Forschungsquartett | Wissenschaftler entwickeln neuen Stahl

Was Knochen und Stahl gemeinsam haben

28.03.2017

Stahl haftet das Image eines archaischen Traditionswerkstoffes an. Dabei wird auch er stetig weiterentwickelt und zählt noch immer zu den High-Tech-Werkstoffen. Ein neues Herstellungsverfahren imitiert den Aufbau von Knochen auf Nanoebene.

Stahl ist auch nach der Krise allgegenwärtig

Der Siegeszug des Stahls ist schon eine Weile her. Vom neunzehnten bis weit ins zwanzigste Jahrhundert hinein prägte er im Zuge der Industrialisierung nicht nur Landstriche wie das Ruhrgebiet und das Saarland, sondern ganze Länder und Kontinente. Seit den 1970er-Jahren hat die Stahlindustrie stark an Bedeutung verloren. Dennoch ist der Werkstoff nach wie vor allgegenwärtig. Wirtschaft und Forschung bringen ständig neue Legierungen und Herstellungsverfahren für spezielle Einsatzbereiche hervor.

Die Automobilindustrie verlangt immer leichtere Baustoffe. Dabei sollen sie stabil und formbar sein. Konkurrenten für den Stahl sind hier vor allem Kohlenfaserverstärkte Kunststoffe (CFKs). Foto: Karosserie eines Prototyps für ein 1Liter-Auto von VW. Von Rainerhaufe / WikimediaDie Automobilindustrie verlangt immer leichtere Baustoffe. Dabei sollen sie stabil und formbar sein. Konkurrenten für den Stahl sind hier vor allem kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFKs).Volkswagen XL1: Karosserie in der gläsernen ManufakturPrototyp eines 1-Liter-Autos. Foto: Rainerhaufe | wikimediaCC BY-SA 4.0 

Neue Werkstoffe treten in Konkurrenz

Auch wenn die Konkurrenz durch neue Materialien wächst, bleibt vor allem die Fahrzeugindustrie auf Stahl angewiesen. Allerdings muss der Werkstoff immer leichter und zugleich fester werden, um konkurrenzfähig zu bleiben. Ein neues Herstellungsverfahren könnte diese beiden Eigenschaften miteinander verbinden, und dabei einen Vorteil gegenüber anderen High-Tech-Materialien ins Feld führen: nämlich günstig in der Herstellung zu sein.

Neuer Stahl imitiert den Aufbau von Knochen

Stahl mit knochenähnlichen EigenschaftennEin Blick in die Mikrostruktur des neuen Stahls: Unterschiedlich ausgerichtete Kristallstrukturen bilden abgegrenzte Bereiche. Risse können diese dem Knochen nachempfundene Struktur kaum durchdringen. Stoßen sie an eine sogenannte Grenzfläche, wird die weitere Ausbreitung gestoppt. Und das bereits im Nanometerbereich.Mikrostruktur des neuen StahlsFoto: M.Wang / MPIE 

Seit einhundert Jahren wird am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf (MPIE) der Stahl verbessert. Jetzt ist gemeinsam mit Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Kyushu University Japan ein Durchbruch gelungen. Die Forscher können mit gängigen Methoden der Stahlherstellung wie Kalt- oder Warmwalzen die Mikrostruktur bestimmter Legierungen beeinflussen. Und so eine knochenähnliche Struktur nachahmen, die den Stahl besonder leicht, fest und formbar werden lässt.

Dirk Ponge vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung hat den neuen Stahl mitentwickeltFür die Festigkeit des Stahls ist die Mikrostruktur entscheidend. Die wird aber nicht nur alleine durch die Zusammensetzung des Stahls bestimmt, sondern auch durch den Herstellungsprozess.Dr. Dirk Pongeforscht am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Foto: MPIE 

Redaktion: Mike Sattler