Stahl Stahlentwicklung global

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

JFE und ThyssenKrupp Steel Europe bringen mit der TPN-W-Werkstofffamilie. neue Mehrphasenstähle an den Markt, die bei gleicher Festigkeit bessere Umformeigenschaften als TRIP-Stähle aufweisen.

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Bei TPN-Stählen liegt der für das Umformverhalten ausschlaggebende Wert für die Bruchdehnung um etwa 40 Prozent höher als bei derzeit verfügbaren höchstfesten Mehrphasenstählen. (Bild: ThyssenKrupp Steel Europe)
Bei TPN-Stählen liegt der für das Umformverhalten ausschlaggebende Wert für die Bruchdehnung um etwa 40 Prozent höher als bei derzeit verfügbaren höchstfesten Mehrphasenstählen. (Bild: ThyssenKrupp Steel Europe)

Japan Future Enterprise (JFE) und ThyssenKrupp Steel Europe haben die TPN-W-Stähle im Rahmen eines bereits 2002 abgeschlossenen Kooperationsvertrages entwickelt. TPN bedeutet Three Phase Nano, W steht für Warmband. Ziel der Zusammenarbeit ist es, Automobilkunden beider Partner leistungsfähige Stahlwerkstoffe global zur Verfügung zu stellen.Die TPN-W-Stähle gibt es mit Mindestzugfestigkeiten von 780 und 900 Megapascal (MPa) als verzinktes oder unbeschichtetes Warmband. Die Mindestbruchdehnungen liegen für beide Stähle bei 14 beziehungsweise 15 Prozent. Diese Eigenschaften - und ihren Namen - verdanken die TPN-W-Stähle einer bainitisch/ferritischen Gefügestruktur mit eingelagerten Restaustenitanteilen in Kombination mit Ausscheidungen im Nanometerbereich. Eine Stahlrezeptur für Feinschmecker, in der sich zwei Ansätze vereinigen, mit denen die beiden Stahlhersteller zuvor auf jeweils unterschiedlichen Wegen den Zielkonflikt zwischen Festigkeit und Umformbarkeit gelöst haben.

Nanotechnolgie bei der Stahlherstellung

So sorgen bei den höchstfesten Restaustenitstählen von ThyssenKrupp Steel Europe Austenitanteile für gutes Umformverhalten, weil sie sich erst bei der Umformung in harten Martensit umwandeln. Hierdurch erhält der Stahl erst im fertigen Bauteil seine endgültige Festigkeit. JFE macht bei seinem Werkstoff NANO HITEN gute Erfahrungen mit Nano-Karbidausscheidungen, die die Festigkeit an sich weicher ferritischer Gefügeanteile steigern. Bei den TPN-W-Stählen sind diese Partikel mehrheitlich weniger als fünf Nanometer klein. Auch die gemeinhin nicht unbedingt als Hort der Nanotechnologie wahrgenommene Stahlindustrie zeigt hier, dass sie mit ihren riesigen Aggregaten feinste Gefügestrukturen gezielt und zuverlässig erzeugen kann.

Zusammengenommen ergeben das Restaustenit-Konzept und der Nanopartikel-Ansatz einen Stahl, der im Segment der höchstfesten Mehrphasenstähle neue Maßstäbe setzt. Das zeigt sich beispielsweise, wenn man den TPN-W 780 und einen konventionellen Mehrphasenstahl gleicher Festigkeit in standardisierten Umformtests miteinander vergleicht. Beim LDH-Test (Limiting Dome Height) etwa wird ein halbkugelförmiges Werkzeug in eine runde, an den Rändern festgehaltene Blechprobe gedrückt, bis es Risse gibt. Für den TPN-W 780 ergibt sich dabei eine um zehn Millimeter höhere Ziehtiefe. Ähnliche Ergebnisse liefert der Test mit einem Kreuzziehwerkzeug, bei dem die Probe des konventionellen Mehrphasenstahls nach 40 Millimetern Ziehtiefe erste Risse zeigte, die TPN-Probe dagegen auch nach 50 Millimetern noch unbeschädigt blieb. Untersuchungen zum Schweißverhalten zeigen ebenfalls erstklassige Ergebnisse für die neuen Mehrphasenstähle.

Ressourcenschonung durch wirtschaftlichen Leichtbau

Dank der hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit können Automobilbauer mit TPN-W-Stählen eines ihrer wichtigsten Entwicklungsziele erreichen: Ressourcenschonung durch wirtschaftlichen Leichtbau. Weil die Werkstoffe so fest sind, lassen sich Bauteile dünnwandiger und damit Gewicht sparend dimensionieren, ohne Abstriche bei Stabilität oder Sicherheit machen zu müssen. Dank der guten Umformeigenschaften lassen sie sich problemlos in den Presswerken verarbeiten. Außerdem sorgt die gute Umformbarkeit für mehr Freiheitsgrade bei der Bauteilgestaltung, weil sich komplexere Geometrien umsetzen lassen.

Was in ihnen steckt, haben die Mitglieder der TPN-W-Familie unter anderem im Rahmen des InCar Projekts von ThyssenKrupp gezeigt. Bei der konzernweiten Initiative für Innovationen im Automobilbau wurde zum Beispiel ein vorderer Längsträger aus TPN-W 780 gebaut und mit einem Großserienbauteil aus der oberen Mittelklasse vergleichen. Die Referenz ist aus einem Dualphasenstahl-Warmband mit einer Mindestzugfestigkeit von 600 MPa gefertigt. Der TPN-W-Längsträger erwies sich im Vergleich als 14 Prozent leichter und acht Prozent billiger als das Vergleichsbauteil. Wendet man für die Fertigung die für ThyssenKrupp patentierte T3-Technologie an, verringert sich das Gewicht sogar um 27 Prozent und die Kosten um 13 Prozent. Der TPN-W 900 wurde im Rahmen des InCar Projekts für eine B-Säule verwendet. Hier lagen die Gewichtsvorteile im Vergleich mit einem Bauteil aus einem Dualphasenstahl-Warmband mit 600 MPa bei 19 Prozent und die Kostenvorteile bei zwölf Prozent. Die Kostenvorteile ergeben sich jeweils aus verringertem Materialeinsatz und reduziertem Fertigungsaufwand.

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