Smart Steel: Stahl mit neuer nachhaltiger DNA

In der metallurgischen Forschung geht es jetzt neben der CO2-Freiheit zunehmend darum, auch den Erfordernissen der Kreislaufwirtschaft gerecht zu werden und gleichzeitig keine Abstriche bei der Qualität machen zu müssen. Im Mittelpunkt der Forschung stehen hierbei nun verstärkt die metallischen Ewigkeitseigenschaften wie endlose Recyclingfähigkeit und unendliche Lebensdauer. Erste und zugleich wichtigste Erkenntnis der Forschungsbemühungen: Die Dekarbonisierung und das Primat der Zirkularität werden die DNA von Stahl nachhaltig verändern.

Die grüne Transformation und die damit einhergehende Dekarbonisierung der Stahlindustrie läuten nichts Geringeres als einen technologischen Paradigmenwechsel ein: Die traditionelle Koks-Kohle-Verhüttung wird von der wasserstoffbasierten Direktreduktion mit regenerativem Strom abgelöst. Im Gefolge dieser industriehistorischen Zäsur wird auch der Circular Economy nun der Weg bereitet. Denn in den Elektrolichtbogenöfen kommen neben direktreduziertem Eisen in erster Linie Schrotte als Rohstoff zum Einsatz. Um die bislang gewohnt hohen Stahlqualitäten zu gewährleisten, sind jetzt smarte Stähle mit ganz neuen nachhaltigen und zirkulären Eigenschaften gefragt.

„Stahl ist ein Rohstoff mit unendlicher Recyclingfähigkeit“ betont Prof. Ulrich Krupp, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde an der RWTH Aachen und einer der Vordenker der neuen zirkulären Denke. Per se sei Stahl ein nachhaltiges Produkt, wirklich smart sei es jedoch erst, wenn möglichst jede Stelle der Prozesskette nachhaltig gestaltet werden würde.

Kurzer Blick auf das diesbezügliche Gestaltungs-Szenario: Aktuell werden bereits rund 127 Mio. t Stahl, der weltweit jährlich rund 1,9 Milliarden Tonnen (2022) auf der Direktreduktions-Route hergestellt. Das ist zwar eine erfreulich grüne Entwicklung, bringt aber auch völlig neue Herausforderungen mit sich: Direktreduzierter Stahl muss den bewährten Qualitätsstandards von Hochofen-Stahl genügen.

Haupt-Qualitätsproblem ist hierbei die Schlackenmetallurgie. Da diese fehlt, müssen Phosphor- und Stickstoffanteile auf andere Weise im Elektrolichtbogenofen gering gehalten werden. Eine Möglichkeit wäre durch Zuführung von Kohlenstoff die gewünschte Roheisenqualität zu erlangen. Dekarbonisierung heißt aber: ohne Kohle. Die Verbesserung der Eigenschaften im zweiten Schritt etwa mit wärmebehandelnden- und mechanischen Verformungsprozessen scheint folglich deutlich zielführender.

Viele Stähle werden einer mehrfachen Wärmebehandlung unterzogen, um sie z.B. erneut auseinanderzuziehen und zu walzen. An der RWTH Aachen etwa wird derzeit an lufthärtend duktilen Stählen (LHD-Stählen) geforscht. Das bedeutet den Stahl direkt aus der Schmiedehitze abkühlen zu lassen. Durch das Luftabkühlen bildet sich Martensit und kleine Karbide werden ausgeschieden. Das Endprodukt ist ein hochfester Stahl mit deutlich geringeren Emissionswerten. Für hochfeste Stähle besteht immer großer Bedarf, die Automobilindustrie benötigt sie beispielsweise, um Fahrgastzellen und neuerdings auch Batterieeinfassungen für E-Autos möglichst crashsicher zu machen.

Viele Automobilhersteller haben deshalb zwischenzeitlich Abkommen mit ihren Stahlherstellern über eine Rücklieferung ihres Schrotts geschlossen. In den Werken wird in wachsendem Maße, sowohl auf konventioneller Route als auch im Elektrolichtbogenofen, Stahlschrott miteingeschmolzen. Der CO2-Fußabdruck pro Tonne Stahl lässt sich so erheblich reduzieren, teilweise um 80-90 Prozent.

Guter und schlechter Schrott

Das Hauptproblem bei Schrott ist seine Trennung, denn aufgrund der Zusammensetzung sind nicht alle Schrotte optimal wiederverwertbar. Aber auch hier ist bereits nachhaltige Besserung in Sicht: Neue Systeme mit Künstlicher Intelligenz und Hochleistungssensorik ausgestatt, helfen beim Sortieren z.B. in Bezug auf Legierungen.

Legierungen vielfältigster Art, die im Schrott zusammenkommen, sind in diesem Zusammenhang eine weitere Hürde auf dem Weg zu hundertprozentiger Zirkularität von Stahl. Stoffe wie Kupfer und Zinn lassen sich nur schwer bis gar nicht aus der Schmelze entfernen.

Beim Recycling eines Autos z.B. kommen mangels Sortierbarkeit kleine Motorelemente sowie Kupferkabel und hybride Werkstoffverbindungen „alle in einen Topf“ und werden eingeschmolzen. Problematisch daran ist, dass Stahl durch Kupfer weniger dehnungsfähig gemacht wird. Sein Anteil in der Schmelze darf nicht über 1 % liegen. Wird immer wieder Stahlschrott mit Kupferverunreinigungen mitgeschmolzen erhöht sich der Kupferanteil auf lange Sicht folglich immer weiter. Stahl ist zwar prinzipiell unendlich recycelbar, müsste dann aber entweder in der Schmelze mit verunreinigungsarmem Schrott oder sogar Primäreisen verdünnt werden – da sinkt der Nachhaltigkeitsfaktor dann wieder unweigerlich.

Dazu kommt: Wenn Zinn aus Weißblech ebenfalls mit eingeschmolzen wird, ist unbekannt, welche Wechselwirkung dieses mit dem Kupfer auf den Stahl hat. „Hier bewegen wir uns derzeit noch auf Terra incognita“, veranschaulicht Prof. Ulrich Krupp den derzeitigen Forschungsstand.

Krupp schlägt deshalb vor: „Wir sollten künftig hier eher schlank denken, es also möglichst bei Eisen, Kohlenstoff, Mangan und Chrom belassen und dann versuchen über thermomechanische Behandlungsstrategien die erforderliche Differenzierung in den Qualitäten hinzubekommen.“

Dies würde die Zirkularität von Stahl maßgeblich vereinfachen und aufwändiges Sortieren erheblich mindern.

Lang lebe der Stahl

Auch bei der Lebensdauer beschäftigt sich die Forschung aktuell mit neuen Stahlzusammensetzungen und, wie bereits erwähnt, neuen Verfahren in der Härterei, die zum Beispiel mehr Korrosionsbeständigkeit bringen sollen.

Speziell in der additiven Fertigung läuft die Forschung in Bezug auf die optimale Rezeptur von Metallpulvern derzeit heiß, um Stahl härter, und langlebiger zu machen und permanent aufbereiten zu können. Mithilfe von Schweißrobotern können ermüdete Teile schon jetzt quasi endlos erneuert werden.

Zudem laufen intensive Forschungen in puncto Schadenstoleranz von Stahl. Die nach gewisser Zeit entstehenden mikroskopisch kleinen Risse könnte der Werkstoff selbst eindämmen. Die Phasenumwandlung an der Rissspitze würde lokal zur Erhöhung des spezifischen Volumens führen. Dadurch wird der Riss zusammengedrückt und wächst nicht weiter.

Eine weitere Methode, um Stahl neues, letztlich sogar immerwährendes Leben zu schenken, ist das Kalthärten. Denn bei kalter Umformung, erhöht sich die Festigkeit. An ermüdeten Stellen, bspw. einem mikrostrukturellen Defekt eines Einschlusses, könnte man also kalt umformen und den Stahl so an dieser Stelle fester machen. Danach ist er für weitere Beanspruchungen wieder einsetzbar.

Geforscht wird an der RWTH überdies an der Idee eines „Stahlgedächtnisses“. Die Aachener Wissenschaftler simulieren mit Resonanz- und Ultraschallpulsatoren, die Stahlproben unter Frequenzen von bis zu 20.000 Hz testen, an nur einem Tag eine Beanspruchung wie von 20 Jahren. Die 20.000 Hz entsprechen hierbei ungefähr der Schwingung eines Windkraftwerks. Am Verfahren lässt sich erkennen, wie die Schädigung stattfindet, ob die Selbstreparatur funktioniert und es gibt so Aufschluss über die Gedächtnisfähigkeit des jeweiligen Stahls.

Mit Stahlgedächtnis ist gemeint, dass die Phasenumwandlung, die anhand eines elektrischen oder mikromagnetischen Signals detektiert werden könnte, den Schädigungszustand widerspiegelt, z.B. dass der Stahl 80 % seiner Lebensdauer erreicht hätte.

Vor Erreichen des Endes des Produktlebenszyklus kann auf diese Weise dann durch eine weitere Walz- oder Oberflächenbehandlung die Materialermüdung umgekehrt werden, im besten Fall kann ein Stahlprodukt sogar 100 % seiner ursprünglichen Lebensdauer zurückerlangen.

Drei Eigenschaften zeichnen somit die neue DNA von Stahl aus: Sie macht ihn erstens CO2-arm, zweitens hochwertig-langlebig und drittens einfach recycelbar. Beim Erhalt einer gleichbleibenden Qualität hilft nun auch immer öfter KI mit. Der sogenannte digitale Schatten überwacht die thermomechanischen Prozesse wie etwa Walzen, Abkühlen und Wärmebehandlung und notiert, wie die benötigten Temperaturen und Kräfte voneinander abweichen. Daraus entsteht ein Abbild über die vorliegende Mikrostrukur des Materials, laut Prof. Krupp „quasi ein digitaler Schattenwurf der Materialeigenschaften.“

Nach einer Zeit hat die KI dann eine Unmenge an Daten gesammelt, die sie auf die Materialeigenschaften des Stahls beziehen kann. Die Verknüpfungen erfolgen anhand von maschinellem Lernen und PINN, „physikalisch-informierte neuronale Netzwerken“. Die große Hoffnung: Im nächsten Schritt können so künftig in der Sekundärmetallurgie Prozesse in Echtzeit an die ermittelten Werte angepasst werden und für eine gleichbleibende bestmögliche Qualität sorgen.