Stahl bietet viele Lösungsansätze für den Leichtbau

Von Annedore Bose-Munde*

Stahl kann für den Leichtbau durchaus ein geeigneter Werkstoff sein. Und er bewährt sich auch in hochanspruchsvollen Anwendungen. Neue Entwicklungen, Werkstoffkonzepte und Projekte verdeutlichen das. So beispielsweise QP-Stähle, ein stahlintensiver Mischbau oder Spezialstähle für Werkzeuge zum Presshärten.

In der Metall verarbeitenden Industrie steigt die Diversität der eingesetzten Werkstoffe und der daraus hergestellten Bauteile stetig an. Als Werkstoffe werden zunehmend höchstfeste Stähle, wie PHS (Presshardened Steel), DP- (Dualphasen), QP- (Quenching and Partitioning) oder TWIP-Stähle (Twinning Induced Plasticity) eingesetzt, deren Eigenschaften dann durch komplexe Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse individuell an die bauteil- oder kundenspezifischen Anforderungen angepasst werden. Auf der Werkstoffwoche, die Ende September 2017 in Dresden stattfand, wurden neue Anwendungskonzepte sowie Erkenntnisse aus der werkstoffwissenschaftlichen Grundlagenforschung vorgestellt. Gezeigt wurden zudem experimentelle Untersuchungen speziell zum Einfluss verschiedener thermomechanischer Behandlungen auf die Eigenschaften von QP-Stählen. Das Konzept von QP-Stählen beruht darauf, dass man auf mikroskopischer Ebene die Legierungselemente klug partitioniert. Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der preiswerten Legierungszusammensetzung bieten sich gerade in der Automobilindustrie vielfältige Anwendungen, beispielsweise für crash-relevante Bauteile.

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Auch BMW setzt bei der 7er-Reihe auf intelligenten Materialmix – eine Herausforderung für die Fügetechnik. (Foto: BMW)
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Auch BMW setzt bei der 7er-Reihe auf intelligenten Materialmix – eine Herausforderung für die Fügetechnik. (Foto: BMW)

Um das enorme Anwendungspotenzial dieser Werkstoffe breit nutzen zu können, müssten jedoch noch viele Aufgaben gemeistert werden. Dazu sei eine enge Zusammenarbeit von Forschern aus den Bereichen Werkstoffwissenschaft und Produktionstechnik erforderlich.

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Materialmix-Konzepte wie hier beim Audi A8 fassen in der Automobilindustrie gerade mit Blick auf den Leichtbau zunehmend Fuß. (Foto: Audi)
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Materialmix-Konzepte wie hier beim Audi A8 fassen in der Automobilindustrie gerade mit Blick auf den Leichtbau zunehmend Fuß. (Foto: Audi)

Stahlintensiver Mischbau ist Herausforderung für die Verbindungstechnik

Materialmix-Konzepte wie der stahlintensive Mischbau fassen in der Automobilindustrie zunehmend Fuß – gerade mit dem Blick auf den Leichtbau. Da die verschiedenen Bereiche einer Fahrzeugstruktur unterschiedlichen Anforderungen und Belastungen unterliegen, setzen die Hersteller auf beanspruchungsgerechte Leichtbaukonstruktionen aus artverschiedenen Werkstoffen, die dann verbunden werden müssen. Die Herausforderungen für die Verbindungstechnik liegen dabei in der unterschiedlichen Wärmeausdehnung, teils nur einseitigen Fügemöglichkeiten sowie der Vermeidung von Kontaktkorrosion des Materialmixes.
In Dresden wurden verschiedene Neu- und Weiterentwicklungen mechanischer, klebtechnischer, thermischer und hybrider Fügetechniken für das Verbinden von neuen Leichtbauwerkstoffen in Mischbauweise vorgestellt. Diese hatten Wissenschaftler im Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn entwickelt.

Spezialstähle für die Werkzeuge zum Presshärten

Zunehmend bedeutsam für die Automobilindustrie ist das Presshärten, das die Warmformgebung und die Wärmebehandlung der hochfesten Bleche in einem einzigen Prozessschritt kombiniert. Das Blech wird dabei auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und dann in das gekühlte Presswerkzeug eingebracht, wo es geformt und gleichzeitig abgeschreckt wird. Eine nachträgliche Wärmebehandlung entfällt. An das Werkzeug und insbesondere an das Herzstück des Werkzeugs, den Formeneinsatz, werden somit besonders hohe Ansprüche gestellt: Er muss aus einem Stahl gefertigt sein, der die Abschreckgeschwindigkeit zusätzlich erhöht. Mit dem Thermodur 2383 Supercool haben die Deutschen Edelstahlwerke (DEW) einen Stahl entwickelt, der im Vergleich zu den klassischen Warmarbeitsstählen im vergüteten Zustand, bei einer Härte von 45 HRC (Härte nach Rockwell) und bei 100 °C eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 44 W/(m.K) (Watt pro Meter und Kelvin) besitzt. Ein Formeneinsatz aus dem Thermodur 2383 ist also in der Lage, die Wärme des erhitzten Blechs innerhalb kürzester Zeit kontrolliert abzuleiten.
Ob Werkstoff, Werkzeug oder Verbindungslösung – die Beispiele auf der Werkstoffwoche in Dresden haben gezeigt, dass Stahl immer wieder ein breites Potenzial für den Leichtbau bereithält.

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An das Werkzeug und insbesondere an das Herzstück des Werkzeuges, den Formeneinsatz, werden beim Presshärten besonders hohe Ansprüche gestellt: Er muss aus einem Stahl gefertigt sein, der die Abschreckgeschwindigkeit zusätzlich erhöht. (Foto: AP&T)
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Der Formeneinsatz muss aus einem Stahl gefertigt sein, der die Abschreckgeschwindigkeit zusätzlich erhöht. (Foto: AP&T)

* Autorin ist Annedore Bose-Munde, Ingenieurin, Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik

Der vollständige Text ist erschienen in »stahlmarkt« 1.2018, S. 22 ff.

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