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Formbar und leicht: Hochleistungsstahl mit Potenzial für die Automobilindustrie

Ein fester und dennoch plastisch formbarer Hochleistungsstahl, der leicht und auch noch günstig ist: Die Entwicklung eines solchen Materials ist nun Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf gelungen. Grundlage ist ein martensitaushärtender Stahl, ein ultrahochfester Stahl mit geringem Kohlenstoff und hohem Nickelgehalt, erklärt das MPIE. Da Nickel ein sehr teurer Legierungsbestandteil sei, hätten die MPIE-Wissenschaftler den Anteil reduziert, was die Kosten gesenkt habe. Zusätzlich zur Kostenreduktion sollen sie einen Effekt entdeckt haben, der das Material nun auch erheblich formbarer gestaltet. Über diese Entdeckung hat das Institut in "stahl und eisen 131 (2011) Nr. 6/7" aus dem Verlag Stahleisen berichtet.

Entwickelt hat diese neue Stahlsorte, namens Lean Maraging Trip Steels, Dr. Dirk Ponge, Gruppenleiter am MPIE. "Wir haben einen Stahl entwickelt, der fest und gleichzeitig verformbar und ultraleicht ist. Dies hilft bei der Herstellung komplizierter Teile und erhöht die Sicherheit zum Beispiel bei einer Anwendung im Automobilbereich", erklärt Ponge. Die Gewichtsreduktion gehe mit einem geringeren Energieverbrauch einher und somit einer niedrigen CO2-Emission, sodass dieser gerade für Automobilhersteller interessant sei.

Ein martensitaushärtender Stahl bildet die Basis der neuen Werkstoffentwicklung. Durch eine spezielle Wärmebehandlung lasse sich grundsätzlich die Festigkeit einer bereits sehr festen Martensitstruktur durch feinste Ausscheidungen weiter steigern, wird berichtet. Diese ultrahochfesten Stähle enthalten nahezu kein Eisen, erklärt das Institut. Der Nickelgehalt hingegen liege bei 15 bis 25 Prozent. Für die hohe Festigkeit sollen zudem zusätzliche Legierungsbestandteile wie Kobalt, Molybdän oder auch Titan sorgen. Und dies dadurch, dass sie bei der Wärmebehandlung intermetallische Ausscheidungen bilden, wie das Institut weiter erläutert. Problem ist, dass diese Stähle aufgrund des Nickelgehalts kostenintensiv sind. Die Lösung dafür haben die MPIE-Forscher gefunden, indem sie den Nickelgehalt dieses hochfesten Stahls reduziert haben, was zur Kostensenkung führt. Dabei haben sie jedoch einen zusätzlichen Effekt entdeckt. Weiterhin sorgen bei der Wärmebehandlung intermetallische Ausscheidungen für Festigkeit. Zur gleichen Zeit soll sich jedoch ein zweiter Effekt auswirken, der für erhöhte Festigkeit sorgt. Und der "Transformation-Induced-Plasticity(Trip)-Effekt. Im Material findet, ausgelöst durch eine Verformung, eine Phasenumwandlung von metastabilem Austenit zu Martensit statt. Das soll zu einer gleichzeitigen Erhöhung der Verformbarkeit und der Festigkeit führen, wie das Institut berichtet. Mit dieser Effektkombination soll man Zugfestigkeiten von bis zu 1500 Megapascal erreichen können. Zudem lasse sich der neue Stahl um 15 bis 20 Prozent dehnen.

Eine genaue Angabe über die Leichtigkeit des neuen Stahls könne allerdings nicht gegeben werden, erklärt das Institut. Denn hierbei komme es auf die letztendliche Zusammensetzung an. Erhöht man beispielsweise den Aluminium-Anteil, verdeutlicht das MPIE, so verringert sich das Gewicht um zirka 15 Prozent. Allgemein könne jedoch festgestellt werden, dass man dünneren Stahl verwenden könne, da dieser neu entwickelte Stahl fester sei und dass dadurch die gesamte Konstruktion, zum Beispiel des eines Autos, leichter werde.

Am MPIE wird moderne Materialforschung auf dem Gebiet von Eisen, Stahl und verwandten Werkstoffen betrieben. Ein Ziel der Untersuchungen ist ein verbessertes Verständnis der komplexen physikalischen Prozesse und chemischen Reaktionen dieser Werkstoffe. Des Weiteren werden neue Hochleistungswerkstoffe für den Einsatz als high-tech Struktur- und Funktionsbauteile entwickelt. Auf diese Weise verbinden sich erkenntnisorientierte Grundlagenforschung mit innovativen, anwendungsrelevanten Entwicklungen und Prozesstechnologien.
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