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„Grüner Stahl“ braucht genaue Kenntnis des atomaren Aufbaus

Fortschrittliche Stahllegierungen werden nicht nur neue Anwendungen ermöglichen, sondern auch wesentlich zu Nachhaltigkeit, Energieeinsparung und der Verringerung der CO2-Emissionen bei der Herstellung beitragen. Dafür soll die herkömmliche Produktion über die Hochofen-Route auf Elektrolichtbogenöfen umgestellt werden. An den Details forscht die Montanuniversität Leoben.

Derzeit ist der Ausgangspunkt der Stahlherstellung der traditionelle Hochofen. In ihm werden Koks und Eisenerz verarbeitet. Das Eisenerz enthält Sauerstoff und wird mit Koks zu metallischem Eisen reduziert dabei werden große Mengen des Treibhausgases CO2 freigesetzt.

„Man muss versuchen, mehr Schrott bei der Stahlherstellung einzusetzen. In Elektrolichtbogenöfen können Schrott und sogenannter Eisenschwamm eingesetzt werden, wodurch wesentlich weniger CO2 freigesetzt wird als mit der Hochofen-Route“, weiß Ronald Schnitzer, Leiter der Lehrstühle für Metallkunde und Stahldesign an der Montanuni Leoben.

Die Tücken stecken allerdings im Detail: Schrott, so Schnitzer, enthält sogenannte Begleit- und Spurenelemente wie Kupfer, Phosphor, Schwefel, Arsen, Antimon, Zinn oder Stickstoff. „Um die Entwicklung von Stählen aus dem Elektrolichtbogenofen zu ermöglichen, ist das Wissen um den Einfluss dieser Elemente auf die Eigenschaften der Stahlprodukte eine notwendige Voraussetzung“, unterstreicht der Wissenschaftler.

Der Einfluss der Begleitelemente werde zwar schon seit Jahrzehnten untersucht, erforscht sei aber nur das Verhalten an den damals verwendeten Stählen. „Die Stahllegierungen haben sich stark weiterentwickelt, sie sind komplexer geworden, deshalb weiß man zum Teil gar nicht mehr, was die Begleitelemente in ihnen alles verursachen können. Wir untersuchen das, es wird uns in den nächsten Jahren beschäftigen.“

Für die Analysen steht Schnitzer und seinem Team eine Reihe hochmoderner Instrumente zur Verfügung. Darunter ist die einzige Atomsonde Österreichs, die in Leoben steht. Mit ihr kann die Nanostruktur von Materialien untersucht werden. „Wir können so den atomaren Aufbau von Stählen sehen. Zusätzlich kommen Untersuchungsmethoden wie die Laserkonfokal-Mikroskopie oder ein Transmissions-Elektronenmikroskop, das eine besonders hohe Auflösung besitzt, zur Anwendung.

Die Stärke der Montanuni liegt, so Schnitzer, in der skalenübergreifenden Untersuchung der Stahlproben, die in Leoben angeboten wird. „Das ermöglicht uns die Charakterisierung von der atomaren Ebene über das Gefüge bis hin zu ganzen Bauteilen.“ In Kombination mit atomistischen Simulationen, für die ein Supercomputer benötigt wird, der allerdings in Wien steht, kann viel Geld und Zeit gespart werden: „Die Versuch-und-Irrtum-Methode wird sukzessive durch die computergestützte Materialwissenschaft abgelöst“, ist Schnitzer überzeugt.

Durch diesen Ansatz wird die wissensbasierte Entwicklung von Hochleistungsstählen, die mit geringen CO2-Emissionen hergestellt werden, ermöglicht. In Bezug auf die Automobilindustrie ist beispielsweise der Trend zur Leichtbauweise einer der treibenden Faktoren für die Entwicklung neuer hochfester Stähle. „Weil immer mehr Elektronik in die Fahrzeuge eingebaut wird, muss an anderer Stelle Gewicht eingespart werden. Und das geht am ehesten bei der Karosserie.“

Gleichzeitig darf die Personensicherheit nicht leiden. Deshalb sollen die Festigkeit und Zähigkeit zugleich erhöht und die bisherigen Eigenschaften weiter ausgereizt werden. Für derartige Anwendungen und Anforderungen sind neuartige Stähle mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erforderlich. „Wir brauchen Stahl, der seine Eigenschaften im Fall eines Crashs ändert und die Aufprallenergie mittels Verformung absorbiert. Die Basis für diese neuartigen Stähle ist ein umfassendes Verständnis der Legierungseinstellung, der metallurgischen Herstellprozesse, des Weiterverarbeitungsverfahrens Walzen, der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie der Anwendungsmöglichkeiten von Stählen.“
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sieht der Lehrstuhlleiter in sogenannten mikrolegierten Baustählen, wie sie für Kräne zum Einsatz kommen. Aber auch im Werkzeugbau oder für beschusssichere Fahrzeuge könnten neuartige Stähle Anwendung finden.

Der Elektrolichtbogenofen ist für Schnitzer und sein rund 40-köpfiges Team an den Lehrstühlen für Metallkunde und Stahldesign übrigens nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zum „grünen Stahl“: „Langfristig streben wir bei der Herstellung die Wasserstofftechnologie an. Der Wasserstoff wird dann den Kohlenstoff als Reduktionsmittel ersetzen, sodass überhaupt kein CO2 mehr emittiert wird.“ Im Labormaßstab sei dies bereits möglich. Schnitzer: „Ich bin optimistisch, dass es in der Zukunft auch im großtechnischen Maßstab funktionieren wird.“

Mehr Informationen:
www.unileoben.ac.at

Fotocredit: MUL

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