Neue Stahlsorten für stärkere und leichtere Autos

Automobilhersteller optimieren ihre Produktionsprozesse, um eine Reihe neuer Stähle mit genau den richtigen Eigenschaften zu entwickeln. So können sie Autos bauen, die sowohl sicherer als auch kraftstoffsparender sind.

Von John Johnson Jr. 08.05.2024

Wie viele nützliche Innovationen scheint auch die Herstellung von hochwertigem Stahl durch indische Metallurgen vor über zweitausend Jahren das Ergebnis einer glücklichen Kombination aus geschickter Handwerkskunst und purem Glück gewesen zu sein.

Durch das Brennen von Eisenstücken mit Holzkohle in einem speziellen Tongefäß entstand etwas völlig Neues, das die Indianer Wootz nannten. Schon bald führten römische Armeen Wootz-Stahlschwerter, um die wilden, haarigen Stämme des antiken Europas in Angst und Schrecken zu versetzen und zu unterwerfen.

24 Jahrhunderte später setzen Automobilhersteller auf Lichtbogenöfen, Warmumformmaschinen sowie Abschreck- und Trennverfahren, die sich die Antiker nicht hätten vorstellen können. Diese Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten, Stahl so zu optimieren, dass er weiche menschliche Körper bei unvermeidlichen Kollisionen schützt – und gleichzeitig das Gewicht der Fahrzeuge reduziert, um die schädlichen Auswirkungen auf den Planeten zu verringern.

„Es ist eine Revolution“, sagt Alan Taub , Ingenieursprofessor an der University of Michigan mit langjähriger Branchenerfahrung. Die neuen Stähle – in Dutzenden von Varianten, und es werden ständig mehr –, kombiniert mit Leichtbaupolymeren und kohlefaserverstärkten Innen- und Unterböden, erinnern an die aufregenden Zeiten zu Beginn des letzten Jahrhunderts, als, wie er sagt, „Detroit das Silicon Valley war“.

Solche Materialien können das Gewicht eines Fahrzeugs um mehrere hundert Kilogramm reduzieren – und jedes eingesparte Kilogramm spart über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs rund drei Dollar an Treibstoffkosten. Die Wirtschaftlichkeit ist also unbestreitbar. Die neue Maxime, so Taub, lautet: „Das richtige Material am richtigen Ort.“

Der Übergang zu batteriebetriebenen Fahrzeugen unterstreicht die Bedeutung dieser neuen Materialien. Elektrofahrzeuge stoßen zwar keine Schadstoffe aus, sind aber schwer – der Volvo XC40 Recharge beispielsweise ist 33 Prozent schwerer als die Benzinversion (und wäre noch schwerer, wenn der die Passagiere umgebende Stahl so sperrig wäre wie früher). Schwer kann gefährlich sein.

„Die Sicherheit darf nicht außer Acht gelassen werden, insbesondere wenn es um neue Verkehrsrichtlinien und neue Technologien geht“, sagte Jennifer Homendy, Leiterin des National Transportation Safety Board, dem Transportation Research Board im Jahr 2023. Darüber hinaus führt eine Gewichtsreduzierung eines Elektrofahrzeugs um 10 Prozent zu einer Reichweitenverbesserung von etwa 14 Prozent.

Noch in den 1960er Jahren bestand der Stahlkäfig um die Passagiere aus sogenanntem Weichstahl. Die Panzerung aus Detroits Jurazeit unterschied sich kaum von der, die Henry Ford Jahrzehnte zuvor eingeführt hatte. Sie war schwer und es gab viel davon.

Mit der Veröffentlichung von Ralph Naders „ Unsafe at Any Speed: The Designed-In Dangers of the American Automobile“ im Jahr 1965 erkannten die großen Automobilhersteller, dass sie nicht länger ausschließlich auf Geschwindigkeit und Leistung setzen konnten. Die Ölembargos der 1970er Jahre beschleunigten den Wandel nur noch: Autostahl musste nun sowohl fester als auch leichter sein, um weniger Kraftstoff zu verbrauchen.

Als Reaktion darauf haben Stahlhersteller in den letzten 60 Jahren – ähnlich wie Köche mit einem Sous-vide -Gerät den perfekten Bissen zubereiten – eine riesige Vielfalt an Stählen entwickelt, die allen Anforderungen gerecht werden. Ihre Kochöfen sind Lichtbogenöfen mit Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius, und Roboter übernehmen das Garen. Es gibt hochfeste, gehärtete Stähle für das Fahrgestell, korrosionsbeständige Edelstähle für Seitenwände und Dächer sowie hochdehnbare Metalle für Stoßfänger, die Stöße absorbieren, ohne zu verformen.

Tricks mit dem Stahl

Der meiste Stahl besteht zu über 98 Prozent aus Eisen. Es sind die restlichen paar Prozent – ​​manchmal nur Hundertstel eines Prozents, wenn es sich um Metalle handelt, die zur Erzielung gewünschter Eigenschaften hinzugefügt werden –, die den Unterschied ausmachen. Ebenso wichtig sind die Behandlungsmethoden: das Erhitzen, Abkühlen und die Weiterverarbeitung, wie beispielsweise das Walzen der Bleche vor der Formgebung. Jede dieser Veränderungen, manchmal nur um Sekunden, verändert die Struktur des Metalls und führt zu unterschiedlichen Eigenschaften. „Es geht darum, mit dem Stahl zu tricksen“, sagt John Speer , Leiter des Advanced Steel Processing and Products Research Center an der Colorado School of Mines.

Im Grunde beruhen die Eigenschaften von Stahl auf der Mikrostruktur: der Anordnung verschiedener Stahlarten oder -phasen im Metall. Manche Phasen sind härter, andere verleihen Duktilität – ein Maß dafür, wie stark sich das Metall biegen und verdrehen lässt, ohne dass es reißt und scharfe Kanten entstehen, die in weiche menschliche Körper eindringen und sie zerreißen. Auf atomarer Ebene gibt es grundsätzlich vier Phasen von Autostahl, darunter die härteste und zugleich sprödeste, Martensit genannt, und den duktileren Austenit. Autohersteller können diese Phasen variieren, indem sie Zeit und Temperatur des Erhitzungsprozesses manipulieren, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Akademische Forscher und Stahlproduzenten haben in enger Zusammenarbeit mit Automobilherstellern drei Generationen von hochfestem Stahl entwickelt . Der erste, der in den 1990er Jahren eingeführt wurde und noch heute weit verbreitet ist, zeichnete sich durch eine gute Kombination aus Festigkeit und Duktilität aus. Eine zweite Generation verwendete exotischere Legierungen, um eine noch höhere Duktilität zu erreichen. Diese Stähle erwiesen sich jedoch als teuer und schwierig in der Herstellung.

Die dritte Generation, die laut Speer langsam ihren Weg in die Fabrikhallen findet, nutzt Heiz- und Kühltechniken, um Stähle zu produzieren, die fester und formbarer sind als die der ersten Generation. Sie sind fast zehnmal fester als herkömmliche Stähle der Vergangenheit und viel billiger (wenn auch weniger duktil) als Stähle der zweiten Generation.

Stahlhersteller haben gelernt, dass die Abkühlzeit ein entscheidender Faktor für die endgültige Anordnung der Atome und damit für die Eigenschaften des Stahls ist. Durch die schnellste Abkühlung, das sogenannte Abschrecken, wird die innere Struktur eingefroren und stabilisiert, bevor sie sich während der Stunden oder Tage, die sie sonst zum Erreichen der Raumtemperatur benötigt, weiter verändert.

Einer der härtesten modernen Automobilstahlsorten – verwendet für die wichtigsten Strukturkomponenten wie Seitenwände und Säulen – wird durch Überhitzen des Metalls mit Bor und Mangan auf über 850 Grad Celsius hergestellt. Nachdem der Stahl formbar geworden ist, wird er innerhalb von 10 Sekunden in eine Matrize oder Form gegeben, wo das Teil geformt und schnell abgekühlt wird.

Bei einer Variante der sogenannten umwandlungsinduzierten Plastizität wird der Stahl auf eine hohe Temperatur erhitzt, auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, dort eine Zeit lang gehalten und anschließend schnell abgeschreckt. Dadurch entstehen Austenitinseln, umgeben von einer Matrix aus weicherem Ferrit, mit Bereichen aus härterem Bainit und Martensit. Dieser Stahl kann große Energiemengen aufnehmen, ohne zu brechen, und eignet sich daher gut für Stoßfänger und Säulen.

Rezepturen lassen sich durch den Einsatz verschiedener Legierungen weiter optimieren. Henry Ford verwendete bereits vor über einem Jahrhundert Stahl-Vanadium-Legierungen, um die Leistung des Stahls in seinem Modell T zu verbessern, und die Legierungsrezepturen werden auch heute noch weiter verbessert. Ein modernes Beispiel für die Verwendung leichterer Metalle in Kombination mit Stahl ist der aluminiumintensive F-150-Truck der Ford Motor Company. Die 2015er-Version wiegt fast 327 Kilogramm weniger als das Vorgängermodell.

Ein Verfahren, das in Verbindung mit neuen Materialien eingesetzt wird, ist das Rohrhydroforming. Dabei wird Metall durch Hochdruckinjektion von Wasser oder anderen Flüssigkeiten in ein Rohr in komplexe Formen gebogen und dieses so erweitert, dass es sich der Form einer umgebenden Matrize anpasst. Dadurch können Teile hergestellt werden, ohne dass zwei Hälften zusammengeschweißt werden müssen, was Zeit und Geld spart. Ein Aluminium-Rahmenträger einer Corvette, das größte hydrogeformte Bauteil der Welt, konnte laut Taub, Mitautor eines 2019 im Annual Review of Materials Research erschienenen Artikels über Leichtbau im Automobilbereich , 20 Prozent Masse gegenüber dem ersetzten Stahlträger einsparen .

Neue Legierungen

Neuere Entwicklungen sind Legierungen wie Titan und insbesondere Niob, die die Festigkeit durch Stabilisierung der Metallmikrostruktur erhöhen. In einem Artikel aus dem Jahr 2022 bezeichnete Speer die Einführung von Niob als „eine der wichtigsten Entwicklungen der physikalischen Metallurgie des 20. Jahrhunderts“.

Ein Werkzeug, das die Zeit zwischen Versuch und Irrtum verkürzt, ist der Computer. „Die Idee ist, Materialien mithilfe des Computers schneller zu entwickeln als durch Experimente“, sagt Speer. Neue Ideen können nun bis auf die atomare Ebene getestet werden, ohne dass sich Arbeiter über eine Werkbank beugen oder einen Ofen anheizen müssen.

Die fortwährende Suche nach besseren Materialien und Verfahren veranlasste den Ingenieur Raymond Boeman und seine Kollegen 2015 zur Gründung des Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) mit einem Bundeszuschuss von 70 Millionen US-Dollar. Das auch als Composites Institute bekannte Institut bietet der Industrie die Möglichkeit, neue Verfahren und Produkte zu entwickeln, zu testen und zu skalieren.

„Das Feld entwickelt sich in vielerlei Hinsicht weiter“, sagt Boeman, der heute die Forschung des Instituts zur Skalierung dieser Prozesse leitet. Das IACMI arbeitet daran, klimafreundlichere Alternativen für herkömmliche Kunststoffe wie das weit verbreitete Polypropylen zu finden. 1960 wurden in einem typischen Fahrzeug weniger als 45 Kilogramm Kunststoff verbaut. Bis 2017 war diese Zahl auf fast 169 Kilogramm gestiegen, da Kunststoff günstig in der Herstellung ist und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist – ideal für Automobilhersteller, die Gewicht sparen wollen.

Laut Taub bestanden 2019 10 bis 15 Prozent eines typischen Fahrzeugs aus Polymeren und Verbundwerkstoffen – von Sitzkomponenten über Kofferräume und Türteile bis hin zum Armaturenbrett. Und wenn diese Autos das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, landen ihre Kunststoffe und andere schwer recycelbare Materialien, sogenannte Schredderrückstände, insgesamt 5 Millionen Tonnen, auf Mülldeponien – oder, schlimmer noch, in der Umwelt .

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Forscher arbeiten intensiv an der Entwicklung stärkerer, leichterer und umweltfreundlicherer Kunststoffe. Gleichzeitig ermöglichen neue Kohlefaserprodukte den Einsatz dieser Leichtbaumaterialien auch an tragenden Stellen wie strukturellen Unterbodenteilen. Dies reduziert den Schwermetallanteil in Karosserien weiter.

Natürlich bleibt noch viel zu tun, um Autos weniger gefährlich zu machen – sowohl für den menschlichen Körper als auch für den Planeten, den diese Menschen täglich bereisen, um zu arbeiten und ihre Freizeit zu verbringen. Taub zeigt sich jedoch optimistisch, was Detroits Zukunft angeht und dass die Branche die Probleme lösen kann, die das Ende der Pferdekutschenzeit mit sich brachte. „Ich sage den Studenten, dass sie noch lange Zeit einen sicheren Arbeitsplatz haben werden.“

Foto: Richard Harris auf Pexels