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Trend zu immer festeren Stahlsorten ungebrochen

Stahlbranche forciert das Innovationstempo im Leichtbau
Trend zu immer festeren Stahlsorten ungebrochen

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Das Entwicklungstempo höher- und höchstfester Stähle ist geradezu atemberaubend. Neue Mangan-Bor-Stähle und neu entwickelte Verarbeitungsverfahren erlauben es den Automobilherstellern, leichtere und dennoch sicherere Fahrzeuge zu bauen. Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission können dadurch deutlich herabgesetzt werden.

„Stahl ist und bleibt der Werkstoff Nummer eins im Automobilbau“, lautet eine Kernaussage des Stahl-Informationszentrums in Düsseldorf. Trotz der Forderung nach leichteren und umweltfreundlicheren Automobilen – sie sollen weniger Kraftstoff verbrauchen und die CO2-Emissionen deutlich reduzieren – kann Stahl durch nennenswerte Weiterentwicklungen des Werkstoffes selbst, aber vor allem auch wegen neuer Verarbeitungsverfahren gegenüber leichteren Werkstoffen deutlich punkten. Anlässlich der Innovationskonferenz „Stahlinnovationen für die Automobilproduk- tion der Zukunft“ im September letzten Jahres in Berlin unterstrich Dr. Karl-Ulrich Köhler die Bedeutung von Stahl für den Karosseriebau. „Über 95 Prozent der Karosseriestruktur sind aus Stahl – auch in Zukunft“, prognostizierte der damalige Vorstandsvorsitzende der Thyssen Krupp Steel AG.

Für Köhler sind „höherfeste Stähle als erfolgreichster Leichtbauwerkstoff der letzten Jahre erkennbar“. Durch ihre hohe Festigkeit ermöglichen diese Stähle dünnere und damit leichtere Bauteile. Das wirkt sich speziell im Volumenmarkt aus, der rund 80 % der Fahrzeugproduktion ausmacht. „Ein wirksamer Klimaschutz findet im Volumenmarkt statt“, sagt Köhler, „denn ein Kilogramm weniger Gewicht reduziert im Volumenmarkt die Emission um rund 250 000 Tonnen CO2.“
Der Trend zu immer festeren Stahlsorten, die leichtere und vor allem auch steifere, und damit sicherere Konstruktionen ermöglichen, ist bei der Karosserie ungebrochen. Laut Stahl-Informationszentrum besteht zum Beispiel die Rohkarosserie der aktuellen C-Klasse-Limousine von Mercedes zu etwa 70 % aus hoch-, höher- und höchstfesten Stählen. In der Karosserie des Vorgängermodells habe der Anteil lediglich 40 % betragen.
Köhler sieht „bei der Werkstoffentwicklung ein zunehmendes Innovationstempo“. Reichte das Festigkeitsspektrum der inzwischen weit verbreiteten höherfesten Stähle von 180 bis 420 MPa, so weisen hoch- und höchstfeste Stahlsorten bei relativ guten Umformeigenschaften inzwischen Zugfestigkeiten von bis zu 1000 MPa auf. Zur Gruppe der hoch- und höchstfesten Stähle zählen vor allem die Mehrphasenstähle wie zum Beispiel Dualphasen- oder TRIP (Transformation Induced Plasticity)-Stähle. Da die Mehrphasenstähle bei hohen Festigkeiten ein sehr hohes Energieaufnahmevermögen aufweisen, werden sie vor allem für sicherheitsrelevante Strukturbauteile eingesetzt.
Immer noch höhere Festigkeiten
Doch damit sind die Bemühungen der Stahlerzeuger noch lange nicht am Ende. Neue „ultrahochfeste“ Mangan-Bor-Stähle erreichen noch deutlich höhere Festigkeiten. Sie finden zunehmend für tragende und sicherheitsrelevante Strukturteile Verwendung, bei denen höchster Widerstand gegen Deformation erforderlich ist. Um die extremen Bauteilfestigkeiten von mehr als 1500 MPa erreichen zu können, hat Thyssen Krupp Steel in den letzten Jahren die Warmumformtechnologie entwickelt und ausgebaut. Dabei werden speziell für das Verfahren ausgelegte und mit Mangan und Bor legierte Stahlwerkstoffe zunächst in einem Ofen auf 880° bis 950 °C erwärmt, dann zu einem Bauteil gepresst und im Presswerkzeug sehr schnell mit einer Abkühlrate von mehr als 30 Kelvin/s abgekühlt. Die hohe Temperatur der Platinen gewährleistet ein exzellentes Umformverhalten und die schnelle Abkühlung sorgt dafür, dass im Werkstoff eine extrem harte Gefügestruktur entsteht. So werden Zugfestigkeiten von rund 1500 MPa erreicht.
Nun sollen aber crashrelevante Komponenten die bei einem Aufprall entstehende Energie nicht nur abhalten, sondern auch teilweise abbauen. Dazu wird neben einer hohen Festigkeit auch eine ausreichende Restbruchdehnung benötigt. Warmumgeformte Bauteile sollen daher noch besser an lokal unterschiedliche Belastungen angepasst werden. Mit dem weltweit ersten warmumgeformten Tailored Blanks hat Thyssen Krupp 2007 diese Forderung in einer Serienanwendung gelöst. Die maßgeschneiderten Platinen bestehen aus einem Mangan-Bor-Stahl für die hohe Festigkeit und einem mikrolegierten Tiefziehstahl mit einer Restbruchdehnung von 15 %, der für den Energieabbau sorgt. Diese „Hotform Blanks“ genannten Platinen eignen sich ideal für Bauteile, die die Fahrgastzelle schützen, wie B-Säulen, Längsträger, Tunnelverstärkungen oder Seitenwandrahmen. In den aktuellen Modellen Audi A4 und A5 werden sie für die B-Säulen und weitere crashrelevante Bauteile eingesetzt.
Werden bei den Hotform Blanks noch die unterschiedlichen Platinen getrennt geformt und dann verschweißt, so arbeitet Thyssen Krupp mit Nachdruck an der Entwicklung des sogenannten „Tailored Tempering“. Dabei wird zum Beispiel eine B-Säule aus einer einzigen Mangan-Bor-Platine gefertigt, die nach der Warmumformung lokal unterschiedliche Eigenschaften aufweist. So besitzt das untere Drittel eine Zugfestigkeit von 600 MPa und eine Bruchdehnung von 17 %. Für den Rest des Bauteils liegt die Zugfestigkeit bei 1500 MPa. Diese B-Säule wird in einem teilweise beheizbaren Presswerkzeug erzeugt. Durch gezielte Erwärmung eines bestimmten Werkzeugbereichs entstehen Zonen, in denen die erhitzte Platine weniger schnell abkühlt und dadurch auch weniger stark verfestigt.
Kommt diese Technologie künftig zum Serieneinsatz, lassen sich Investitionskosten von rund 100 000 € sparen – es wird nur ein Werkzeug benötigt und das Schweißen entfällt. Und nicht zuletzt ist durch die höhere Zugfestigkeit bei gleichzeitig erhöhter Restbruchdehnung die Energieabsorption am Fuße der B-Säule doppelt so hoch wie beim Serienbauteil. In den hochmanganhaltigen Stählen sieht Dr. Köhler wegen ihrer extrem hohen Festigkeit und der hervorragenden Umformbarkeit den Leichtbauwerkstoff der Zukunft. „Eine ganze Reihe von Stahlprodukten und -verfahren, die heute Stand der Technik sind, haben ihren Ursprung in unserer Anwendungstechnik“, sagt Dr. Ulrich W. Jaroni. Das Mitglied des Vorstandes der Thyssen Krupp Steel AG und Leiter der Business Unit Auto nennt beispielsweise das weltweit erste Tailored Blank, das 1980 für das Bodenblech des damaligen Audi entwickelt wurde. Inzwischen ist daraus eine vielköpfige Familie von Tailored Products entstanden, die gerade in Hinblick auf die Space Frame Projekte wie das NSB(New Steel Body)-Konzept von Thyssen Krupp eine bedeutende Rolle spielen.
Tailored Tubes verdrängen Schalenbauweise
Profilbauteile aus Tailored Tubes haben die Schalenbauweise im Karosseriebau zurückgedrängt. Denn diese Hohlprofile mit nur einer Laserschweißnaht sind durch Wegfall der Flansche und auf den Belastungsfall zugeschnittene Wanddicken deutlich leichter, es entfällt ein Teil der Schweißarbeiten. Die endgültige Form erhalten die Profile schließlich durch das Innenhochdruckumformen.
Thyssen Krupp drückt auch hier auf das Entwicklungstempo. Die Entwickler haben für die dritte Generation der Tailored Tubes laut Jaroni eine weltweit einmalige Profilieranlage entwickelt. Sie ermöglicht, dass bei den sogenannten T3-Profilen der Querschnitt über die Baulänge wechseln kann, beispielsweise von zylindrisch zu konisch und weiter zu drei- und viereckig. Die Profile erhalten dabei eine so bauteilnahe Gestalt, dass die Automobilhersteller komplette Fertigungsschritte einsparen können. Insbesondere das aufwändige Innenhochdruckumformen kann bei vielen Anwendungen entfallen – kostenneutral und bei einer Gewichtsersparnis von bis zu 26 %. Diese Entwicklungen stehen beispielhaft für eine Vielzahl von Fortschritten, die den vorteilhaften Einsatz von Stahl im automobilen Leichtbau ermöglichen. Dennoch arbeiten die Entwickler mit Nachdruck auch an Lösungen, die zu einer optimalen Kombination von Leichtbauwerkstoffen für eine weitere Gewichtsreduktion führen sollen. Ein wichtiger Schritt dahin ist das EU-Projekt „Super Light Car“, an dem derzeit 38 europäische Unternehmen und Institute arbeiten. Erste Lösungen sollen schon in diesem Jahr präsentiert werden.
Thyssen Krupp Steel; Telefon:0203 52-45185

Die Serie wird fortgesetzt:
Teil 3: Aluminium und Magnesium
Ausgabe 3/2009 (erscheint 26.8.09)
Teil 4: Composites und Mischbauweisen
Ausgabe 4/2009 (erscheint 30.11.09)
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