Stahl-Werkstoffe Intelligenter Stahl für Autos von morgen

Stets geht es darum, die Autos stabiler, leichter und zugleich sicherer zu machen. Dadurch können die Abgasemission und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, durch die höhere Festigkeit des Materials steigt die Sicherheit. Auch auf die geforderte gute Umformbarkeit der Stähle beispielsweise im Automobilbau müssen Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Produktentwicklung früh reagieren.

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Stahl besteht größtenteils aus Eisen. Seine unterschiedlichen Eigenschaften erhält er durch die Zugabe verschiedener Metalle (Legieren) sowie Wärmebehandlung und Verarbeitung. Letztendlich entscheidet der konkrete Anwendungsfall des Stahls (rostfrei, hoch- oder höchstfest) darüber, welche Legierungselemente zugegeben werden.

Als Prof. Georg Frommeyer, Leiter der Abteilung Werkstofftechnik am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf, Ende der 90-er Jahre damit begann, die Eigenschaften der neuen Stähle gezielt zu erforschen, war das Grundprinzip des Werkstoffverhaltens bekannt: Die spezifischen Verhaltensweisen verschiedener Stähle werden jeweils durch ihre Kristallgitterstrukturen bestimmt, also durch die räumliche Anordnung der Atome. Durch die entsprechende Zugabe der Legierungselemente bilden sich bevorzugte Kristallstrukturen aus, die dann für bestimmte Funktionen verantwortlich sind. Das war zu diesem Zeitpunkt bereits bekannt.

Als erster Wissenschaftler der Welt beschäftigte sich Frommeyer jedoch mit der konsequenten Entwicklung der hochmanganhaltigen Stähle und der gezielten „Feineinstellung“ der Materialeigenschaften. Der anerkannte Stahlexperte, der in der Branche durch seine innovativen Ideen bekannt ist, gilt als Erfinder der sogenannten TWIP-Stähle (Twinning Induced Plasticity).

Anfangs waren es Erfahrungswerte, die ihn und sein Team folgern ließen, dass sich eine Kombination aus einem hohen Mangangehalt, Silizium und Aluminium für die neue Leichtbaustähle eignen müsste. Die Versuche gaben ihnen letztendlich recht.

Zwillingsdefekte machen Stahl dehnbar

Eine Schlüsselfunktion hat das Mangan, denn es verändert die Gitterstruktur der Legierung. Dies führt dazu, dass Atomgruppen bei Deformationen umklappen und so genannte Zwillingsdefekte ausbilden. Je mehr Belastung auf den Werkstoff wirkt, desto weiter setzt sich die Bildung der Zwillingsdefekte fort.

„Die so entstandenen Gitterdefekte und ihre Wechselwirkung mit anderen mikroskopisch kleinen Baufehlern im Material sind ein besonderes mikrostrukturelles Phänomen und letztendlich auch für die besonderen Dehnungsreserve dieser Stähle verantwortlich“, so MPIE-Direktor Dierk Raabe. Trotz der experimentellen Erkenntnisse lassen sich jedoch noch nicht in allen Fällen ausreichend reproduzierbare Eigenschaften darstellen. Diese sind jedoch für die industrielle Anwendung der Stähle notwendig.

Der Leibniz-Preisträger, der am MPIE für den Bereich Mikrostrukturphysik und Umformtechnik verantwortlich ist, weiß, dass die Entwicklung einer neuen Stahlsorte bis zu 20 Jahre dauern kann. Eine lange Zeit. Erst recht dann, wenn die Industrie drängt. Ein Forschungsprojekt, in dessen Verbund Raabe den Beitrag der materialphysikalisch begründeten Simulationsmethoden verantwortet, soll die Entwicklungszeiten neuer Stähle jetzt verkürzen helfen.

Forschungsprojekt soll neue Stahlsorten schneller nutzbar machen

Seit Juli 2007 arbeitet der Sonderforschungsbereich „ Stahl ab-initio“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft daran, Zusammenhänge zwischen der Legierungszusammensetzung und den Verformungsmechanismen zu klären und Eingangsgrößen für die Mikrostruktur-Modellierung bis hin zur Prozesssimulation zu erarbeiten. Das Projekt, das bis 2011 angelegt ist, ist eine Kooperation zwischen acht Instituten und Lehrstühlen der RWTH Aachen und drei Abteilungen des MPIE.

Neu ist der Einsatz moderner quantenmechanischer Berechnungsverfahren, der „ab-initio“-Berechnungsverfahren in der Entwicklungsmethodik. Mit skalenübergreifenden Modellierungsansätzen soll, ausgehend von quantenchemischen Betrachtungen, die Werkstoffentwicklung erheblich beschleunigt werden.

Alles dreht sich um Stahl

Auch für MPIE-Direktorin Prof. Anke Pyzalla, die die Arbeiten von Georg Frommeyer fortführt, hat Stahl eine besondere Faszination. „Stahlforschung mit direktem Anwendungsbezug ist sehr interessant. Auch das Umfeld mit Sitz auf dem so genannten Stahlcampus und in direkter Nähe zum Stahlinstitut VDEh und zur Wirtschaftsvereinigung Stahl ist optimal.“

Die direkte Industrieschnittstelle ist durch die Anteile von jeweils 50%, die die Max-Planck-Gesellschaft und das Stahlinstitut VDEh halten, auch gegeben. „Spannend ist auch, dass wir heute Entwicklungsmethoden verwenden, die früher nur von Physikern eingesetzt wurden“, meint Pyzalla.

Nicht zuletzt sei es jedoch auch die gute Ausstattung, so Pyzalla. „Wir gehören zu den wenigen Instituten, die Stahl selbst herstellen können und verfügen außerdem über alle Möglichkeiten, die Mikrostruktur und die Werkstoffeigenschaften zu charakterisieren.“

Neue Leichtbau-Stahlsorten dürften für die Autoindustrie interessant sein

Noch werden die neuen Leichtbaustähle nicht industriell erzeugt. Doch seine Eigenschaften machen ihn geradezu zum Idealwerkstoff für die Fahrzeugindustrie: besonders fest und gleichzeitig dehnbar.

Die Stahlhersteller haben die Forschungsergebnisse gern aufgenommen und reagieren nun: Thyssen-Krupp Steel und Arcelor Mittal arbeiten gemeinsam an einem neuen Stahlkonzept, das die guten Umformeigenschaften der TWIP-Stähle aufgreift. Die sogenannten X-IP-Stähle (extreme Festigkeit und Umformbarkeit durch induzierte Plastizität) bieten Zugfestigkeiten über 1000 MPa bei gleichzeitig besten Umformeigenschaften.

Stahlsorten eröffnen neue Möglichkeiten im Karosserie-Rohbau

„Für Automobilkonstrukteure eröffnen sich damit bis dahin nicht gekannte Perspektiven und Gestaltungsmöglichkeiten in der Entwicklung von Fahrzeugstrukturen und Fahrzeugbauteilen“, sagt Dr. Thomas Heller, Teamkoordinator bei Thyssen-Krupp Steel. Typische Anwendungen sind Strukturteile von Fahrzeugkarosserien im Karosserie-Rohbau oder im Chassis.

„In ersten Untersuchungen gemeinsam mit Automobilherstellern hat sich aber auch gezeigt, dass an einigen Punkten noch gearbeitet werden muss, bevor das Produkt in der Serie zur Anwendung kommen kann“, berichtet Heller weiter.

Frühzeitige Werkzeugauslegung sichert Qualität im Umformprozess

Doch ähnlich wie beim Kuchen, verhält es sich streng genommen auch bei der Verarbeitung von Stahl. Wenn das Rezept stimmt, aber die Form ungeeignet ist, gelingt am Ende der Kuchen nicht. Neben der Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile des Werkstoffes kommt es also auch auf das Werkzeug für die Weiterverarbeitung an.

Werkzeugstahlhersteller Böhler aus Düsseldorf kennt diese Schnittstelle genau. Hier weiß man, dass es letztendlich auch auf den Werkzeugstahl ankommt, um die Qualität der bearbeiteten Stahlbleche sicher zu stellen.

Um möglichst schnell und kundengerecht reagieren zu können, ist man auch über den Stand der Forschung bei der Entwicklung neuer X-IP-Stähle informiert. Die Entwicklung darauf abgestimmter Werkzeugstähle dauert drei bis fünf Jahre.

Entwicklung passender Werkzeugstähle dauert drei bis fünf Jahre

„Wenn die Eigenschaften weitgehend abgeklärt sind, gehen wir auf die Kunden zu“, sagt Jörn Maubach, Produktmanager Werkzeugstahl bei Böhler. „Wir stellen unser Werkzeugstahlkonzept vor und fahren gemeinsam mit dem Kunden Praxisversuche.“ So kann beispielsweise das Umformverhalten in der Kombination neuer X-IP-Stahl/neuer Werkzeugstahl vor der Serienproduktion getestet und gegebenenfalls korrigiert werden.

„Ideal ist es natürlich, wenn der Kunde frühzeitig auf uns zukommt und wir so auch bei der Entwicklung neuer Werkzeugstähle zeitnah reagieren können“, so Maubach weiter. „Thyssen-Krupp hat uns den neuen X-IP-Stahl vorgestellt, um die Werkstoffeigenschaften bei der Auslegung der Umformwerkzeuge berücksichtigen zu können. Natürlich können Stahlhersteller ihren Stahl besser verkaufen, wenn sie Aussagen zur geeigneten Weiterverarbeitung machen können.“

Für die Verarbeitung von TWIP beziehungsweise X-IP-Stählen hat man bei Böhler zwei Werkzeugstähle entwickelt: K340 und K390. Insbesondere für die Blechumformung empfiehlt Böhler K340.

Umformwerkzeuge mitunter aus verschiedenen Stählen

Bei so viel Wissenschaft auf dem Weg zum korrekten Umformergebnis wundert es kaum, dass Werkzeuge mitunter aus verschiedenen Stählen hergestellt sind. „So können beispielsweise bei der Blechumformung kritische Stellen gezielter beeinflusst werden“, so Maubach.

Am Ende der Kette kommt der neue Stahl beim Autohersteller oder Zulieferer an, um beispielsweise in eine Seitentür oder B-Säule umgeformt zu werden. Jetzt zeigt sich, ob die einzelnen Glieder der Kette ineinander greifen: von der Idee über die Entwicklung des Werkstoffes, seine Herstellung und die passgerechte Verarbeitung. Endprodukt ist ein Auto mit geringer Abgasemission und geringem Kraftstoffverbrauch, das eine hohe Insassensicherheit gewährleistet – im Idealfall auch ohne Crash.

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