Leicht wie Stahl
Solch ein Material kann im Auto bei einem Crash nicht nur mehr Energie durch Verformung absorbieren als sprödere Legierungen – mit ihm lassen sich auch komplizierte Bauteile leichter herstellen, weil es sich besser umformen lässt. Zwölf Prozent der – virtuellen – Karosserie des FutureSteelVehicle bestehen aus hochmanganhaltigem Stahl.
Doch die Legierung hat ihre Tücken. Mangan ist zwar – vor allem in Südafrika – reichlich vorhanden und sogar billiger als Nickel oder Chrom. Allerdings machen Mangan und Silizium die Stahlschmelze besonders dünnflüssig. Das kann unter anderem dazu führen, dass sich die Legierungselemente entmischen und sich später ungleichmäßig im Werkstück verteilen. Dieses Problem lässt sich beispielsweise dadurch lösen, dass die Schmelze bei der Verarbeitung besonders schnell zum Erstarren gebracht wird. Ein solches Verfahren ist das sogenannte horizontale Bandgießen. Dabei fließt der flüssige Stahl in einer dünnen Schicht auf ein umlaufendes, von unten mit Wasser gekühltes Band. Eine Forschungsanlage steht in der Technischen Universität Clausthal im Harz. Im niedersächsischen Peine will die Salzgitter AG das Konzept erstmals in einer Versuchsanlage im Industriemaßstab umsetzen. Der Auftrag zum Bau wurde Ende 2010 erteilt, 2012 soll das Werk in Betrieb gehen. Das Verfahren spart laut Plan 75 Prozent Energie im Vergleich zu konventionellem Strangguss, weil die dünn aufgegossene Schmelze zu einem nur 15 Millimeter dicken Blech erstarrt. Beim herkömmlichen Strangguss hingegen entstehen 40 bis 400 Millimeter starke Blöcke, die anschließend in mehreren zusätzlichen, energieaufwendigen Arbeitsschritten flach gewalzt werden müssen.
Forscher wie Professor Bruno De Cooman arbeiten an einem anderen Ansatz: Sie wollen den Mangan- und Siliziumgehalt solcher Legierungen senken, ohne ihre günstigen Eigenschaften zu verlieren. "Die ersten der bei uns entwickelten Spezialstähle enthielten noch rund 25 Prozent Mangan", sagt der Leiter des Materials Design Laboratory an der Pohang University in Südkorea. "Heute sind wir – bei einer Produktion im Labormaßstab – bei 15 Prozent angelangt, und im frühen Forschungsstadium befindet sich bereits eine technisch zufriedenstellende Legierung mit nur noch zwölf Prozent Mangan." Der südkoreanische Stahlproduzent Posco produziert bereits eine 18-prozentige Manganlegierung, die sich auch für den Strangguss eignet und sowohl über hohe Festigkeit als auch Dehnbarkeit verfügt.
Auch die Salzgitter AG setzt parallel zu ihrer horizontalen Bandgießanlage auf diesen Trumpf: Sie hat gemeinsam mit Tata Steel Europe eine Legierung mit nur 15 Prozent Mangan, 2,5 Prozent Aluminium und völlig ohne Silizium entwickelt, die sich auch auf einer normalen Stranggießanlage verarbeiten lässt – die Hersteller müssten dafür also nicht in neue Fertigungsanlagen investieren. Die Festigkeit liegt mit 900 Megapascal im Bereich hochmanganhaltiger Rezepturen, die Dehnbarkeit ist mit rund 45 Prozent etwas geringer, reicht aber für die meisten praktischen Anwendungen völlig aus.
Mit einem niedrigeren Mangangehalt würde noch eine weitere Schwierigkeit behoben – die sogenannte Wasserstoffversprödung. Wasserstoff aus der Umgebungsluft diffundiert in das Kristallgefüge ein und verändert es so, dass Risse entstehen können. Wie es genau zur Wasserstoffversprödung kommt, ist wissenschaftlich noch nicht vollständig geklärt. Jedenfalls hat Salzgitter nach eigenen Angaben bereits Legierungen entwickelt, die dem Wasserstoff ausreichend Widerstand leisten. "Damit steht einer Automobilanwendung nichts mehr im Wege", sagt Bianca Springub von der Salzgitter Mannesmann Forschung.
Als weiteres heißes Eisen für den Leichtbau haben die Stahlkonzerne die Mangan-Bor-Legierungen im Feuer. Sie enthalten beispielsweise 0,22 Prozent Kohlenstoff, 1,2 Prozent Mangan und 0,005 Prozent Bor und haben zwar nur eine Dehnfähigkeit im Bereich von fünf Prozent, aber eine unerreicht hohe Festigkeit von bis zu 1900 Megapascal. Im Forschungsstadium befinden sich bereits Stähle mit 2000 Megapascal. Elf Prozent des FutureSteelVehicles bestehen aus Mangan-Bor-Blechen, vor allem als Verstärkungselemente und sicherheitsrelevante Bauteile, weil sie schon bei geringen Wandstärken große Kräfte aufnehmen können.
Ein weiterer Vorteil: Auf teure Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Molybdän kann dabei ganz oder teilweise verzichtet werden. Und: Im warmen Zustand lassen sich Mangan-Bor-Bleche leicht umformen. Ein festes Gefüge bilden sie erst, wenn sie abgeschreckt werden. Das sogenannte "Presshärten" macht sich dies zunutze: Bauteile werden zunächst in einem Ofen auf rund 900 Grad erhitzt und härten dann in einer gekühlten Werkzeugform unter Druck aus. Die optimale Festigkeit erreichen Mangan-Bor-Legierungen, wenn sie mit mindestens 27 Grad pro Sekunde abgekühlt werden. Ihr Gefüge wechselt dabei von Austenit zu Martensit.
Heute besteht zum Beispiel die Karosserie der aktuellen Mercedes C-Klasse zu rund sechs Prozent aus pressgehärteten Teilen aus Mangan-Bor-Stahl. "Diesen Werkstoff setzt man vor allem für Bauteile ein, die im Seitencrash stark belastet werden", sagt Peter Feuser von der Abteilung Umformsimulation und Rapid Tooling bei Mercedes – wie zum Beispiel bei den B-Säulen, den Pfosten hinter der Fahrertür. In diesen unscheinbaren Bauteilen spiegelt sich das ganze Know-how des modernen Automobilbaus. Die gesetzlichen Vorgaben und Verbraucherschutztests zur Crashsicherheit stellen hohe Anforderungen: Die B-Säulen müssen einem Seitenaufprall standhalten, ohne dass es – wie bei einem Frontalcrash – eine Knautschzone gibt. Gleichzeitig müssen sie die Befestigung der Sicherheitsgurte, Schlösser und Scharniere aufnehmen. Außerdem verlangen die Designer aus optischen Gründen nach immer schlankeren B-Säulen.
