Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat neue Erkenntnisse zu den Ursachen von Flüssigmetallversprödung (Liquid-Metal Embrittlement, LME) von Stählen erarbeitet. Die Forschung fokussierte sich auf zinkbeschichtete Hochleistungsstähle, die insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden. Die Ergebnisse ermöglichen es, innovative Legierungslösungen zu entwickeln, die LME vermeiden und so den Weg für einen breiten Einsatz in der Industrie ebnen können.
Zinkbeschichtungen sind notwendig, um Stähle vor Korrosion zu schützen. Dabei werden Stahlkomponenten in ein Bad aus geschmolzenem Zink bei Temperaturen von etwa 450 °C versenkt. Das Zink reagiert anschließend mit der Oberfläche des Stahls und bildet eine robuste Zinkschicht auf der Oberfläche, die ausgezeichneten Korrosionsschutz bietet und die Lebensdauer des Stahls verbessert.
Rissbildung stellt Automobilindustrie vor Herausforderungen
Doch beim Schweißen der einzelnen Verbindungsstücke kann die Zinkbeschichtung zu Mikrorissen an den Stahlteilen führen. „LME ist ein seit Jahrzehnten bekanntes Problem, das auch bei verzinkten Stählen auftritt“, so Prof. Robert Maaß von der BAM. Das ist gerade in der Automobilindustrie eine Herausforderung, wo Fahrzeugkarosserien bis zu 5.000 Punktschweißnähte verfügen, und die Integrität der verwendeten Materialien relevant ist, um Sicherheitsrisiken zu verringern.
Um präzisere Vorhersagen zur Rissanfälligkeit zu treffen und präventive Maßnahmen einleiten zu können, ist ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Flüssigmetallversprödung entscheidend. Neue Methoden zur Materialcharakterisierung und Simulationstechniken können dazu beitragen, die Ursachen zu identifizieren und Lösungsansätze zu erarbeiten.
Innovative Forschungsmethode soll Stähle langlebiger machen
Forschende der BAM haben sich daher auf die Untersuchung der frühen Stadien der Flüssigmetallversprödung konzentriert. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Struktur, Thermodynamik und Atomistik an den Grenz- und Oberflächen des Werkstoffs Stahl. Sie haben einen innovativen Ansatz entwickelt, der elektronenmikroskopische Untersuchungsmethoden mit computergestützten Simulationsmodellen, u.a. der sogenannten dichtebasierten Phasenfeldtechnik, die an der BAM entwickelt wird, kombiniert, um Defekte zu erläutern.
Mit Hilfe dieser Herangehensweise hat die Forschung ergeben, dass an den Schnittstellen zwischen den Körnern des Stahls intermetallische Phasen gebildet werden, bevor Mikrorisse auftreten. Diese Phasen entstehen, wenn sich Zink an den Kornrändern anreichert. Dadurch wird der Stahl erheblich geschwächt. Mit dieser Erkenntnis werden nun Ansätze verfolgt, in denen die Zinkanreicherung und Phasenbildung kontrolliert werden, um damit die Flüssigmetallversprödung zu vermeiden.
"Unsere Erkenntnisse ermöglichen es, LME-resistente, fortschrittliche Hochleistungsstähle zu entwickeln, die langlebiger und ressourceneffizienter sind", erläutert das Team um Robert Maaß, Reza Darvishi Kamachali und Tilmann Hickel. „So leistet unsere Forschung einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen und energieeffizienten Automobilproduktion.“
Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit den Partnern ArcelorMittal Global Research, General Motors, dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung und dem Department of Materials Science and Engineering der University of Illinois durchgeführt, und kürzlich von dem American Iron and Steel Institute (AISI) mit einem Preis gewürdigt.
