Forschende aus Industrie und Wissenschaft aus vier Ländern untersuchen im Projekt Hydro-QP, wie Wasserstoff und Verunreinigungen aus dem Recycling die Leistungsfähigkeit moderner hochfester Stähle beeinflussen.
Wie die Beteiligten erklären, steht die Stahlindustrie steht vor einer doppelten Herausforderung: Um ihre CO?-Emissionen zu senken, muss sie den Einsatz von recyceltem Stahl deutlich ausweiten. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an moderne Werkstoffe. Hochfeste Stähle für Fahrzeugkarosserien etwa müssen leicht verformbar, belastbar und im Einsatz zuverlässig sein. Mit dem Recycling gelangen jedoch auch unerwünschte Elemente wie Zinn oder Kupfer als Verunreinigungen in den Werkstoff. Wie weiter erläutert wird, ist über ihren Einfluss auf Stähle für besonders anspruchsvolle Anwendungen bislang wenig bekannt.
Quench-and-Partitioning-Stähle im Mittelpunkt
Zu diesen Anwendungen gehören insbesondere sogenannte Quench-and-Partitioning-Stähle, die im Mittelpunkt des Projekts stehen. Sie zählen zu den modernsten hochfesten Stählen und werden zunehmend für sicherheitsrelevante Fahrzeugbauteile eingesetzt. Wie beschrieben wird, ermöglichen diese durch ihre hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit leichtere Fahrzeugstrukturen und leisten damit einen Beitrag zur Energie- und Ressourceneffizienz. Gleichzeitig reagieren diese Werkstoffe empfindlich auf Wasserstoff, der während der Herstellung oder später im Betrieb in den Stahl eindringen kann. Den Projektbeteiligten zufolge, können bereits geringe Mengen die Bildung von Rissen begünstigen und die Lebensdauer von Bauteilen beeinträchtigen.
„Wenn wir künftig mehr Recyclingstahl einsetzen wollen, müssen wir verstehen, wie sich Wasserstoff und Verunreinigungen aus dem Recycling auf moderne Hochleistungsstähle auswirken. Digitale Methoden und KI helfen uns dabei, diese komplexen Zusammenhänge schneller und präziser zu entschlüsseln“, sagt Projektkoordinator Tilmann Hickel von der BAM.
Ein besonderen Schwerpunkt legen die Forschenden auf die digitalen Materialforschung. Dazu werden in dem Projekt experimentelle Werkstoffforschung, datengetriebene Simulationsverfahren und Methoden des Maschinellen Lernens miteinander verknüpft.
Verformungsverhalten analysieren
Die Beteiligten wollen gezielt Modellstähle mit unterschiedlichen Gehalten an recyclingbedingten Elementen herstellen und deren Verformungsverhalten unter Wasserstoffeinfluss analysieren. Zum Einsatz kommen dabei hochauflösende Mikroskopieverfahren, Röntgenanalysen und mechanische Belastungstests. Ergänzt werden die Untersuchungen durch Multiskalensimulationen, die Einblicke bis auf die atomare Ebene ermöglichen. Die gewonnenen Daten fließen in digitale Modelle ein, die künftig die Entwicklung neuer Werkstoffe beschleunigen und mit denen sich Materialeigenschaften besser vorhersagen lassen sollen.
Die BAM bringt ihre Expertise in der Materialinformatik und im Materialdesign, der datengetriebenen Werkstoffentwicklung, Materialsimulationen sowie der Analyse von Degradationsmechanismen ein. Darüber hinaus ist das Wasserstoff-Kompetenzzentrum H2Safety@BAM in das Projekt eingebunden.
Die Ergebnisse können dazu beitragen, den Anteil von Recyclingmaterial in hochwertigen Stahlanwendungen zu erhöhen. Gleichzeitig schaffen sie die wissenschaftlichen Grundlagen für neue, widerstandsfähigere Stähle sowie digitale Werkzeuge zur Vorhersage ihrer Eigenschaften. Europäische Stahlunternehmen könnten dadurch künftig nachhaltiger produzieren und ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken, erläutern die Forschenden.
An dem von der BAM koordinierten Projekt sind die Unternehmen Thyssenkrupp Steel Europe, Voestalpine Stahl und ArcelorMittal Maizières Research sowie das Materials Center Leoben, die Universität Gent und das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien in Bremen beteiligt. Das Projekt läuft bis Februar 2030, wird im Rahmen des Forschungsfonds für Kohle und Stahl (RFCS) der Europäischen Union durchgeführt und mit 1,8Mio.€ gefördert.
