Das Zink ist schuld: Wenn Stahl beim Schweißen bröselt

Mit den Worten „Risse in Stahlteilen“ könnte eine Meldung über ein schlimmes Unglück beginnen. Tatsächlich plagt die Materialwissenschaft seit Jahren das Problem von Mikrorissen, die sich gern in verzinkten Stahlteilen bilden. Weil die Stellen dadurch spröde werden, kann das Bauteil katastrophal brechen.

Diese „Flüssigmetallversprödung“ entsteht, wenn zwei verzinkte Teile miteinander verschweißt werden, was sich im Automobilbau nicht gänzlich vermeiden lässt. Dies zu verhindern, ist eine nicht zu unterschätzende Herausforderung: An einer Autokarosserie gibt es bis zu 5000 Schweißpunkte. Doch für den Ursprung der Risse gab es bislang keine schlüssige Erklärung und damit auch kein gutes Gegenmittel.

Wie ein Forschungsteam von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin nun herausfand, sind dafür Vorgänge an der Oberfläche des Stahls verantwortlich. Demnach kriecht das Zink aus der Beschichtung in den ersten Millisekunden des Schweißens zwischen die Kristallkörner des Stahls, und zwar „bei unerwartet niedrigen Temperaturen“, wie die Autoren im Fachblatt „Acta Materialia“ schreiben.

An den Rändern des Korns reichert sich das weiche Metall an und es bilden sich Bereiche, von denen aus sich die Mikrorisse ausbreiten können. Dieser Vorgang schwäche den Werkstoff ganz erheblich, schreibt das Team.

Die Simulation löste das Rätsel

Für ihren Versuch schweißten die Forschenden verzinkte Stahlteile zusammen, schnitten die Nahtstellen auf und polierten sie, um sich die Oberflächen unter dem Elektronenmikroskop anzusehen. Dabei fanden sie Materialdefekte auf der Nanometer-Skala.

Mit Computersimulationen und thermodynamischen Berechnungen konnten sie deren Entstehung schließlich erklären. Für die Studie kooperierte die Bundesanstalt mit dem Stahlhersteller ArcelorMittal und dem Autobauer General Motors.

Stähle sind Eisen-Legierungen, denen neben Kohlenstoff zum Beispiel auch Mangan, Silizium oder Molybdän zugesetzt sind. So bilden sich komplexe Kristalle, die das Material extrem leistungsfähig machen können.

Trotzdem rostet auch moderner Stahl, weshalb die Teile in ein Bad aus geschmolzenem Zink bei Temperaturen von 450 Grad getaucht werden. Die Zinkschicht schützt die Oberfläche vor Zersetzung durch die Elemente.

Manche Autobauer setzen statt auf Stahl auf Aluminium für die Karosserie, was keine separate Schutzschicht benötigt. Zum Beispiel nutzt Tesla in Grünheide für das Leichtmetall eine riesige Spritzgussanlage, die ein komplettes Autoheck am Stück produziert.

Längst nicht immer ist es möglich, alles aus einem Guss herzustellen: Schweißnähte sind immer eine Schwachstelle. Daher entwickelt die Bundesanstalt Schweißzusätze, die die Nähte von Hochleistungsstahl stärken sollen, etwa bei großen Windkraftanlagen.