Leichtbau Neuartige Stahlsorten erlauben Höchstleistungen

Autor: Stéphane Itasse

Mehr Energieeffizienz, mehr Materialeffizienz, besserer Leichtbau: Die Kunden traktieren Hersteller von Stahlprodukten mit immer höheren Anforderungen. Die Stahlhersteller reagieren mit neuartigen Produkten, die vielerlei Verbesserungen erlauben.

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Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs Tribond werden Brammen aus verschiedenen Stahlsorten miteinander warmgewalzt.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs Tribond werden Brammen aus verschiedenen Stahlsorten miteinander warmgewalzt.
(Bild: Thyssenkrupp/Rainer Schröer)

Insbesondere die Autoindustrie muss leichtere Produkte herstellen, um die CO2-Emissionen zu mindern. Um Karosseriegewicht zu sparen, hat Thyssenkrupp Steel Europe mit Tribond einen dreischichtigen Werkstoffverbund aus Stahl zur Warmumformung vorgestellt. Die beiden zunächst erhältlichen Ausführungen Tribond 1200 und Tribond 1400 sind für sicherheitsrelevante Strukturen im Fahrzeug gedacht und vereinen hohe Zugfestigkeiten und Duktilität.

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Das liegt am Werkstoffaufbau: „Tribond besteht aus einem harten Stahl in der Mitte und einem weichen Stahl oben und unten. Durch den harten Kern erreichen wir eine sehr hohe Festigkeit, durch die weichen Deckschichten eine sehr gute Umformbarkeit“, erläutert Dr. Julia Mura, Produktmanagerin bei Thyssenkrupp Steel Europe. Verglichen mit einem konventionellen höchstfesten Stahl erreicht Tribond laut Hersteller bei der Duktilität einen um bis zu 150 % vergrößerten Biegewinkel bei vergleichbaren Streckgrenzen und Zugfestigkeiten.

Drei zusammen gewalzte Brammen ergeben den Werkstoffverbund

Bei der Herstellung werden drei Brammen übereinandergelegt, zu einem Paket verschweißt und zusammen warm- und kaltgewalzt sowie beschichtet. Im Warmwalzprozess führen hohe Temperaturen und Drücke zu Diffusion zwischen den Lagen und zu Verbindungen auf atomarer Ebene.

Leichtbau durch weniger, aber hochfesten oder ultrahochfesten Stahl: Dieses Konzept verfolgt auch der schwedische Hersteller SSAB. Mit Docol 1700 M bietet das Unternehmen bereits seit 2014 eine Stahlgüte für sicherere und leichtere Fahrzeuge. „Mit der neuen Güte wird es möglich, dünne und leichte Stoßfänger mit hohem Energieaufnahmevermögen und Eigenschaften zu produzieren, die mit anderen Werkstoffen schwer zu realisieren sind“, berichtet Olof Carré, Global Product Manager für den Bereich Automotive bei SSAB. Der martensitische Stahl eignet sich für die Rollumformung. Die Zugfestigkeit von 1700 MPa wird dadurch erreicht, dass er in der Produktion eine spezielle Wärmebehandlung in Verbindung mit einer sehr hohen Abkühlgeschwindigkeit erfährt. Laut Carré erfüllt der Werkstoff dennoch die Forderungen der Autohersteller nach einer kostengünstigen Produktion.

Weitere hoch- und höchstfeste Stahlsorten kommen bald auf den Markt

Innerhalb der kommenden Monate wollen die Schweden zwei neue warmgewalzte, hochfeste Stähle für Fahrzeugchassis auf den Markt bringen. „Diese Stähle werden eine Zugfestigkeit von mehr als 800 beziehungsweise 1000 MPa und einzigartige Eigenschaften für eine größtmögliche Lochaufweitung und Duktilität haben“, kündigt José Puente Cabrero, Portfoliomanager Automotive Products bei SSAB, an. Nach seinen Worten will das Unternehmen zudem neue Stähle zum Presshärten mit einer Zugfestigkeit von mehr als 2000 MPa, aber dennoch guter Umformbarkeit einführen.

Beim Einsatz von höher- und höchstfesten Stählen, wie Dual- oder Komplexphasenstählen, wurden allerdings von einigen Anwendern verstärkt Probleme mit dem Kantenrissverhalten beobachtet, wie Frank Heidelberger, Leiter Marketing der Salzgitter Flachstahl GmbH, berichtet: „Das führte dazu, dass ein Umformprozess, der in der Simulation als machbar eingestuft wurde, in der Praxis nicht ohne umfangreiche Werkzeugänderungen realisiert werden konnte.“

Um diesem Phänomen zu begegnen, hat Salzgitter die Xpand-Baureihe entwickelt. „Diese Stähle zeichnen sich durch ein besseres Kantenrissverhalten aus, das durch das so genannte Lochaufweitungsvermögen beschrieben werden kann. Abhängig von der bestellten Stahlgüte garantiert die Salzgitter Flachstahl bei den Xpand-Güten dem Anwender deutlich höhere Lochaufweitungswerte als vergleichbare Wettbewerber“, sagt Heidelberger.

Neben der Festigkeit des Stahls zählt auch die Duktilität

Für leichtere Fahrwerke im Auto hat Tata Steel zwei neue Stahlsorten auf den Markt gebracht: die warmgewalzten Stähle der XPF-Familie und den Komplexphasenstahl HR CP800-UC. Die XPF-Stähle besitzen laut Hersteller eine Mikrostruktur aus Einzelphasenferrit mit hoher Ausscheidungshärtung. Das sorge für ein hohes Festigkeit-Streckgrenzen-Verhältnis, verbesserte Bruchdehnung, Dauerfestigkeit und Schweißbarkeit sowie eine Konsistenz wie bei herkömmlichen hochfesten, niedriglegierten Stahlgüten. Damit könnten die Autohersteller Bauteile auslegen, die mehr als 10 % leichter sind als vergleichbare fortschrittliche Stahlsorten.

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„Im Vergleich zum HR CP800-UC bietet XPF800 sogar höhere Festigkeiten bei einer verbesserten Materialumformbarkeit, die sich aus den Dehnungs- und Lochaufweitungskapazitäten ergeben“, sagt Chris Wooffindin, Product Marketing Manager Automotive bei Tata Steel. Der HR CP800-UC hingegen sei mit einer optimalen Balance zwischen Dehnung und Lochaufweitungskapazität entwickelt worden.

Auch verbesserte Beschichtungen tragen zum Leichtbau bei

Einen anderen Ansatz zeigt Salzgitter: „Verbesserte Oberflächenbeschichtungen, zum Beispiel die Zink-Magnesium-Beschichtung Stronsal, führen zu niedrigeren Zinkschichtdicken und damit zu Gewichtseinsparung an Automobilteilen“, sagt Heidelberger. Beim Umformen verursacht diese Beschichtung laut Heidelberger weniger Zinkabrieb, verglichen mit einer herkömmlichen Feuerverzinkung. Dadurch müssen die Werkzeuge seltener gereinigt werden.

Auch die Massivumformer wollen weniger Gewicht. „Wir definieren zum Beispiel im Rahmen der Initiative Massiver Leichtbau unter anderem mit unserem Schwesterunternehmen Swiss Steel sowie Massivumformern, wie man die Energieeffizienz von Stahl durch die Verkürzung der Prozesskette in der Fertigung erhöhen kann. Außerdem bieten wir Stahlprodukte mit Festigkeiten über 1000 MPa und einer hohen Reinheit. Dadurch ermöglichen wir Komponenten, die belastbarer und leichter sind“, sagt Frank Wilke, Vice President Technology + Quality der Deutschen Edelstahlwerke.

Neue Stahlsorte spart bei der Kaltmassivumformung Prozessschritte ein

Ein anderes Beispiel ist der Spezialstahl Swissbain-7MnB8. „Entwickelt für die Kaltmassivumformung, zeichnet er sich durch eine hohe Ausgangsfestigkeit und gleichzeitig gute Umformbarkeit aus. Dadurch sparen Anwender die Wärmebehandlungen Glühen und Vergüten ein“, erläutert Stephan Hasler, Manager Research & Development bei Swiss Steel.

Tata Steel unterstützt den Leichtbau zudem mit einem Verbundwerkstoff: Das Sandwichprodukt Coretinium kombiniert eine Polypropylen-Wabenstruktur und zwei Stahldeckbleche der Sorte S220. Es eignet sich als Material für Bodengruppen oder Seitenwände für Hersteller von Nahverkehrs- und Nutzfahrzeugen. Spezifische Beispiele für die Effizienz konnte Tata Steel auf Anfrage von MM MaschinenMarkt allerdings noch nicht vorlegen, da der Werkstoff erst seit der Blechexpo 2015 auf dem Markt ist.

Verbundwerkstoff aus Polypropylen und Stahl bietet hohe Steifigkeit

„Der leichte Wabenkern spart Transportkosten und sorgt für eine einfache Handhabung. Außerdem weist Coretinium im Vergleich zu anderen Werkstoffen auch beim Eindringen von Feuchtigkeit oder Nässe eine hohe Bindungsintegrität auf“, sagt Edwin Richards, Technical Sales Manager bei Tata Steel. Die hohe Steifigkeit von 36.000 kNcm²/m im Verhältnis zum Gewicht geht nach seinen Angaben auf die Festigkeit des Stahls als Deckmaterial zurück.

Der Werkstoff kann laut Richards gekantet und gewalzt werden. Daneben lässt sich auch ein einzelnes Deckblech biegen, nachdem Rückwand und Kern entfernt wurden. Ungeeignet ist der Werkstoff für das Tiefziehen, Pressen, Scheren oder Stanzen. „Theoretisch ist es möglich, an gewissen Stellen mit erhitzten Werkzeugen eine Tiefziehfähigkeit zu erzielen, dieses wurde aber noch nicht getestet“, sagt er.

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Auch andere Branchen setzen auf Leichtbau. „Für den Einsatz von hochfestem Spezialstahl sehen wir Potenzial im Spezial-Maschinenbau sowie im allgemeinen Maschinenbau. In diesen Bereichen kann der Werkstoff kann dabei unterstützen, die Feinwerktechnik filigraner zu konstruieren und gegebenenfalls das Anlagengewicht zu reduzieren. Außerdem können hohe Stahlfestigkeiten Vorteile in der Schraubenindustrie ermöglichen, zum Beispiel bei hochfesten Verbindungselementen. Allerdings muss für den prozesssicheren Einsatz der neuen Stahlsorten in diesen Anwendungsbereichen noch Forschungsarbeit geleistet werden, um die Dauerfestigkeit zu sichern“, erläutert Wilke.

Auch Thyssenkrupp wendet sich an Kunden außerhalb der Autobranche. Für sie wurde der Baustahl Xabo 1300 entwickelt, mit dem beispielsweise Mobilkrane leichter werden und doch hohe Traglasten erreichen. „Wir glauben, dass wir mit neuen hochfesten Stahlwerkstoffen in das Optimum kommen, was das Verhältnis Gewicht zu Kosten angeht“, sagt Dr. Axel Grüneklee von Thyssenkrupp Steel Europe. Xabo erreicht nach seiner Aussage eine Streckgrenze von 1300 MPa und eine Zugfestigkeit bis 1700 MPa.

Ausgefeilter Produktionsprozess ergibt Stahl mit sehr feiner Gefügestruktur

Dies liegt an einer sehr feinkörnigen Gefügestruktur, die wiederum einen ausgefeilten Produktionsprozess voraussetzt: Nach der Konverterphase wird der Stahl durch einen beruhigten, schlackenfreien zweiten Abstich und durch die Zugabe von Legierungsmitteln vorbereitet. Darauf folgen eine Spülbehandlung mit Argon und eine erste Temperatureinstellung. Schließlich werden in der Vakuumbehandlung Feinlegierung, Endtemperatureinstellung und Reinheitsgradspülung vorgenommen. Auch bei der Walz- und Wärmebehandlung wird durch das Doppelhärten die Herstellung anspruchsvoller. „Wir kommen schon fast an die Grenzen dessen, was mit den bekannten Produktionsmechanismen möglich ist“, findet Grüneklee. Im Vergleich zu herkömmlichen Stählen kann die Blechdicke um 70 bis 80 % reduziert werden.

Ein ähnliches Ziel erreicht Thyssenkrupp mit einem anderen Ansatz bei Scalur+Z: Dieses feuerverzinkte Blech hat Dickentoleranzen von 0,06 mm, deutlich unter der Norm. „Damit können wir die Bestelldicke reduzieren, ohne die Mindestbauteildicke zu unterschreiten“, erläutert Dr. Andrea Biermann von Thyssenkrupp Steel Europe. „Für eine Mindestbauteildicke von 1,497 mm hat der Kunde bisher ein Blech mit einer Dicke von 1,7 mm und ± 0,21 mm Dickentoleranz bestellt. Mit Scalur+Z reicht eine Blechdicke von 1,55 mm ± 0,06 mm, das spart 8,8 % Gewicht ein", sagt sie. Damit könnten bei einem 25-t-Coil bis zu 110 Bandmeter mehr an den Kunden ausgeliefert werden. Außerdem wird der Produktionsprozess beim Kunden effizienter, denn durch das längere Band verringern sich die Rüstzeiten und es gibt weniger Stillstand in der Fertigung. Hinzu kommt eine Gewichtseinsparung bei Bauteilen, ebenfalls durch die engen Dickentoleranzen.

Manchmal ist nicht einmal ein neuer Werkstoff nötig, um mit Materialeffizienz Geld zu sparen – es reicht eine Idee. So hat Salzgitter bei einem Kunden die Zuschnittverluste gesenkt, indem statt eines 1350 mm breiten ein 1860 mm breites Band eingesetzt wurde. So konnten der Platinenzuschnitt um 90° gedreht und die Ausschnitte besser verschachtelt werden. „Ein ähnlicher Effekt wird durch Tailored Blanks erreicht, wie sie die Salzgitter Europlatinen GmbH anbietet. Durch die Kombination von zwei Blechzuschnitten in den Dicken 0,75 mm und 1,5 mm konnte bei einem Heckklappen-Innenblech für Pkw ein Leichtbauvorteil von 14 % gegenüber einer herkömmlichen Monoplatine erreicht werden“, sagt Heidelberger.

Um für Stahl-Service-Center ähnliche Möglichkeiten zu eröffnen, hat SSAB Lieferprogramm und Maximalgewicht für seine dicken Quartobleche erweitert. Die Bleche sind jetzt bis zu 18 t Gewicht erhältlich statt zuvor 11 t, was eine effizientere Verschachtelung ermöglicht.

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