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Leichtbau

Werkstofftrends: Alter Stahl neu erfunden

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In Sachen Sandwich forscht beispielsweise auch das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. Zwischen zwei massiven Deckblechen verbirgt sich ein sogenannter Metallschaum, der eine ähnliche Struktur wie Knochen hat. Metallschäume sind hochporöse, leichte Materialien, die aufgrund ihrer zellularen Struktur hervorragend Energie in Form von Schwingungen, Stößen oder Schall dämpfen, temperaturbeständig sind und gleichzeitig elektromagnetische Wellen abschirmen. In Sandwichkonstruktionen im Verbund mit Aluminium- oder Stahlblechen zeigen Metallschäume eine vielfach höhere Biegesteifigkeit als massive Bleche und eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts besonders für Leichtbaukonstruktionen sowie dynamisch stark beanspruchte Teile.

Nicht nur fest, sondern hochfest

Eine andere Alternative auf dem Vormarsch sind die hochfesten Stähle. „Aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Festigkeit ermöglicht hochfester Edelbaustahl der Automobilindustrie konstruktive Verbesserungen, vor allem an bewegten dynamischen Komponenten. So führen zum Beispiel eine Verringerung der Wandstärke, Aussparungen an Stellen ohne Funktion oder weiterentwickelte Geometrien dazu, dass Bauteile wie Pleuel, Getrieberäder oder Kurbelwellen deutlich leichter werden“, erklärt Wilke von den Deutschen Edelstahlwerken. Die Herausforderungen, die mit hochfesten Stählen verbunden sind, beschreibt Chris Wooffindin, Product Marketing Manager Chassis & Suspension bei Tata Steel: „Die Verarbeitung dieser hochfesten Stähle ist oftmals komplizierter im Vergleich zu herkömmlichen oder weniger festen Stählen. Die hochfesten Stahlsorten sind häufig weniger gut formbar und schwieriger zu schweißen, sodass es eine große Herausforderung ist, bei der Herstellung von Strukturbauteilen keinen höheren Ausschuss zu erzeugen. Die Stahlindustrie und auch wir bei Tata Steel reagieren darauf, indem wir neue, ultrahochfeste Stahlfamilien entwickeln, die sich durch ein verbessertes Umformverhalten sowie eine reinere chemische Zusammensetzung für bessere Schweißbarkeit auszeichnen.“ Eigenschaften wie hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit schließen sich bisher eigentlich aus. „Wir bei Tata Steel sehen, dass vor allem hochfeste Stähle mit einer verbesserten Umformbarkeit stark gefragt sind. Denn die erste Generation der fortschrittlichen hochfesten AHSS-Stahlsorten bot zwar die von den Konstrukteuren geforderte Festigkeit, nicht jedoch das nötige Umformverhalten für die Verarbeitung. Daher haben wir unsere Hyper-Form-Stahlsorten entwickelt, die sich durch die gewünschte Balance aus Festigkeit und Umformbarkeit auszeichnen“, erklärt Wooffindin weiter. Tata Steel verfolgt die Philosophie, kosteneffiziente Lösungen zu entwickeln, mit denen Produktingenieure ihre Zielvorgaben erfüllen können, und dabei sicherzustellen, dass auch die Fertigungsingenieure diese Designs für das finale Fahrzeugmodell produzieren können. Ziel ist es, die Stahllösungen bei geringstmöglichen Gesamtbetriebskosten zu integrieren. „Je nach Anwendung kann Tata Steel dabei helfen, die Gesamtbetriebskosten zu senken, indem beispielsweise elektroverzinkte Stähle durch feuerverzinkte Stahlsorten ersetzt werden. Oder die verschiedenen Umformbarkeitscharakteristiken können je nach Bauteilanforderungen verbessert werden. Für Fahrwerkskomponenten zum Beispiel das Lochaufweitungsvermögen des Stahls oder für komplex geformte Bauteile die Tiefziehfähigkeit oder für rollprofilierte Träger die Biegsamkeit“, sagt Wooffindin. Die Deutschen Edelstahlwerke bieten unter der Marke Carbodur eine Reihe hochfester Stähle, beispielsweise für Kolbenbolzen oder Antriebswellen, die trotz hoher Festigkeit eine gute Elastizität bieten. Durch sekundärmetallurgische Behandlungen oder durch Umschmelzen wird ein extrem hoher Reinheitsgrad der Stähle erreicht. Nichtmetallische Einschlüsse werden praktisch ausgeschlossen.

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Auch das Design spielt eine Rolle

Um den Widerspruch von hoher Festigkeit und guter Umformbarkeit zu lösen, forschen die Stahlproduzenten unter anderem an speziellen Legierungselementen und gezielter Wärmebehandlung. Die Ergebnisse sind zum Beispiel biegsame Dualphasenstähle, die ihre endgültige Festigkeit erst in der Umformung zu einem Autoteil erreichen. Oder Bake-Hardening-Stähle, die erst in der Hitze beim Lackieren richtig fest werden. Die Salzgitter AG ist sich diese Möglichkeiten bewusst. Bernhard Kleinermann, Leiter Konzernkommunikation und Pressesprecher der Salzgitter AG, erklärt: „Interessant für die Automobilindustrie sind vor allem Stähle mit hochfesten Güten. Sie ermöglichen bei gleicher Stabilität geringere Wandstärken von Bauteilen, was natürlich ein geringeres Gewicht bedeutet.“ Bei Salzgitter forscht und entwickelt man beispielsweise hochmanganhaltige Stähle, die diese Ansprüche gut erfüllen können. Neu entwickelte hochmanganhaltige Leichtbaustähle haben im Vergleich zu konventionellen Stählen eine verringerte Dichte, hohe Festigkeiten und außergewöhnlich hohe Bruchdehnungen. „Für diese innovativen Hochleistungswerkstoffe entwickeln wir zurzeit ein ressourcenschonendes und wirtschaftliches Herstellungsverfahren“, erklärt Kleinermann. Ulrich Grethe, Vorsitzender der Geschäftsführung der Salzgitter Flachstahl, Burkhard Dahmen, Vorstandsvorsitzender SMS Siemag, und Prof. Dr. Karl-Heinz Spitzer, Inhaber des Lehrstuhls für Metallurgische Prozesstechnik am Institut für Metallurgie der Technischen Universität Clausthal, wareb für ihre Lösung eines horizontalen Bandgießens von Stahl für den deutschen Zukunftspreis 2014 nominiert. Sie sind verantwortlich für die Entwicklung eines neuen Stahlgießverfahrens, das weit weniger Energie und Rohstoffe als bisher benötigt. Gleichzeitig lässt sich die innovative Methode recht kostengünstig realisieren und bietet vor allem die Chance, das nutzbare Spektrum der Eigenschaften von Stahl deutlich zu erweitern. Beim horizontalen Bandgießen, wird der Stahl nicht wie bislang üblich in bis 30 cm dicken Blöcken gegossen, die unter hohem Zeit- und Energieaufwand in die benötigte Form weiterverarbeitet werden müssen. Stattdessen liefert das Verfahren 1 bis 2 cm dünn gegossene Bänder, die sich bereits der für viele Anwendungen benötigten Materialdicke annähern.

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Über den Autor

M.A. Frauke Finus

M.A. Frauke Finus

Leitende Redakteurin, Redaktion @blechnet.com

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