Neue Leichtbaumaterialien für die Autobranche stehlen Stahl - dem altgedienten Werkstoff der Automobilindustrie - seit Jahren die Show. Aluminium, Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe empfehlen sich im Rennsport und in spektakuläre Studien und Concept Cars, auch in Serienmodellen nimmt der Anteil der innovativen Alternativen kontinuierlich zu. Doch mit einem Anteil von über 50 Prozent ist Stahl immer noch der mit Abstand wichtigste Werkstoff für die Automobilindustrie. Durch Zugabe von Metallen wie Mangan, Nickel und Chrom haben Stahlhersteller ihre Produkte verändert und auf die immer anspruchsvolleren Anforderungen der Automobilindustrie abgestimmt. Der Baustoff ist leichter und fester geworden. Eigenschaften der automobilen Schutzhülle wurden weiter optimiert, so dass sich die Karosserie bei einem Unfall kalkulierbar verformt, möglichst viel Aufprallenergie schluckt und dabei nicht zerreißt.
Die stahlintensiven Unternehmen in Deutschland, allen voran Auto- und Maschinenbauer, erwirtschaften jährlich etwa 1000 Milliarden Euro.
(Foto: SKI)Vor einigen Jahren schien es der Fachwelt so, als seien die Eigenschaften von Stählen damit ausgereizt, weitere Funktions- und Leistungssteigerungen des Materials nicht mehr möglich. Doch inzwischen sind Experten, die an der Optimierung des Werkstoffs arbeiten, überzeugt, dass Stahl noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial hat. Dabei richten Materialentwickler ihr Augenmerk auf die Kristallgitterstrukturen, das heißt auf die räumliche Anordnung der Atome in den winzigen Kristallen, die sich beim Abkühlen einer Schmelze bilden. Denn diese bestimmen das Verhalten des Materials. Seit einiger Zeit steht dabei der "Trip-Effekt" im Visier. Trip steht für "transformation induced plasticity" - was übersetzt "durch Kristallgitter-Transformation induzierte plastische Verformbarkeit" bedeutet.
Herkömmliche Trip-Stähle sind seit über zehn Jahren auf dem Markt und zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit von bis zu 700 Megapascal aus. Ihre Dehnbarkeit beträgt etwa 35 Prozent - was eher eine moderate Leistung ist, auch weil dieses Dehnvermögen bereits bei der Herstellung des Autos weitgehend "aufgebraucht" wird. Diesen Vorgang muss man sich so vorstellen: Karosserie-Bleche werden zumeist mit dem sogenannten Tief- oder Streckziehen umgeformt, das heißt in eine Presse gelegt und in die gewünschte Form gebracht. Je dehnbarer das Material ist, desto besser lässt es sich in Form pressen - ohne zu zerreißen. Bei herkömmlichem Trip-Stahl verwandelt sich schon während des Tiefziehens die Anordnung der Atome im Material so, dass eine feste Kristallstruktur entsteht. Wird das Stahlblech - etwa bei einem Unfall - erneuter Krafteinwirkung ausgesetzt, lässt es sich kaum noch dehnen, die Karosserie verfügt dann nur noch über eine bescheidene Dehnungsreserve von fünf Prozent.
Neue Legierungen mit höherem Dehnungsvermögen
Die Werkforscher am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) experimentieren zurzeit mit einer Mangan-Silizium-Aluminium-Legierung, die das Dehnungsvermögen deutlich verbessert. Hier macht man sich kleine Unregelmäßigkeiten im Kristall zunutze. Als "Stapelfehler" wird diese Verschiebung innerhalb der regelmäßig angeordneten Atom-Lagen in der Fachsprache bezeichnet. An einem Stapelfehler kann eine Kristallstruktur umklappen. Dadurch entsteht eine Spiegelebene mit umgekehrt angeordneten Kristallstrukturen, die Fachleute "Zwilling" nennen. Diesem Phänomen verdankt das Material seine besondere Dehnbarkeit. Die Messwerte für die neu entwickelten Stähle sind vielversprechend. Vor allem Stahl mit einem Gehalt von 15 Prozent Mangan und jeweils drei Prozent Aluminium und Silizium hat sich im Labor als extrem fest und zugleich sehr dehnbar erwiesen und hielt Spannungen von bis zu 1100 Megapascal stand.
Als Leichtbaumaterial für die Autos von morgen bringen die Düsseldorfer Werkstoffforscher auch ihren "Triplex-Stahl" ins Spiel. Dafür haben sie dem eisenhaltigen Autobaustoff Nanopartikel aus Kohlenstoffverbindungen beigefügt. Das Produkt ist bis zu zehn Prozent leichter als aktuelle Leichtbaustähle - gleichzeitig deutlich härter und dehnbarer als diese. Bevor das Material industriell eingesetzt werden kann, müssen allerdings noch einige Probleme gelöst werden. Allen voran die Versprödung des Materials bei der Oberflächenveredlung. Noch weiter in die Zukunft reicht ein anderes Thema hinein, mit dem sich die Düsseldorfer Eisenspezialisten aber auch andere Forschungsinstitute aktuell befassen - "selbstheilende Werkstoffe".
Das Vorbild für diesen Ansatz liefert die Natur. Knochen heilen von selbst, nachdem ihnen durch Stöße winzige Risse zugefügt wurden. Der Mensch merkt in der Regel gar nichts davon, weil der Körper die Schäden von allein behebt. Auf Werkstoffebene übertragen sieht das so aus: Winzige Klebstoffkapseln werden in ein Material integriert. Treten durch Materialermüdung kleine Risse auf, platzen die Kapseln - der Klebstoff tritt aus und füllt die Risse. Noch sind es auf den Stahl aufgebrachte Verbundmaterialien, denen die Forscher solche Reparaturfunktion einimpfen können. In nicht allzu ferner Zukunft wollen sie auch dem Stahl "Selbstheilungskräfte" verleihen.