Zinkbeschichtungen sind unerlässlich, um Stähle vor Korrosion zu schützen. Dabei werden Stahlkomponenten in ein Bad aus geschmolzenem Zink bei Temperaturen von etwa 450 °C getaucht. Das Zink reagiert mit der Oberfläche des Stahls und bildet eine robuste Zinkschicht auf der Oberfläche, die ausgezeichneten Korrosionsschutz bietet und die Lebensdauer des Stahls verlängert. Doch beim Schweißen der einzelnen Verbindungsstücke kann die Zinkbeschichtung zu Mikrorissen an den Stahlteilen führen (Flüssigmetallversprödung bzw. Liquid-Metal Embrittlement, LME). „LME ist ein seit Jahrzehnten bekanntes Problem, das auch bei verzinkten Stählen auftritt“, so Robert Maaß von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Das ist gerade in der Automobilindustrie eine Herausforderung, wo Fahrzeugkarosserien bis zu 5.000 Punktschweißnähte aufweisen, und die Integrität der verwendeten Materialien wichtig ist, um Sicherheitsrisiken zu minimieren.
Flüssigmetallversprödung besser verstehen
Um präzisere Vorhersagen zur Rissanfälligkeit zu treffen und präventive Maßnahmen ergreifen zu können, ist ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Flüssigmetallversprödung entscheidend. Neue Methoden zur Materialcharakterisierung und Simulationstechniken können dazu beitragen, die Ursachen zu identifizieren und Lösungsansätze zu entwickeln. Forscher der BAM haben sich daher auf die Untersuchung der frühen Stadien der Flüssigmetallversprödung konzentriert. Hierbei lag der Fokus auf der Struktur, Thermodynamik und Atomistik an den Grenz- und Oberflächen des Stahls. Sie haben einen Ansatz entwickelt, der elektronenmikroskopische Untersuchungsmethoden mit computergestützten Simulationsmodellen wie der sogenannten dichtebasierten Phasenfeldtechnik, die an der BAM entwickelt wird, kombiniert, um Defekte zu erklären. Mit Hilfe dieser Herangehensweise hat das Forscherteam entdeckt, dass an den Schnittstellen zwischen den Körnern des Stahls intermetallische Phasen gebildet werden, bevor Mikrorisse auftreten. Diese Phasen entstehen, wenn sich Zink an den Kornrändern anreichert. Dadurch wird der Stahl erheblich geschwächt. Mit dieser Erkenntnis werden nun Ansätze verfolgt, in denen die Zinkanreicherung und Phasenbildung kontrolliert werden, um damit die Flüssigmetallversprödung zu verhindern.
Auf dem Weg zu LME-resistenten Hochleistungsstählen
„Unsere Erkenntnisse ermöglichen es, LME-resistente, fortschrittliche Hochleistungsstähle zu entwickeln, die langlebiger und ressourceneffizienter sind“, resümiert das Team um Robert Maaß, Reza Darvishi Kamachali und Tilmann Hickel. „So leistet unsere Forschung einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen und energieeffizienten Automobilproduktion.“ Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit den Partnern Arcelor Mittal Global Research, General Motors, dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung und dem Department of Materials Science and Engineering der University of Illinois durchgeführt, und kürzlich von dem American Iron and Steel Institute (AISI) mit einem Preis gewürdigt.
