Leichtbau auf den Punkt: Moderne hoch- und höchstfeste Stähle ermöglichen dünnwandige, steife und belastbare Strukturen und bleiben damit ein zentraler Werkstoff für wirtschaftlichen Leichtbau in Fahrzeugen und weiteren Industrieanwendungen.
Aluminium, Magnesium oder Faserverbundwerkstoffe – das sind typische Werkstoffe für den Leichtbau. Aber Stahl? Stahl hat das Image eines schweren, klassischen und wenig spektakulären Werkstoffs. Und trotzdem gehört er bis heute zu den wichtigsten Materialien – auch im Leichtbau. Der Grund ist, dass sich auch dieser Werkstoff in den letzten Jahren stark weiterentwickelt hat. Moderne hoch- und höchstfeste Stähle können ihre höhere Dichte durch sehr hohe Festigkeiten ausgleichen. Bauteile lassen sich dadurch dünner auslegen, ohne an Belastbarkeit zu verlieren. Deshalb ist Stahl im Automobilbau, im Nutzfahrzeugbau und in vielen anderen Branchen unverzichtbar.
Wer heute in ein Auto steigt, sitzt meist in einer Konstruktion, die überwiegend aus Stahl besteht. Je nach Fahrzeugklasse kommen rund 800 bis 900 Kilogramm des Werkstoffs zum Einsatz. Damit ist Stahl trotz leichterer Alternativen wie Aluminium, Magnesium und Faserverbundwerkstoffen weiterhin ein wichtiger Werkstoff im Automobilbau. Seine Bedeutung verdankt er nicht nur seiner Festigkeit und Wirtschaftlichkeit, sondern auch seiner stetigen Weiterentwicklung. Moderne Stähle ermöglichen heute Konstruktionen, die leichter, sicherer und nachhaltiger sind als noch vor wenigen Jahrzehnten.
In der Artikelserie „Werkstoffe im Leichtbau“ stellen wir die im Leichtbau verwendeten Werkstoffe vor, beschreiben ihre Eigenschaften und Anwendungen, ihre Verfügbarkeit und Verbreitung. Wir schauen uns in verschiedenen Beiträgen an, wie sie verarbeitet werden können und was sie für den Leichtbau auszeichnet – aber auch welche Nachteile mit ihrem Einsatz verbunden sind. Ebenso wollen wir ihr Potenzial für die Zukunft, ihren CO2-Footprint und die Recyclingfähigkeit bewerten. Metallische Leichtbauwerkstoffe sind z. B. Aluminium, Magnesium, hochfeste Stähle und Titan. Daneben gelten Faserverbundwerkstoffe als klassische Leichtbaumaterialien.
Was genau ist Stahl?
Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Gusseisen enthält Stahl zwischen etwa 0,02 und 2,06 Prozent Kohlenstoff. Bereits geringe Änderungen des Kohlenstoffgehalts beeinflussen die Eigenschaften des Werkstoffs deutlich. Während niedrige Kohlenstoffgehalte zu gut umformbaren und schweißbaren Stählen führen, steigen mit zunehmendem Kohlenstoffanteil Härte und Festigkeit. Gleichzeitig nimmt jedoch die Umformbarkeit ab. Die richtige Balance zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Verarbeitbarkeit ist deshalb eine der zentralen Aufgaben der Werkstoffentwicklung.
Neben Kohlenstoff enthalten die meisten technischen Stähle weitere Legierungselemente.
| Legierungselement | Wirkung |
|---|---|
| Mangan | erhöht Festigkeit und Härtbarkeit |
| Chrom | verbessert Korrosionsbeständigkeit |
| Nickel | steigert Zähigkeit |
| Silizium | erhöht Elastizitätsgrenze |
| Molybdän | verhindert Lochfraßkorrosion |
| Bor | steigert Härtbarkeit bereits in kleinen Mengen |
Deshalb ist Stahl heute weniger ein einzelner Werkstoff als vielmehr eine ganze Werkstofffamilie. Weltweit existieren mehrere tausend Stahlgüten für unterschiedliche Anwendungen – vom einfachen Baustahl bis hin zu hochfesten Leichtbaustählen.
Weltweit existieren mehrere tausend Stahlgüten. Eine Stahlgüte ist eine standardisierte Stahlsorte mit festgelegten chemischen, mechanischen und technologischen Eigenschaften; ihre Einteilung erfolgt in Europa unter anderem nach DIN EN 10020. Ihre Eigenschaften werden durch die chemische Zusammensetzung, das Gefüge und die Wärmebehandlung bestimmt.
(Quellen: DINMedia und Wikipedia)
Warum ist Stahl ein Werkstoff für den Leichtbau?
Auf den ersten Blick scheint Stahl nicht in die Welt des Leichtbaus zu passen. Mit einer Dichte von rund 7,8 g/cm³ ist er deutlich schwerer als Aluminium (2,7 g/cm³) oder Magnesium (1,8 g/cm³). Doch Leichtbau bedeutet nicht zwangsläufig, den leichtesten Werkstoff einzusetzen. Entscheidend ist vielmehr, mit möglichst wenig Material die gewünschte Funktion zu erfüllen.
„Leichtbau ist die geschickte Kombination von Werkstoffen und Strukturen mit dem Ziel, durch maximale Gewichtseinsparung Energie und Rohstoffverbrauch zu minimieren.“
– Christine Koblmiller in „Werkstoffklasse für die Zukunft“,Plastverarbeiter, 2012
Aber auch in puncto Nachhaltigkeit kann Stahl Boden gut machen. Zwar ist seine Primärherstellung energieintensiv und mit hohen CO₂-Emissionen verbunden, zugleich besitzt er aber einen wichtigen ökologischen Vorteil: Stahl lässt sich nahezu beliebig oft recyceln, ohne seine grundlegenden Eigenschaften zu verlieren. Durch bereits etablierte Sammel- und Verwertungskreisläufe steht heute bereits ein großer Anteil des eingesetzten Materials als Sekundärrohstoff zur Verfügung. Hinzu kommt, dass moderne Herstellungsverfahren – etwa die wasserstoffbasierte Direktreduktion oder der verstärkte Einsatz von grünem Strom in Elektrostahlwerken – das Potenzial haben, die Klimabilanz des Werkstoffs künftig deutlich zu verbessern – dazu später mehr.
Hohe Festigkeit
Die Festigkeit ist im Kontext des Leichtbaus die Stärke moderner Stähle. Während klassische Baustähle Zugfestigkeiten von etwa 235 bis 355 MPa erreichen, liegen hochfeste Stähle bei 800 bis 1.200 MPa. Pressgehärtete Stähle erreichen Zugfestigkeiten teilweise sogar über 2.000 MPa (siehe Quellen).
Dadurch können Wandstärken reduziert und Bauteile leichter ausgelegt werden, ohne Abstriche bei Belastbarkeit oder Sicherheit machen zu müssen.
Ein Beispiel ist die Stahlgüte HyperFlange CP800. Sie wurde speziell für Leichtbau-Chassis und Strukturbauteile entwickelt und verbindet hohe Festigkeit mit einer verbesserten Kantendehnbarkeit. Damit zeigt sie exemplarisch, wie moderne Stahlentwicklungen dazu beitragen, Material einzusparen und gleichzeitig die Bauteilleistung zu steigern.
Hohe Steifigkeit
Neben der Festigkeit spielt im Leichtbau die Steifigkeit eine wichtige Rolle. Das Elastizitätsmodul von Stahl liegt bei rund 210 GPa und damit etwa dreimal so hoch wie bei Aluminium. Insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen oder großflächigen Strukturen kann die Steifigkeit für die Auslegung des Bauteils entscheidend sein. Stahl ermöglicht deshalb oftmals schlankere Konstruktionen als andere Materialien – und im Vergleich dann trotz höherer Dichte ein leichteres Bauteil.
Gute Energieaufnahme
Ein weiterer Vorteil liegt in der Fähigkeit vieler Stahlsorten, Energie durch kontrollierte Verformung aufzunehmen. Dies ist insbesondere im Automobilbau von Bedeutung. Moderne Mehrphasenstähle schützen die Fahrgastzelle und absorbieren gleichzeitig Aufprallenergie.
Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit
Stahl gehört weltweit zu den am häufigsten produzierten Werkstoffen. Die globalen Produktionskapazitäten, die etablierte Verarbeitungstechnik und vergleichsweise niedrigen Materialkosten machen ihn für viele Anwendungen wirtschaftlich attraktiv.
Grenzen des Werkstoffs
Im Leichtbau allerdings bleibt die hohe Dichte eine Herausforderung. Wo jedes Gramm zählt – etwa im Flugzeugbau oder Motorsport – konkurriert Stahl mit Aluminium, Magnesium oder Composites. Hinzu kommt, dass viele Stähle ohne geeignete Schutzmaßnahmen korrosionsanfällig sind.
Warum Stahl nicht gleich Stahl ist
Die Eigenschaften eines Stahls werden nicht nur durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt. Ebenso wichtig ist sein Gefüge. Mit diesem Begriff bezeichnet man den mikroskopischen Aufbau eines Stahls, also die Art, Menge und Verteilung seiner Gefügebestandteile. Unter dem Mikroskop lassen sich im Stahl unterschiedliche Gefügebestandteile – beispielsweise Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit – identifizieren. Durch gezielte Wärmebehandlung lassen sich diese Gefüge beeinflussen und damit auch die Eigenschaften des Werkstoffs.
Moderne Leichtbaustähle gehören häufig zur Gruppe der Mehrphasenstähle, also zu Stählen, deren Mikrostruktur aus mindestens zwei unterschiedlichen Phasen oder Gefügebestandteilen besteht, die in der Materialwissenschaft gezielt kombiniert werden, um hohe Festigkeit mit guter Umformbarkeit zu verbinden.
Die wichtigsten Stahlgruppen im Überblick:
| Stahlgruppe | Typische Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|
| Baustähle | wirtschaftlich, gut verarbeitbar | Bauwesen, Maschinenbau |
| Edelstähle | korrosionsbeständig | Chemie, Lebensmitteltechnik |
| Werkzeugstähle | sehr hart und verschleißfest | Werkzeuge, Formenbau |
| Hochfeste Stähle | hohe Festigkeit | Fahrzeuge, Krane |
| Höchstfeste Stähle | maximale Festigkeit | Karosserien, Batteriegehäuse |
Für den Leichtbau besonders interessant sind Advanced High Strength Steels (AHSS). Dazu zählen unter anderem:
- Dualphasenstähle (DP): Sie bestehen typischerweise aus einer ferritischen Matrix mit martensitischen Anteilen und verbinden dadurch gute Umformbarkeit mit hoher Festigkeit.
- TRIP-Stähle: Diese Stähle enthalten Restaustenit, der sich unter Belastung teilweise in Martensit umwandelt und so Festigkeit und Energieaufnahme verbessert.
- Komplexphasenstähle (CP): Ihr fein abgestimmtes Mehrphasengefüge sorgt für eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Kantenrissunempfindlichkeit.
- Martensitische Stähle: Sie besitzen ein überwiegend martensitisches Gefüge und erreichen dadurch besonders hohe Festigkeiten, allerdings bei geringerer Umformbarkeit.
Die große Auswahl an Stahlsorten bietet in der Konstruktion und Bauteilentwicklung viele Freiheitsgrade. Gleichzeitig erschwert sie die Werkstoffauswahl. Unterschiede in Festigkeit, Umformbarkeit, Schweißbarkeit oder Korrosionsbeständigkeit müssen bereits in einer frühen Entwicklungsphase berücksichtigt werden.
Wie wird Stahl für Leichtbau-Anwendungen verarbeitet?
Die Verarbeitung moderner Leichtbaustähle stellt Hersteller vor besondere Herausforderungen. Mit steigender Festigkeit sinkt im Allgemeinen die Umformbarkeit des Materials. Wie bei vielen allgemeingültigen Annahmen lohnt es sich jedoch im Einzelfall genauer hinzusehen. So erlauben optimierte Kaltumformverfahren, moderne Legierungskonzepte oder als Alternative die Warmumformung häufig dennoch eine Umformung hochfester Leichtbaustähle.
Umformen dünnwandiger Bauteile
Viele Leichtbaukomponenten werden durch Tiefziehen, Profilieren oder Rollformen hergestellt. Diese Verfahren ermöglichen dünnwandige Strukturen mit hoher Maßgenauigkeit.
Presshärten
Eine Schlüsseltechnologie des automobilen Stahlleichtbaus ist das Presshärten. Dabei wird ein Stahlblech zunächst auf etwa 900 °C erhitzt, anschließend umgeformt und im Werkzeug abgeschreckt. Durch diesen Prozess entsteht ein martensitisches Gefüge mit sehr hoher Festigkeit. Das Verfahren wird vor allem für crashrelevante Bauteile wie B-Säulen, Schweller oder Querträger eingesetzt.
Forschungsarbeiten beschäftigen sich zudem mit speziellen Schutzschichten, die die Lebensdauer pressgehärteter Bauteile weiter erhöhen sollen.
Umform-Schutzschichten verlängern Lebensdauer hochfester Stähle
Schweißen und Umformen in einem Schritt
Neue Fertigungsverfahren kombinieren heute mehrere Prozessschritte. So arbeiten Forschende daran, hochfeste Strukturbauteile durch die Kombination der Verfahrensschritte „Umformen“ und „Verschweißen“ herzustellen. Ziel ist es, Produktionszeiten zu verkürzen und Leichtbaustrukturen wirtschaftlicher herzustellen.
Additive Fertigung
Auch additive Fertigungsverfahren gewinnen für Stahl zunehmend an Bedeutung. Insbesondere das Laser-Pulverbettverfahren und das Laserauftragsschweißen ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien, die mit konventionellen Verfahren kaum realisierbar wären. Noch beschränken hohe Kosten und lange Produktionszeiten für komplexe oder größere Bauteile die Technologie meist auf Kleinserien, Spezialanwendungen oder den Werkzeugbau. Mit sinkenden Kosten könnte die additive Fertigung künftig jedoch eine größere Rolle im Stahlleichtbau spielen.
Wo wird Stahl im Leichtbau eingesetzt?
Zu den wichtigsten Einsatzbereichen moderner Leichtbaustähle zählen insbesondere der Automobil- und Nutzfahrzeugbau; daneben spielen ausgewählte Anwendungen im Bauwesen und in der Energietechnik eine Rolle.
Stahl im Automobilbau
Moderne Fahrzeugkarosserien bestehen zu einem erheblichen Teil aus einer Kombination unterschiedlicher Stahlgüten. Hochfeste und höchstfeste Stähle ermöglichen leichtere Karosserie- und Fahrwerksstrukturen bei gleichzeitig hoher Crashsicherheit.
Stahl in der Elektromobilität
Auch Batteriegehäuse werden aus höchstfesten Stählen gefertigt. Sie bieten eine hohe Crashsicherheit, gute Recyclingfähigkeit und wirtschaftliche Fertigungsmöglichkeiten. Allerdings sind Stahlgehäuse für die Batterie aufgrund ihrer höheren Dichte nicht in jedem Fahrzeugkonzept die erste Wahl. Gerade Premiumfahrzeuge setzen häufig auf Aluminium- oder Hybridkonzepte.
Stahl im Nutzfahrzeugbau
(Quelle: Kögel Trailer)
Im Nutzfahrzeugbau ermöglichen hochfeste Stähle leichtere Fahrgestelle und Auflieger. Beim Leichtbau-Auflieger „Lightplus Rail“ konnte das Eigengewicht reduziert werden, wodurch die Nutzlast steigt und die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
Bahnverladbarer Leichtbau-Auflieger bis zu einer Tonne mehr Nutzlast
Stahl in der Windenergie
Auch die Windenergiebranche arbeitet an Konzepten für den Einsatz CO₂-reduzierter Stahlgüten. Ziel ist es, die Umweltbilanz von Windkraftanlagen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg zu verbessern.
Stahl und Nachhaltigkeit
Die Herstellung von Primärstahl zählt zu den energieintensiven Industrieprozessen. Gleichzeitig lässt sich Stahl nahezu unbegrenzt recyceln, ohne seine grundlegenden Eigenschaften zu verlieren.
Die Recyclingquote liegt in vielen Anwendungen bei deutlich über 80 Prozent. Bereits heute stammt ein erheblicher Anteil der Stahlproduktion aus Schrott.
Deshalb gehört Stahl zu den wenigen Werkstoffen mit einer weitgehend etablierten Kreislaufwirtschaft mit funktionierenden Stoffkreisläufen. Projekte aus der Automobil- und Stahlindustrie untersuchen derzeit, wie hochwertige Fahrzeugstähle aus Altschrotten wieder zu hochwertigen Stahlgüten verarbeitet werden können.
Gleichzeitig zählt die Primärstahlproduktion weltweit zu den größten industriellen Quellen von CO₂-Emissionen. Die Branche arbeitet deshalb intensiv an alternativen Herstellungsverfahren.
Im Fokus stehen vor allem wasserstoffbasierte Direktreduktionsverfahren, bei denen Eisenerz ohne den Einsatz von Koks reduziert wird. Diese Technologien gelten als wichtiger Baustein für die Herstellung von sogenanntem „grünem Stahl“.
Ob sich diese Verfahren langfristig durchsetzen werden, hängt jedoch auch von Energiepreisen, regulatorischen Rahmenbedingungen und der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ab.
Zusammenfassung
Stahl gilt noch immer als gewichtiger Werkstoff und scheint damit auf den ersten Blick nicht zum Leichtbau zu passen. Moderne hoch- und höchstfeste Stahlgüten zeigen jedoch, dass Leichtbau auch auf Stahl setzen kann. Und dass das Reduzieren von Eigengewicht über die Frage nach dem leichtesten Material weit hinausgeht.
Eine hohe Festigkeit, die hohe Steifigkeit und die gute Energieaufnahme machen Stahl zu einem der wichtigsten Werkstoffe des modernen Leichtbaus. Gleichzeitig ermöglichen etablierte Fertigungsprozesse, hohe Recyclingquoten und neue Konzepte für CO₂-reduzierte Stahlherstellung eine kontinuierliche Weiterentwicklung.
Dennoch wird Stahl nicht alle Anwendungen dominieren. Je nach Anforderung konkurriert er mit Aluminium, Magnesium, Titan oder Faserverbundwerkstoffen – zuweilen sogar mit Holz. Die Zukunft des Leichtbaus liegt daher weniger in einzelnen Werkstoffen als vielmehr in der intelligenten Kombination ihrer jeweiligen Stärken und ihrem zielgerichteten Einsatz.
In den folgenden Beiträgen werden wir uns einzelne Stahlgruppen, ihre Verarbeitung sowie die Themen Recycling, CO₂-Footprint und grüner Stahl genauer ansehen.
Bild oben: Aufmacherbild KI-generiert (Quelle: Leichtbauwelt)
Quellen / Weiterführende Infos:
- World Steel Association
- World Auto Steel
- American Iron and Steel Institute (AISI) – Automotive
- Arcelor Mittal Automotive
- thyssenkrupp Steel
- SSAB
- Blech online
- Materialmagazin
- Senodis
- Beitrag wurde mit KI-Unterstützung erstellt – Sollten Sie Fehler finden, bitte ich um Nachricht an redaktion@Leichtbauwelt.de.
Autor: Christine Koblmiller, Redakteurin, Gründerin, Fachjournalistin aus Leidenschaft und überzeugter Leichtbau-Fan.
Mit dem Metamagazin Leichtbauwelt.de habe ich 2018 ein neues Medienformat im B2B-Umfeld geschaffen. Leichtbauwelt ist Inspiration für Ihren Fortschritt und Wissen, wie’s leicht wird. Leichtbauwelt verlinkt, vernetzt und ordnet ein, verlagsunabhängig und transparent. Partei ergreife ich nur für den Leichtbau, von dessen Nutzen ich überzeugt bin.
Seit etwa 25 Jahren bin ich Redakteurin für technische B2B-Fachzeitschriften. Für verschiedene führende Fachmagazine habe ich als eBusiness-Projektmanager Industrie schon 2001 crossmediale Angebote eingeführt, denn die Digitalisierung aller Lebensbereiche hat Einfluss auf unser Informationsverhalten. Deshalb bin ich mir sicher, dass sich die Medienbranche wandeln muss. Mehr über mich finden Sie unter Conkomm, auf Xing oder LinkedIn.