Stahl light

Physik Journal – Extrem feste und dehnfähige Legierungen machen Stahl zur Konkurrenz von Leichtmetallen und Kunststoffen.

Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium und hochfeste Kunststoff-Komposite bereichern zunehmend die Werkstoffpalette der Autobauer. Denn ein Schlüssel zu geringerem Kraftstoffverbrauch liegt in immer leichteren Wagen. Doch mit modernen, stabilen und dabei leichten Legierungen bleibt auch Stahl konkurrenzfähig. Materialforscher des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf haben nun extrem feste und besonders dehnungsfähige Leichtstähle entwickelt.

Dehnbar wie Gummi ist dieser superplastische Stahl. (Quelle: MPG, MPI für Eisenforschung)

Auf der Basis langjähriger Erfahrung und thermodynamischer Simulationen im Computer folgerte die Arbeitsgruppe um Georg Frommeyer zunächst, dass sich sorgfältig dosierte Zusätze von Mangan, Silizium und Aluminium zum Eisen für leichte und stabile Stahllegierungen besonders eignen. Tatsächlich lässt sich ein neu entwickelter Stahl, der neben 15 Prozent Mangan je drei Prozent Aluminium und Silizium enthält, um ganze 50 Prozent dehnen. Mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 1100 Megapascal stellt er herkömmliche Karosseriestähle (700 MPa) in den Schatten.

Die Ursache dieser hervorragenden Dehnbarkeit – in der Fachsprache Duktilität – liegt in der sehr feinen und gleichmäßigen Verteilung der Kristallit-Körnchen im Material. Beim Gießen des Stahls werden dafür zum flüssigen Eisen bei rund 1500 °C so genannte Gießpulver (SiO ₂, Al ₂O ₃, MnO) zugesetzt. Bei der kontrollierten Erstarrung der Schmelze entstehen dann innerhalb von Sekunden die gewünschten, fein verteilten Kristallite. Die erhöhte Plastizität entwickelt sich bei diesem Übergang (Transformation Induced Plasticity, TRIP) oder durch die bevorzugt paarweise Anordnung der Kristallite (Twinnig Induced Plasticity, TWIP). Ein weiterer Spezialstahl der Düsseldorfer Forscher lässt sich sogar auf die zehnfache Länge dehnen, ohne zu brechen. Verantwortlich für diese Superplastizität sind gleichmäßig rundliche Kristallite in Mikro­­me­tergröße, die bei der Dehnung leicht aneinander vorbeigleiten.

Auch die kommerziellen Stahlkocher haben das Potenzial dieser TRIP/TWIP-Stähle im Blick. Frommeyer kooperiert daher mit der Salzgitter AG und der ThyssenKrupp Stahl AG, um die Leichtstähle bis zum Ende dieses Jahrzehnts in großen Mengen herzustellen.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Dezember 2004