Stahl Aktuelle Stahlsorten und Konstruktionsweisen für tragende Bleche und Profile

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ralph Bartos / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Die Anforderungen an moderne Automobile steigen kontinuierlich. Von neuen Fahrzeugmodellen werden auf der einen Seite gesteigerte Fahrleistungen, höherer Komfort und ein Plus an Sicherheit erwartet. Auf der anderen Seite steht die Forderung nach besserer Umweltverträglichkeit – also verringertem Kraftstoffverbrauch, sinkenden Emissionswerten und verbesserter Recyclingfähigkeit. Vor diesem Hintergrund nimmt die Bedeutung konsequenten Leichtbaus, der insbesondere an der Karosserie als größter zusammenhängender Baugruppe eines Fahrzeugs ansetzt, stetig zu.

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Die Karosserie als zentrale Fahrzeugkomponente muss eine Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen erfüllen (Abb. 1), die maßgeblich auch die Eigenschaften des Gesamtfahrzeugs bestimmen. Die Komplexität der teilweise konträren Anforderungen erschwert die Auslegung einer Rohkarosserie nach den grundlegenden statischen, strukturdynamischen, crashrelevanten sowie gewichtsoptimierten Kriterien erheblich. Durch die gezielte ganzheitliche Ausnutzung der werkstoffspezifischen Eigenschaften von Stahl in Kombination mit den Vorteilen neuer Konstruktionsweisen und innovativer Fertigungstechnologien kann diesen jedoch Rechnung getragen werden.

Die genannten Karosserieanforderungen sind für die Werkstoffauswahl von entscheidender Bedeutung. Aufgrund seines einzigartigen Eigenschaftsprofils hat sich der Werkstoff Stahl seit den Anfängen des Automobilbaus im Karosseriebereich bewährt. Die Gründe dafür liegen in seinen guten Festigkeitseigenschaften, seinem hohen Elastizitätsmodul und der hervorragenden Kombination aus Umformbarkeit, Fügbarkeit und Lackierbarkeit. Darüber hinaus zeichnet er sich durch eine hohe Gesamtwirtschaftlichkeit im Hinblick auf die Großserienfertigung sowie durch optimale Recyclingfähigkeit aus. Die Korrosionsbeständigkeit der aus Stahl gefertigten Bauteile ist heute durch vielfältige Beschichtungssysteme sichergestellt.

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Höherfeste Stahlsorten

Um die vergleichsweise hohe Dichte des Werkstoffs zu kompensieren und dem Leichtbau Rechnung zu tragen, wurden in den letzten drei Jahrzehnten höherfeste Stahlsorten entwickelt, die eine Reduzierung der Blechdicke bei gleicher Bauteilfestigkeit erlauben. Die höheren Festigkeiten ermöglichen es zudem, andere Bauteileigenschaften, wie die Steifigkeit, gezielt zu verbessern.

Zu diesen höherfesten Stahlsorten zählen beispielsweise die Bake-Hardening-Stähle, die bei der Umformung relativ weich sind und eine Streckgrenzenerhöhung beim Einbrennlackieren erhalten. Sie verbessern dadurch die Beulfestigkeit und eignen sich deshalb insbesondere für Außenhautteile. Weitere der Gruppe der höherfesten Stähle zuzurechnende Stahlsorten sind die mikrolegierten Stähle mit feinkörnigem Gefüge, die bevorzugt für Strukturbauteile mit ausgeprägter Festigkeitsbeanspruchung eingesetzt werden, sowie die so genannten Interstitial Free-Stähle, die aufgrund ihrer verbesserten r- und n-Werte für Bauteile mit hohen Tiefziehansprüchen, wie Bodenbleche oder Radhäuser, Verwendung finden.

Hoch- und höchstfeste Stahlsorten

Neben diesen inzwischen weit verbreiteten höherfesten Stählen mit einem Festigkeitsspektrum (Streckgrenze) von 180 bis 420 MPa wurden in den letzten Jahren weitere, so genannte hoch- und höchstfeste Stahlsorten entwickelt. Diese weisen bei relativ guten Umformeigenschaften Zugfestigkeiten von bis zu über 1.000 MPa auf. Zur Gruppe der hoch und höchstfesten Stähle zählen vor allem die Mehrphasenstähle.

Mehrphasenstähle, wie z. B. Dualphasen- oder TRIP-Stähle, zeichnen sich durch eine maßgeschneiderte Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile aus. Bei den Dualphasenstählen ist in der ferritischen Grundmatrix eine überwiegend martensitische Zweitphase eingelagert, bei den TRIP-Stählen (TRIP = TRansformation Induced Plasticity) liegen in einer vorwiegend ferritischen Matrix feinverteilte Restaustenitinseln, die erst bei der Umformung in harten Martensit umgewandelt werden.

Gemeinsames Merkmal aller Mehrphasenstähle ist das für die hohen Festigkeiten außerordentliche Energieaufnahmevermögen. Sie werden deshalb vor allem für sicherheitsrelevante Strukturbauteile eingesetzt. Porsche Cayenne und VW Touareg waren die ersten Serienfahrzeuge, bei denen diese Stähle in großem Umfang eingesetzt wurden, Abb. 2. Die Karosserien beider Modelle bestehen zu 28 Prozent aus Mehrphasenstählen. Mittlerweile haben diese Stahlsorten in allen Fahrzeugklassen eine große Verbreitung gefunden.

Ultrahochfeste Stahlsorten

Noch höhere Festigkeiten bieten neue „ultrahochfeste“ Mangan-Bor-Stähle, die zunehmend für tragende und sicherheitsrelevante Strukturteile Verwendung finden, bei denen höchster Widerstand gegen Deformation erforderlich ist. Die Blechplatinen aus diesen Stählen werden warm umgeformt und direkt in der Presse gezielt abgekühlt, wodurch sich extreme Bauteilfestigkeiten von bis zu 1650 MPa einstellen lassen. Beim aktuellen VW Passat werden Mangan-Bor-Stähle für B-Säulen, Schweller, Mitteltunnel, Dachrahmen sowie im Bereich der Stirnwand eingesetzt, Abb. 3. Im Vergleich zu einer Bauweise mit höchstfesten, konventionell umgeformten Stählen ist die Rohkarosserie des Passat zudem um etwa 20 kg leichter.

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Auch in der Klein- und Kleinstwagenklasse finden diese ultrahochfesten Stähle immer häufiger Verwendung. So setzt Fiat sie beim neuen 500 für B-Säulen, Seitenaufprallschutz- und Front-Querträger ein. Als Ergebnis erreichte das Modell beim Euro NCAP-Crashtest die bestmögliche Wertung von fünf Sternen.

Maßgeschneiderte Halbzeuge aus Stahl

Ein weiterer Beitrag zur Umsetzung konsequenten Karosserie-Leichtbaus ist der Einsatz von Tailored Blanks, d.h. vorgefertigten, maßgeschneiderten Halbzeugen aus Stahl. Die laserstrahlgeschweißten Platinen, die mit beliebigen Schweißnahtverläufen ausgeführt sein können, bestehen aus zwei bis sieben Einzelblechen unterschiedlicher Dicke, Sorte/Festigkeit und Oberflächenbeschichtung, Abb. 4.

Durch die Kombination der verschiedenartigen Einzelbleche lassen sich Festigkeit und Steifigkeit gezielt den lokalen Beanspruchungen am Einsatzort anpassen. Das Resultat ist eine zum Teil deutliche Gewichtsreduktion bei gleichzeitig verbesserter Crash-Performance. Bei der Konzeption eines vorderen Längsträgers als Tailored Blank kann beispielsweise durch die übliche Anordnung des dünneren/weicheren Materials im Bereich der Fahrzeugfront die bei einem Frontalcrash freiwerdende Energie zu einem großen Teil bereits am Ausgangspunkt der Verformung abgebaut werden. Der Schutz der Fahrgastzelle wird durch die dicker/fester ausgeführten insassennahen Trägerbereiche sichergestellt.

Inzwischen stehen auch laserstrahlgeschweißte Platinen aus Mangan-Bor-legierten Stahlblechen für die Warmumformung zur Verfügung. Dabei müssen die Platinen nicht ausschließlich aus Mangan-Bor-Stählen bestehen. Selbst die Kombination mit konventionellen höherfesten Stahlsorten ist mittels eines speziellen Verfahrens möglich. Erstmalig eingesetzt wird diese Technologie für die B-Säulen des Audi A5 sowie des neuen A4. Die oberen zwei Drittel dieser Bauteile bestehen aus Mangan-Bor-Stahl, um Oberkörper und Kopf der Insassen bei einem Seitenaufprall optimal zu schützen; das untere Drittel der Komponenten ist aus einem konventionellen mikrolegierten Stahl gefertigt, um durch gezielte Deformation einen Teil der Crash-Energie aufzunehmen.

Dünnwandige Hohlprofile als Zukunftstrend

Bei der Karosserieentwicklung für künftige Fahrzeuggenerationen werden große Erwartungen in profilintensive Bauweisen gesetzt. Hierbei kommen im Vergleich zur Schalenbauweise Karosseriestrukturen aus geschlossenen dünnwandigen Hohlprofilen zum Einsatz. Karosseriekonzepte in dieser Bauweise, wie „atlas spaceframe“, dessen Nachfolgeprojekt „ScaLight“ oder der „NSB NewSteelBody“ belegen, dass durch den intelligenten Mix innovativer Profile und klassischer Blech-Bauteile trotz höchster Struktur- und Sicherheitsanforderungen Gewichtseinsparungen von bis zu 24 Prozent gegenüber der konventionellen Bauweise erreicht werden können. Möglich machen dies der konsequente Einsatz hoch- und höchstfester Stähle sowie die Verwendung moderner Umform- und Fügetechniken.

Die Anforderungen an Fahrzeugkarosserien werden auch künftig weiter steigen. Die skizzierten Entwicklungen zeigen aber, dass für die wirtschaftliche Realisierung neuer Bauteil- und Systemlösungen Stahl weiterhin der Leichtbauwerkstoff der Wahl sein wird.

Dipl.-Ing. Ralph Bartos ist beim Stahl-Informations-Zentrum in Düsseldorf tätig.

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