Hochgerechnet heißt das für Europa: eine Million Tonnen Tailored-blanks.

Einen enormen Auftrieb erwarten die Stahlfachleute von den Tebs. Ein Beispiel für das Potential: Türinnenbleche sollen sich - ohne zusätzliche Kosten - mit beliebigen Nahtverläufen um bis zu 33,5 Prozent abspecken lassen. Der Grund: Verstärkungen lassen sich so einschweißen, daß sie im wahrsten Sinne punktgenau zu den späteren Kraftangriffspunkten sitzen. Es kommen also nur solche Verstärkungen zum Einsatz, die tatsächlich benötigt werden. Daher rechnet Prange auch damit, daß künftig etwa 20 bis 30 Prozent aller Tailored-blanks ungerade Nähte aufweisen.

Die weltweit erste Anlage für die kontinuierliche Produktion von nicht-linearen Tailored-blanks arbeitet seit kurzem bei der Thyssen-Fügetechnik in Duisburg. Es handelt sich um eine vollautomatisierte Portal-Laserschweißmaschine, die über Qualitätssicherung per elektronischer Bildverarbeitung verfügt. Sie schweißt im kontinuierlichen Betrieb im fliegenden Wechsel lineare und nicht- lineare Patch-work-Platinen. Den Takt bestimmt bei diesem Neuling der Schweißvorgang und nicht die Anlagentechnik. So benötigt das Handling sowohl bei linearen und nicht-linearen Tailored-blanks nur zwölf Sekunden. Außerdem läßt sich das Tandemschweißen mit zwei Lasern und zwei Schweißköpfen realisieren. Die Methode ?nimm zwei? eignet sich besonders für Boden- oder Türinnenbleche mit zwei linearen Nähten: Das Plus: Die Hauptzeiten werden reduziert.

Tailored-tubes und Tailored-strips

Aber auch für Tailored-tubes und für Tailored-strips (Rad-Halbzeuge) entstehen die passenden Produktionsanlagen oder befinden sich zumindest in der Planung: Absolut werbend zog Prange im Schloß Landsberg einen Plan für Tailored-strips aus der Schublade: ?Dieses Anlagenkonzept ließe sich innerhalb von zehn Monaten realisieren und in Betrieb nehmen.? Unter in Betrieb nehmen versteht ein TKS- Hauptabteilungsleiter jedoch nicht irgendeine Versuchsproduktion, sondern echte Großserienfertigung.

Ausnahmsweise nicht für die Automobilindustrie gedacht sind die neuen nichtrostenden Stähle. Im Visier hat die Krupp Thyssen Nirosta GmbH aus Düsseldorf das lohnende Geschäft mit Anlagen zum Entsalzen von Meerwasser. Der Hintergrund: In 25 Jahren wird ein Drittel der Menschheit unter Wasserknappheit leiden. Wesentliche Abhilfe können Meerwasserentsalzungsanlagen schaffen.

Für derartige Einsätze entwickelte Nirosta mit der Fischer Edelstahlrohre GmbH aus dem badischen Achern dünnwandige Rohre aus Nirosta 4565 S. Dabei handelt es sich um den höchstlegierten Werkstoff im Programm des Edelstahlherstellers. Ein Highlight: Die nur 0,1 Millimeter dünnen Rohre werden ohne Zusatz per Laser geschweißt.

Zufrieden konstatierte Dr. Winfried Heimann, Hauptabteilungsleiter Werkstoff- und Anwendungsentwicklung, daß die Edelstähle auf diese Weise Kupfer und Co. ablösen können. Das Potential ist enorm: Rund 2.000 Tonnen kaltgewalztes Band (0,3 Millimeter) benötigt eine Großanlage zum Entsalzen von täglich 400.000 Kubikmeter Meerwasser. Auch andere Anlagenteile wie Verdampferkammern, Rohrplatten oder Abstandshalter lassen sich aus dem Edelstahl herstellen, der laut Dr. Heimann in geschweißtem Zustand über die höchste Korrosionsbeständigkeit verfügt. Bei einer Großanlage heißt das: 12.000 Tonnen warmgewalzte Bleche und Bänder mit fünf bis acht Millimeter Wanddicke.

Aber nicht nur der ?edle Edelstahl?, sondern auch andere Sorten eignen sich für ?gesalzene? Einsätze. Als erster Hersteller bietet das Unternehmen kaltgewalztes Band aus Super-Duplex-Stählen (Nirosta 4462 und 4501) an. Auch hier handelt es sich um einen interessanten Markt: Nirosta will diese kaltgewalzten Coils an Unternehmen liefern, die Versorgungsleitungen für die Erdöl- und Erdgasförderung auf See herstellen. Der jährliche Bedarf: 500 Kilometer Leitungen oder 5.000 Tonnen Edelstahl.

Im Automobil spielt Edelstahl dagegen mit einem Volumen von maximal 13 Kilogramm pro Fahrzeug immer noch eine Außenseiterrolle. Beenden sollen das die Edelstähle Nirosta H400 und H500 (serienmäßige Nummer: 4376 sowie 4377). Die beiden hochfesten Sorten gibt es zwar schon länger, aber erstmals stellten die Düsseldorfer die nun marktreife H-Reihe öffentlich vor. Die schweigsame Politik erläuterte Dr. rer. nat. Jochen Krautschick, Leiter Werkstoff- und Anwendungstechnik: ?Durch das fehlende Wissen über diese Edelstähle bekamen wir stets Entscheidungsträger der Automobilindustrie an den Tisch.?

Bei der neuen H-Reihe handelt es sich um hochfeste austenitische Stähle, die dank Zulegierung von Mangan und Stickstoff über ein ausgezeichnetes Festigkeits- und Umformbarkeitsverhältnis verfügen. Obwohl beispielsweise Nirosta H400 eine Zugfestigkeit von 750 Newton pro Quadratmillimetern aufweist (Dehngrenze mindestens 400 N/mm2), soll er sich genauso wie Tiefziehbleche umformen lassen. Gleichzeitig wurden die Kosten deutlich gesenkt.

Dazu ein Beispiel: Ein Automobilhersteller ließ einen Radträger aus Stahl wahlweise aus Aluminium sowie H400 neu konstruieren und fertigen. Damit nicht Äpfel mit Birnen verglichen werden, ersetzten die Konstrukteure nicht einfach den Stahl, sondern sie entwickelten ?materialgerecht? neue Leichtbauvarianten. Aluminium senkte das Gewicht um ein Viertel, der Edelstahl um ein Fünftel. Die leichtere Aluminium-Variante hätte jedoch 60 Prozent mehr gekostet, bei dem Edelstahl betrug der Aufschlag nur 16 Prozent.

Ein noch höheres Leichtbaupotential läßt sich mit der Sandwich-Methode erzielen. Nirosta und Thyssen Krupp Stahl experimentierten mit Erfolg mit einem Dreischichtaufbau, bei dem eine 0,5 bis 1,5 Millimeter dünne Kunststoff-Folie (Polypropylen) zwischen zwei maximal 0,3 Millimeter dünnen Kaltbändern der H- Reihe sitzt. Ein maximal 2,1 Millimeter dünnes Sandwich-Blech erreicht sogar die Festigkeit eines 1,8 Millimeter dicken Magnesiumbauteils.

Dieser Dreischichtaufbau eignet sich für flächige Bauteile wie Abtrennungen, Türelemente oder Ölwannen sowie tragende Aufbauten (besonders für den crash-gefährdeten Vorderwagenbereich). Zwei weitere Pluspunkte sprechen für das Sandwich: Es sorgt trotz des sehr flachen Aufbaus laut Hersteller für eine ausgezeichnete Dämmung des Körperschalls, besonders bei tiefen Frequenzen um etwa 40 Hertz, also nahe der Resonanzfrequenz vieler Karosserien. Der zweite Pluspunkt: Der Edelstahl-Kunststoff-Aufbau verträgt auch hohe Temperaturen jenseits von 180 °C. Daher läßt sich ein Sandwich-Blech auch für den Unterboden einsetzen, der per kathodischer Tauchlackierung beschichtet wird.

Eine Sternstunde erlebten die Fachjournalisten anschließend bei der Frage nach dem Preis für derartige Edelstähle. Dr. Krautschick legte kurzerhand eine Overhead- Folie auf und zeigte die neue Edelstahl-Produktionsanlage, die in Kürze in Betrieb geht. Es handelt sich noch um ein gut gehütetes Betriebsgeheimnis. So viel verriet der Experte: Bei der neuen Anlage entfällt eine Vielzahl von Bearbeitungsgängen, welche die Kosten für die Produktion von Edelstählen in die Höhe treiben. Dank dieser neuen, abgespeckten Anlage ?werden die Edelstahl-Karten neu gemischt? (Dr. Krautschick).

Doch nicht nur mit Stahl und Co. beschäftigt sich der Konzern: Vor kurzem erhielt die Tochter Krupp VDM GmbH ein Patent für eine Erfindung der eigenen Art. Mit einem neuen Fertigungsverfahren (Feueraluminieren von Chromstahl) lassen sich Nickelbasis- Werkstoffe und Edelstähle herstellen, die Temperaturen jenseits von 1.000 Grad Celsius aushalten. Es geht um einen Verbundwerkstoff (Aluchrom 7 Al YHF), der maximal 1.100 Grad Celsius verträgt und sich trotz eines sehr hohen Aluminiumanteils von sieben Prozent (bezogen auf die Gesamtmasse) gut verformen läßt.

Die Einsatzarten nannte Dr. Jutta Klöwer, Leiterin Anwendungstechnik und Verfahrensentwicklung: ?Einseitig mit Aluminium angereicherte Verbundwerkstoffe eignen sich beispielsweise für Halbzeuge, die auf der einen Seite hohen Temperaturen wie heißem Prozeßgas, auf der anderen Seite aggressiven Medien wie Säuren oder Alkalien ausgesetzt sind.? In der Praxis entstand dieser Werkstoff im Auftrag des Automobilzulieferers Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH aus Lohmar, der damit nur noch 20 bis 30 µm dünne Folien für seine Metallkatalysatoren herstellt (früher 50 µm). Der Hintergrund: Mit den dünneren Folien läßt sich die Anzahl der Zellen pro Quadratzoll (cs pi) auf 800 verdoppeln. Derartige Hochleistungskats, die Emitec mit Toyota bereits 1997 vorstellte, benötigt die Automobilindustrie zum Erfüllen der neuen scharfen internationalen Abgasregeln ?ULEV? und ?SULEV? (Ultra Low Emission Vehicle und Super-ULEV).

Beständig gegen heiße Säuren und Basen

Im nächsten Schritt sollen nach dem gleichen Fertigungsverfahren hochaluminiumhaltige Nickelwerkstoffe entstehen, die sich etwa für sogenannte Wärmebehandlungsrohre in Chemieanlagen eignen. Das Prinzip: Das Rohr transportiert aggressive Gase, die innen eine korrosionsbeständige Nickel-Chrom-Molybdän- Schicht umgibt. Außen schützt eine aluminiumreiche Wand das Gas vor der hohen Temperatur der heißen Umgebungsluft.

Zu guten alten Bekannten der Chemieindustrie zählen die Legierungen ?Nicrofer 3227 hMo - alloy 31? und ?Nicrofer 3033 - alloy 33?. Besonders bei harten Einsätzen haben sich diese Legierungen bewährt. Ein Beispiel nannte Dr. Iris Rommerskirchen von der Anwendungstechnik und Verfahrensentwicklung bei Krupp VDM: ?Alloy 31 erhielt kürzlich die Zulassung für die Erdöl- und Edgasförderung gemäß NACE-Spezifikation.?

Eine ganz neue Anwendung für Alloy 33 fand Krupp VDM im eigenen Haus. Bleche aus dieser Legierung verwendet das Schwesterunternehmen Nirosta neuerdings in ihren Beizbecken (Randbedingungen: 18- bis 20-prozentige Salpetersäure, drei bis fünf Prozent Flußsäure, 50 bis 60 Grad Celsius Betriebstemperatur). Bisher kamen herkömmliche Qualitätsstähle zum Zuge, deren fünf Millimeter dicke Gummierung alle ein bis drei Jahre ausgebessert werden muß. Bei den Alloy-31- Blechen kommt es laut VDM frühestens nach einem Jahrzehnt zu Instandhaltungsarbeiten. Sicherlich eine der schönsten stählernen Einsatzarten: Der eine Stahl sorgt dafür, daß andere sich noch preiswerter fertigen lassen.

Erschienen in Ausgabe: 12/1999