„Super-Stahl“ bringt noch mehr Sicherheit ins Auto
VDI nachrichten, Düsseldorf, 5. 10. 07, kip – Hochleistungs-Leichtbaustähle der neuesten Generation für Autokarosserien sind besonders fest und äußerst dehnbar zugleich. Bei einem Unfall nimmt ein solcher Stahl die Verformungsenergie weitgehend in seinem Gefüge auf.
Leichtbau und Fahrgastsicherheit, aber auch Recyclingfähigkeit spielen eine wachsende Rolle bei der Konzeption neuer Fahrzeuge. Dabei kommt dem Karosseriestahl eine zentrale Bedeutung zu. Um bei einem Unfall die Aufprallenergie in Verformung umzuwandeln, muss die Karosserie verformbar und trotzdem fest sein. Zwei Eigenschaften, die sich eigentlich widersprechen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf haben jetzt mit einer Mischung aus Mangan, Silizium, Aluminium und Eisen einen neuartigen Stahl entwickelt, der beide Funktionen erfüllen soll. Bei einem Aufprall aktiviert der TWIP-Stahl (Twinning Induced Plasticity) seine Dehnungsreserve und beginnt sich zu verformen. Der Clou dabei: Jeder Punkt im Kristallgitter des Stahls dehnt sich dabei nur ein bestimmtes Stück. Dann verfestigt er sich wieder und leitet den Rest der Energie an das umgebende Material weiter. Dadurch breitet sich die Energie gleichmäßig über die ganze Fläche des Metalls aus. Die kinetische Energie des Aufpralls verteilt sich.
„Wir werden zukünftig Stähle haben, die eine sehr hohe Festigkeit, aber auch ein hohes Verformungsvermögen haben, sodass die Insassen im Falle eines Crashs umfassend geschützt werden“, schildert Anke Rita Pyzalla, Direktorin am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Die Entwicklung des neuartigen Werkstoffes gelang mithilfe moderner computergestützter Methoden.
„Die TWIP-Stähle werden aufgrund der hervorragenden Umformbarkeit völlig neue Möglichkeiten für den Leichtbau eröffnen,“ glaubt auch Dr. Thomas Heller, Leiter der Werkstoffentwicklung von ThyssenKrupp Steel. Gemeinsam mit ArcelorMittal entwickelt das Unternehmen ebenfalls ein Stahlkonzept, das Dehnungen über 50 % gegenüber der Ausgangslänge aufweist. Zur Verdeutlichung: An einen solchen 2 mm dicken und 50 mm breiten Blechstreifen kann man ein Gewicht von rund 10 t hängen. Die herausragenden Eigenschaften der auch als X-IP (Extreme strength and formabilty by induced plasticity) bezeichneten Stähle resultieren aus der Zwillingsbildung des austenitischen Gefüges beim Umformen, etwa durch Gesenkschmieden oder Biegen.
Beide Stahlunternehmen haben bereits mehrere Schmelzen großtechnisch erzeugt. Erste Bauteile und Komponenten wurden erfolgreich umgeformt, untersucht und getestet, so Heller. Bereits in wenigen Jahren soll der TWIP-Stahl nun in die ersten Karosserien neuer Autos eingebaut werden und zwar genau in die Bereiche, die es bei einem Unfall überdurchschnittlich häufig trifft: In die Kotflügel und in die Seitentüren.
Ein weiteres Beispiel für Werkstoffe mit „Verformungsintelligenz“ sind die vor einigen Jahren entwickelten sogenannten TRIP-Stähle (Transformationinduced Plasticity) auf C-Mn-Si-Nb-Basis, die sich während der Umformung verfestigen. Durch Zugabe der Legierungselemente bilden sich energetisch begünstigte Kristallgitterstrukturen aus: „Bedingt durch ihren Aufbau lassen sich manche Gitterstrukturen leichter verformen als andere“, erläuterte Werkstoffexpertin Pyazalla. Aktuell in Entwicklung ist eine mit Mangan legierte Stahlklasse mit einem nochmals verbesserten Verhältnis von Festigkeit und Umformbarkeit. ThyssenKrupp Steel AG und andere Stahlhersteller arbeiten daran, den Kohlenstoffgehalt, der die Schweißeignung beeinträchtigen kann, bei den TRIP-Stählen zu verringern. Mit diesen Werkstoffen sollen Gewichtseinsparungen von rund 20 % bei Automobilkarosserien möglich sein. E. LANGE/KIP
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