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Verlagsspezial

Bild: BrendanHunter/iStock

: Stahlsorten nach Rezept

  • -Aktualisiert am

Grundlagenforschung betreiben heißt, sich erst einmal nicht um den wirtschaftlichen Nutzen oder mögliche praktische Anwendungen einer neuen Erkenntnis zu kümmern. Weil man beim Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) aber den engen Kontakt zur Stahlindustrie braucht, rücken auch deren Bedürfnisse schon früh in den Blick der Wissenschaftler.

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          Im Laufe der Zeit sind Tausende Stahlsorten entwickelt worden. Jede hat spezifische Eigenschaften, die in einem bestimmten Einsatzgebiet Vorteile bringen. Die Sorten entstehen, indem man dem Roheisen, das aus dem Hochofen oder Elektrostahlwerk kommt, Zusätze beimischt, die Legierungselemente. Es ist ein bisschen so wie bei einem Eintopf. Man kocht eine Basissuppe und ergänzt sie um weitere Zutaten, je nachdem, ob man lieber mehr Gemüse mag oder einen höheren Fleischanteil haben will. Beim Essenkochen ist ein bestimmter Geschmack oder auch die Erhaltung der Gesundheit das Ziel, beim „Stahlkochen“ ist es der Anwendungsnutzen. Damit Stahlunternehmen neue Stahlsorten herstellen können, müssen sie wissen, welche Zutaten zu welchen Ergebnissen führen. Hier kommt die Grundlagenforschung ins Spiel. Beim MPIE, zum Beispiel, werden Mechanismen  und Verhaltensweisen von Materialien erforscht und Wesen, Ursache und Wirkung von Substanzen untersucht.

          Mangan für Leichtbau

          Aktuell beschäftigen sich die Forscher am MPIE unter anderem mit Stählen, die Leichtbaukonzepte ermöglichen. Das ist in der Luft- und Raumfahrt schon lange ein Thema, aber erst seit einigen Jahren in aller Munde, weil Leichtbau in die Autoindustrie einzieht. Der Grund ist klar: Je weniger die Autos wiegen, desto weniger Treibstoff brauchen sie und desto geringer sind die Emissionen. Weil die Autoindustrie aber große Mengen herstellt, sind auch große Mengen an leichteren Stählen nötig. Diese müssen nicht nur leichtbaugeeignet sein, sondern sie dürfen auch nicht übermäßig teuer sein. Das grenzt die Auswahl der einzusetzenden Zutaten ein.  

          Eine Lösung sind Stähle mit einem höheren Anteil an Mangan. Dieses Metall kommt auf der Erde in ausreichenden Mengen vor, es ist nicht so teuer, wie andere Zusatzstoffe, etwa Nickel, und die Vorräte werden noch eine Zeit lang ausreichen. Wenn man größere Mengen an Mangan zum Stahl gibt, erhöht sich dadurch dessen Festigkeit. Man kann daher deutlich dünnere Bleche herstellen und ein Auto damit leichter machen. Gleichzeitig muss aber noch eine zweite Anforderung an Autobleche ebenfalls erfüllt sein, die gute Verformbarkeit. Ein Blech muss formbar sein, man muss also daraus einen Kotflügel ebenso machen können wie eine Motorhaube oder eine B-Säule. Und es muss auch im Falle eines Crashs verformbar sein und darf nicht zersplittern. „Wenn man die Festigkeit erhöht,  verliert man normalerweise an Verformbarkeit. Die braucht man aber, denn sonst würden die Bauteile bei der Pressumformung brechen“, erklärt Dr. Dirk Ponge, Leiter der Forschungsgruppe Mechanismen-basiertes Legierungsdesign am MPIE. Stahl besteht im Prinzip aus Körnern. Je feiner die sind, desto höher ist die Festigkeit. Das Mangan hilft, die Körner sehr fein zu machen. Ein sehr feinkörniges Gefüge erhöht außerdem die Zähigkeit. Risse können sich da nur sehr schwer ausbreiten, womit man eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Mangan erhöht indirekt auch die Verformbarkeit. Herkömmlicher Feinkornstahl hat Korngrößen bis hinunter zu etwa drei Mi­krometer. Mit einem mittelgroßen Anteil von etwa acht Prozent Mangan sind aber ultrafeinkörnige Stähle möglich mit Korngrößen von bloß noch 0,5 Mikrometer oder sogar darunter. Hochmanganstähle haben aufgrund des Mangangehaltes von mehr als 12 Prozent eine andere Gitterstruktur. Daher sind hier noch höhere Verformbarkeiten bei hoher Festigkeit erreichbar.
          Welche Eigenschaften ein Stahl hat, wird nicht nur durch die Legierung bestimmt, sondern auch durch die Art und Weise, wie er behandelt wird. Wenn man einen einfachen Stahl mit ein bisschen Kohlenstoff langsam abkühlen lässt, ist der relativ weich und sehr verformbar. Macht man den aber heiß und schreckt ihn in kaltem Wasser ab, dann wird er sehr hart, aber extrem spröde.

          In der Vergangenheit wurden neue Stahlsorten üblicherweise durch Ausprobieren entwickelt. Neuerdings kann man vieles aber vorher schon am Computer simulieren. Man kann berechnen, wie unterschiedliche Atome aufeinander und mit­einander wirken und diese Erkenntnis dann auf komplexe Systeme übertragen. Man kann auch die Reihenfolge, in der Legierungsbestandteile zugesetzt werden, digital simulieren. Diese Reihenfolge ist extrem wichtig: Wenn man flüssigem Rohstahl beispielsweise ein teures Legierungselement wie Titan zufügte, würde es mit dem noch im Rohstahl vorhandenen Sauerstoff oxidieren und unwillkommene Einschlüsse verursachen. Zur Bindung des Sauerstoffs muss deshalb zuerst ein billiges Element, etwa Silizium zugegeben werden. Dies weiß man durch Ausprobieren. Das kostet Zeit und Geld. Mit der Computersimulation kann man aus nahezu unendlich vielen Möglichkeiten theoretisch passende finden. Am Ende muss man die zwar auch in der Praxis testen, tut dies aber viel zielgerichteter.   

          Stahl erinnert sich

          Das MPIE entwickelt auch die neuen Formgedächtsnistähle weiter. Das sind Stahlsorten, die durch eine Temperaturänderung ihre Form verändern und sich dies „merken“. Man hat zum Beispiel bei einer bestimmten Temperatur ein flaches Blech. Kühlt man das ab, wird es rund, erwärmt man es wieder, ist es auf einmal wieder gerade.  Formgedächtnislegierungen an sich sind nicht neu. Es gibt sie schon länger zum Beispiel bei teuren Nickel-Titan-Legierungen. Neu sind sie beim wesentlich preisgünstigeren Stahl und ermöglichen eine Vielzahl von sinnvollen Anwendungen. Zum Beispiel beim Brückenbau mit Beton: Beton bildet bei Zugbelastung schnell Risse. Um das zu verhindern, werden häufig Stahlverstärkungen eingebaut, die den Beton unter Druckspannung setzen. Verwendet man anstelle herkömmlicher Stahlseile Formgedächtnisstähle als Verstärkung, muss man sie nach Fertigstellung der Brücke nur einmal unter Strom setzen, damit sie sich erwärmen. Dadurch zieht sich der Stahl enorm zusammen und setzt die ganze Brücke dauerhaft unter Druckspannung. Er kann dann fast nicht mehr kaputtgehen. „Das geht nur, wenn der Stahl auch eine hohe Festigkeit hat, denn sonst würde er sich bei der hohen Belastung schnell wieder verformen und der Effekt wäre wieder weg“, sagt Ponge. Die Stahlthemen gehen dem MPIE auch in Zukunft nicht aus. „Allein bei den Legierungen sind die Manipulationsmöglichkeiten so zahlreich, dass wir noch für die nächsten 100 Jahre Forschungsbedarf haben“, sagt Ponge.

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