Neue warm- und kaltgewalzte Stähle

Dr. Bernhard Engl, Wilfried Prange, Thyssen Krupp Stahl AG, Dr. Jutta Klöwer, Krupp VDM GmbH Dr. Alfred Otto, Krupp,Thyssen Nirosta GmbH,

Mehrphasenstähle sind Werkstoffe, deren mechanische Eigenschaften durch maßgeschneiderte Kombination unterschiedlich harter Gefügebestandteile eingestellt werden. Sie bieten gegenüber den vor mehr als 20 Jahren entwickelten mikrolegierten thermomechanisch gewalzten Stählen eine um bis zu 50% erhöhte Festigkeit: Der Spitzenwert bei warmgewalztem Band liegt bei 1.400 N/mm². Dennoch können Mehrphasenstähle auf sehr geringe Warmbanddicken von 1,5 mm gewalzt werden.

Die Umformbarkeit wurde bei den Restaustenitstählen mit hohem Festigkeitsniveau gegenüber bisher bekannten Stählen verbessert. Auch bei Kaltband ist es durch die Einführung der Mehrphasenstähle gelungen, die Umformeigenschaften zu verbessern und den Festigkeitsbereich zu erweitern. So werden Dualphasenstähle heute mit Festigkeiten von 500 bis 600 N/mm² sowie TRIP-Stähle im Festigkeitsbereich von 600 bis 800 N/mm² angeboten.

Serienmäßig produziert Thyssen Krupp heute Dualphasenstähle mit einem Gefüge aus weichem Ferrit und eingelagerten, harten Martensitinseln, Complexphasenstähle mit einem Gefüge aus unterschiedlichen Bainitarten mit eingelagerten Martensitinseln und Martensitphasenstähle.

Der Dualphasenstahl DP 600 mit einer Festigkeit von 600 N/mm² ist heute in warmgewalzter Ausführung der wichtigste Werkstoff für die Herstellung gewichtsreduzierter Räder für die Automobilindustrie. Dies ermöglicht ohne Mehrkosten eine Gewichtseinsparung von rund 20%. Verglichen mit Aluminium ist das Stahl-Leichtbaurad zwar noch um 20% schwerer, kostet aber weniger als die Hälfte.

Eine neue Perspektive für Dualphasenstahl sind Anwendungen für Karosserie-Außenhautteile. Gegenwärtig laufen Entwicklungsarbeiten für eine Pkw-Tür aus dem Dualphasenstahl DP 500 als Kaltband. Der Werkstoff hat eine Festigkeit von 500 N/mm² und bietet eine erhöhte Beulfestigkeit und Möglichkeit zur Material- und Gewichtseinsparung. Im nicht sichtbaren Bereich der Karosserie sind Struktur- und Verstärkungsteile aus kaltgewalztem DP 500 im Serieneinsatz.

Complex- und Martensitphasenstähle sind besonders in crashrelevanten Teilen, bei denen es auf hohe Energieaufnahme bei geringer Verformung ankommt, im Serieneinsatz. So werden die Seitenaufprallträger des VW Golf aus Complexphasenstahl mit einer Festigkeit von 800 bis 1.000 N/mm² gefertigt.

Beispiel für den Erfolg höchstfester Stähle im Automobilbau ist der Einsatz eines Martensitphasenstahls mit einer Festigkeit von 1.200 N/mm² als Seitenaufprall-schutz: Die Kosten- und Gewichtsvorteile dieser Lösung waren so überzeugend, dass der Automobilhersteller in der laufenden Serie von Aluminium auf den höchstfesten Stahl wechselte. Verglichen mit dem Aluminium-Bauteil ist der Seitenaufprallträger aus Martensitphasenstahl 50% billiger und nur 5% schwerer. Der Einsatz als Seitenaufprallträger ist die erste Serienanwendung eines derart festen Stahls als kalt verformtes Pressteil.

Ganz neu und noch im Versuchsstadium sind partiell martensitische Stähle mit einem ferritisch-martensitischen Gefüge. Der Martensitanteil beträgt bis zu 60%. Eingestellt wird die Gefügestruktur durch die Wärmebehandlung beim Durchlauf-glühen oder beim Verzinken. Typisch für diese Stahlgruppe ist eine hohe Festigkeit von über 800 N/mm² bei einer vergleichsweise niedrigen Ausgangsstreckgrenze. Der Werkstoff verfestigt sich schon bei geringer Umformung sehr stark, so dass eine hohe Endfestigkeit des Bauteils erreicht werden kann. Ebenfalls im Laborstadium befinden sich Leichtstähle mit induzierter Plastizität: Hier wird einerseits das spezifische Gewicht von Stahl durch Zulegieren leichterer Elemente verringert, gleichzeitig wird die Umformbarkeit noch einmal deutlich erhöht.

Besondere Zukunftserwartungen setzt Thyssen Krupp Stahl in die neuen Trip-Stähle, gegenwärtig in der Entwicklung: Sie haben ein bainitisch-ferritisches Gefüge mit eingelagerten Restaustenitinseln, die sich beim Pressvorgang in harten Martensit umwandeln. Diese Stähle eignen sich sehr gut für anspruchsvolle Bauteile, die unter hohen Streck- und Tiefziehbelastungen hergestellt werden.

Tailored Blanks, maßgeschneiderte Stahlbleche werden erzeugt, indem man verschiedene Einzelbleche durch Laserschweißen zusammenfügt; es können Einzelbleche aus unterschiedlichen Stahlgüten, Dicken und mit verschiedenen metallischen Überzügen miteinander ver- schweißt werden.

Wo bei konventioneller Fertigung Verstärkungen an Kraftangriffspunkten nachträglich eingeschweißt werden, wird dies beim tailored blanking schon bei der Gestaltung der Platine berücksichtigt. Neben der Festigkeit von Bauteilen lässt sich mit Tailored Blanks auch die Umformbarkeit in der Fertigung, der Korrosionsschutz und das Energieaufnahmevermögen im Crash-Fall verbessern.

Seit Anfang der 90er Jahre, als Tailored Blanks entwickelt wurden, haben die maßgeschneiderten Platinen in der Automobilproduktion einen Siegeszug angetreten: Mehr als 200.000 Tonnen Tailored Blanks gingen 1998 bei Thyssen Krupp Stahl an europäische Automobilhersteller. Bis 2002 wird sich diese Menge verdreifachen. Ähnlich dürften sich der amerikanische und japanische Markt entwickeln.

Zusätzliche Gestaltungsfreiheit erhalten Abnehmer durch die neuen Thyssen Engineered Blanks (TEB). Im Unterschied zu Tailored Blanks mit geraden Schweißnähten bieten TEB mit ihrem frei wählbaren, nichtlinearen Nahtverlauf die Möglichkeit, Stahlbleche noch präziser auf die tatsächlichen Belastungs- und Kräfteverhältnisse am Bauteil auszulegen.

Beispiel für Gewichts- und Kostenvorteile: In konventioneller Ausführung wird der Scharnierbereich eines Türinnenblechs mit einer zusätzlichen Verstärkung versehen. Für die Verstärkung und ihren Einbau sind u.a. ein separates Presswerkzeug und Fügeoperationen zur Montage notwendig. Mit der Anwendung von TEB wäre es möglich, die Verstärkungen, genau auf die Kraftangriffspunkte bezogen, in die Platine einzuschweißen. Damit könnten die Verstärkungsbereiche auf das tatsächlich erforderliche Flächen- und Gewichtsminimum reduziert werden.

Die Fertigung rohrförmiger Halbzeuge aus unterschiedlichen Stahlgüten und -dicken gehört zu den nächsten Schritten bei der Ausweitung des Tailored-Blanking-Prinzips. Die Rohre sollen speziell für innenhochdruckumgeformte Karosserieteile angeboten werden. Während aus rohrförmigen Halbzeugen geformte IHU-Teile im Fahrgestell und im Fahrwerk Stand der Technik sind, betritt man im Karosseriebereich Neuland. Hier sind größere Rohrdurchmesser (60 bis 150 mm) und geringere Wanddicken (0,6 bis 1,5 mm) gefordert. Die Herausforderung besteht darin, einen Fertigungsprozess zu entwickeln, bei dem das Umformpotenzial des Stahls nicht der Kaltverfestigung beim Biegen der Rohre zum Opfer fällt.

Thyssen Krupp Stahl hat dieses Problem gelöst und eine kontinuierliche Rohrfertigung in Betrieb genommen. Die Rohrschweißanlage arbeitet ohne Rollformer und produziert Rohre, die genügend Umformpotenzial für anschließende komplexe IHU-Formgebungen haben. Verarbeitet werden verschiedene Stahlgüten vom normalen Tiefziehstahl bis hin zum höherfesten DP 600. Gemeinsam mit einem Automobilhersteller arbeitet man an einer Entwicklung für einen Rohr-Längsträger, der aus drei verschiedenen Stahlqualitäten besteht. Das herkömmlich gefertigte Vergleichsbauteil ist aus mehreren zusammengeschweißten Pressteilen mit innenliegenden Verstärkungen konstruiert. Das Tailored Tube bietet ein wesentlich besseres Crashverhalten und bis zu 15% weniger Gewicht.

Tailored Strips sind Halbzeuge für die Produktion von Rädern. Hier steht Stahl im Wettbewerb mit Aluminium – nicht nur wegen des unterschiedlichen spezifischen Gewichts, sondern auch, weil Aluminium-Gussräder ein höheres Maß an Gestaltungsfreiheit bieten. Ein Rad mit aus Tailored Strips gefertigter Felge und Schüssel aus TEB ist nur noch 500 Gramm schwerer als ein vergleichbares Aluminium-Rad, im Kostenvergleich fällt das Stahlrad um 30% preiswerter aus. Auch bei Tailored Strips besteht das Erfolgsrezept darin, dass man das Material genau dort am stärksten auslegt, wo die größten Kräfte und Lasten auftreten. Bei der Felge ist das der Randbereich, wo der Reifen aufliegt und bei der Schüssel die Zone, an der die Felge angeschraubt ist.

Das Konzept der maßgeschneidert angearbeiteten Stahlprodukte beinhaltet auch die Verbindung von Stahl und Aluminium zu einer Platine. Hierfür hat man ein Konzept entwickelt, das Korrosionsprobleme beim Verbinden der beiden Werkstoffe ausschließt. Das Verfahren, eine Kombination von Walzplattieren und Laserschweißen, kommt ohne Zusatzwerkstoff aus. Hierbei werden die Kontaktflächen überlappend aufeinander gelegter Stahl- und Aluminiumbleche unmittelbar vor dem Eintritt in das Walzgerüst von einem Laserstrahl erhitzt. Das direkt anschließende Walzplattieren sorgt dann für eine innige und korrosiv einwandfreie Verbindung der beiden Werkstoffe. Anwendungsmöglichkeiten für Transition Joints sind Türinnenbleche oder Stirnwände.

Im Automobilbau führt Edelstahl bislang ein Nischendasein: Durchschnittlich etwa 12 bis 13 kg des Werkstoffs werden bisher pro Pkw verbraucht, zumeist für die Abgasanlage, wo es auf gute Hitzebeständigkeit ankommt. Mit der Nirosta H-Reihe hat Krupp Thyssen Nirosta als erster Edelstahlproduzent einen Werkstoff entwickelt, der das Leichtbaupotenzial von Aluminium nahezu auf der Kostenbasis von Stahl bietet. Dabei handelt es sich um hochfeste austenitische Stähle, die mit Chrom und Mangan legiert sind. Die Reduktion des Nickelanteils zu Gunsten von Mangan verringert die Kosten und verbessert gleichzeitig die Eigenschaften des Werkstoffs in Bezug auf automobilen Leichtbau.

Austenitische Edelstähle bieten ein deutlich besseres Verhältnis von Festigkeit und Umformbarkeit als alle anderen im Automobilbau verwendeten metallischen Werkstoffe. Sie sind besser umzuformen als Aluminium und erreichen im Umformprozess eine hohe Festigkeit, die man zur Wanddickenreduzierung nutzen kann. Durch die Zulegierung von Mangan und Stickstoff wurden jedoch nicht nur die Kosten gesenkt, sondern auch Festigkeit und Energieaufnahmevermögen der Stähle gegenüber klassischen Edelstählen nochmals gesteigert. So verfügt der neue Nirosta H 400 über eine Zugfestigkeit von etwa 750 N/mm² bei einer Dehngrenze von mindestens 400 N/mm². Trotz der hohen Festigkeiten entspricht das Umformvermögen dem der Tiefziehfeinbleche.

Hohe Festigkeit, hohes Energieaufnahmevermögen, gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit: Mit diesem Profil eignet sich die neue Nirosta H-Reihe insbesondere für crashrelevante Teile sowie für Komponenten, die eine hohe Dauerfestigkeit haben müssen, korrosionsgefährdet sind und komplizierte Geometrien aufweisen. Die neuen Stähle werden voraussichtlich zuerst im Fahrwerk, beispielsweise für Achsen, Radträger oder Quer- und Längslenker Einzug halten. Aus Nirosta H gefertigte Bauteile dieser Art sind bei mehreren großen Automobilherstellern in der Erprobung. Bei einem Radträger für einen Pkw der Golf-Klasse erwies sich die Konstruktion aus dem neuen Edelstahl als nur 1% schwerer als eine entsprechende Aluminium-Konstruktion. Der Kostenvorteil lag bei 25%.

Ein Leichtbaupotenzial, das die Möglichkeiten von Aluminium übersteigt und sogar gegenüber Magnesium Vorteile hat, bieten Sandwich-Bleche aus zwei Schichten Kaltband Nirosta H, zwischen die eine Kunststofffolie geklebt wird. Die Nirosta-Schichten sind dabei zwischen 0,15 und 0,3 mm dünn, die Dicke der Kunststoffschicht beträgt 0,5 bis 1,5 mm.

Nirosta Sandwich eignet sich besonders für flächige Bauteile wie Abtrennungen, Türelemente oder Ölwannen. Hier verleiht die Kunststoffschicht dem Bauteil die notwendige Steifigkeit, so dass der Festigkeitsvorteil voll ausgenutzt werden kann. Außerdem wirken Sandwichbleche schalldämpfend und eignen sich für alle Anwendungsbereiche, in denen Lärmentwicklung vermieden werden soll.

Die Krupp VDM GmbH hat ein Verfahren entwickelt, das Nickelbasiswerkstoffen und Edelstählen neue Anwendungen im Temperaturbereich oberhalb von 1.000 Grad Celsius eröffnet. Der Prozess ist zum Patent angemeldet.

Der Vorteil des neuen Verfahrens ist, dass sich Verbundwerkstoffe mit beliebigen Eigenschaftskombinationen aus einer hitze- und verschleißfesten Randschicht und einem warmfesten, gut umformbaren Kernmaterial einstellen lassen. Für die Hitzebeständigkeit eines metallischen Werkstoffs ist ein hoher Aluminiumgehalt ausschlaggebend. Das Leichtmetall oxidiert unter Hitzeeinwirkung und bildet eine langsam wachsende Schutzschicht aus Aluminiumoxid an der Oberfläche des Metalls.

Der Aluminiumanteil kann nicht beliebig hoch eingestellt werden, weil er insbesondere die Umformeigenschaften metallischer Werkstoffe beeinträchtigt. So haben zum Beispiel die Aluminide genannten Werkstoffe mit einem Aluminiumanteil von bis zu 25% den Nachteil geringer Kalt- oder Warmumformbarkeit. Bei gut umformbaren Hochtemperaturwerkstoffen, sogenannten Knetlegierungen, liegt die Grenze für den Aluminiumgehalt bisher bei 4%.

Diese Grenze hat Krupp VDM bereits Ende 98 überschritten, als das Unternehmen eine 30 Mikrometer dünne Katalysatorfolie aus einer Eisen-Chrom-Legierung mit einem Aluminiumanteil von 7% entwickelte. Das Aluminium wird in einem Tauchbad auf ein Band aus Chromstahl aufgebracht. Nach dem Walzen auf die gewünschte Endabmessung wird das aluminiumbeschichtete Band diffusionsgeglüht. Dabei entsteht ein neuer, homogener Werkstoff mit hohem Aluminiumgehalt. Die Folie widersteht als Trägermaterial in Automobilkatalysatoren Temperaturen von bis zu 1.100 Grad Celsius.

Neu ist die Weiterentwicklung dieses Verfahrens für austenitische Werkstoffe: Ist neben Hitzebeständigkeit eine hohe Festigkeit gefordert, müssen Edelstähle und Nickelbasislegierungen mit austenitischem Gefüge eingesetzt werden. Zwischen austenitischem Grundwerkstoff und Aluminiumschicht wird ein ferritischer Chromstahl als Zwischenschicht eingebracht.

Dem Verfahren liegt die Beobachtung zu Grunde, dass das Aluminium bei der Diffusionsglühung, bevor es von der Oberfläche wegschmilzt, in den ferritischen Chromstahl eindringt und dort sofort Verbindungen bildet, die einen wesentlich höheren Schmelzpunkt haben als die ursprüngliche Aluminiumschicht.

Die Breite der aluminiumreichen Zone wird durch die Dauer und die Temperatur der Diffusionsglühung festgelegt. Die Zwischenschicht kann aus einem Blech, einem Band, einer Folie oder, bei runden Querschnitten, aus einem Rohr bestehen; die Dicken der jeweiligen Schichten aus austenitischem Grundwerkstoff, ferritischer Zwischenschicht und Aluminiumschicht sind ebenfalls variabel.

Hier entsteht ein breites Spektrum neuer austenitischer Nickelbasiswerkstoffe und Edelstähle mit gezielt einstellbaren Eigenschaftsprofilen für den Temperaturbereich oberhalb von 1.000 Grad Celsius: Neben der Hitzebeständigkeit können weitere Anforderungen an die Festigkeit, an Oberflächeneigenschaften wie Härte oder Korrosionsbeständigkeit oder an die Wärmeausdehnung miteinander kombiniert werden.