-2,36%Nichtrostender Stahl: eine vielseitige Werkstofffamilie für batterieelektrische Fahrzeuge
Die Prioritäten bei der Konstruktion von Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge umfassen Crashfestigkeit, Brandschutz und zunehmend auch Recyclingfähigkeit, wie sie die kommenden EU-Vorschriften vorschreiben. Nichtrostender Stahl bietet in diesem Bereich ein erhebliches unausgeschöpftes Potenzial. Aperam hat Prototypen entwickelt, um die bestehenden Möglichkeiten aufzuzeigen.
Zu den Anwendungen gehören Zellgehäuse, Modulgehäuse, obere Abdeckungen sowie sicherheitskritische Bestandteile der Fahrzeugstruktur. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von nichtrostenden Stählen machen sie für solche Anwendungen besonders geeignet. Nichtrostende Stähle umfassen mehrere Familien mit jeweils spezifischer Gefügestruktur und entsprechenden Eigenschaften. Drei sind für Anwendungen im Automobilbau besonders relevant:
- austenitische Sorten: hauptsächlich nickellegiert, hoch korrosionsbeständig, mit ausgezeichneten Umform- und Schweißeigenschaften,
- ferritische Sorten: typischerweise nicht-nickellegiert, kostengünstiger, bekannt für hohe Hochtemperaturbeständigkeit und gute Tiefziehfähigkeit,
- Duplexsorten: Kombination von austenitischem und ferritischem Gefüge, von hoher Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit bei moderaten Kosten.
Brandschutz und thermische Isolation
In der Luftfahrttechnik dient nichtrostender Stahl bereits seit langem dafür, Brandherde einzuhausen. Dort kommt er für Gehäuse von Lithium-Ionen-Batterien zur Anwendung. Seine Hochtemperaturfestigkeit verlängert bei thermischen Zwischenfällen die verfügbare Interventionszeit erheblich. Nichtrostender Stahl hat einen Schmelzpunkt von über 1.500 °C, während Leichtmetalle sich bei etwa 660 °C verflüssigen. Zudem behält nichtrostender Stahl bei 800 °C noch 70 % seiner ursprünglichen Festigkeit, während Baustähle bei derselben Temperatur nur noch 15 % aufweisen.
Ein weiterer kritischer Faktor ist die Wärmeleitfähigkeit. Austenitische Sorten haben von allen nichtrostenden Stählen die niedrigste Wärmeleitfähigkeit. Gehäuse aus diesem Werkstoff minimieren äußere Temperatureinflüsse auf die Batterie und verringern so den Energiebedarf des Fahrzeugs für das Temperaturmanagement.
Festigkeit kombiniert mit Umformbarkeit
Nichtrostende Stähle können an spezifische mechanische Anforderungen angepasst werden. Im geglühten Zustand ist austenitischer nichtrostender Stahl besonders duktil. Standardsorten wie 304 (EN 1.4301) und 316L (EN 1.4404) erreichen Bruchdehnungswerte von über 50 %. Ihre hohen Grenzziehverhältnisse (LDR), die oft über 2,15 betragen, belegen ihre herausragende Umformbarkeit und damit ihre besondere Eignung für Tiefziehteile.
Kaltverfestigung für mehr Sicherheit bei weniger Gewicht
Austenitische nichtrostende Stähle verfestigen sich, wenn sie gedehnt werden, und absorbieren Verformungsenergie. Ebenso steigern sie ihre Festigkeit bei Umformprozessen wie Walzprofilieren oder Tiefziehen. Diese Eigenschaft ermöglicht geringere Wanddicken und leichtere Konstruktionen ohne Verlust an Tragfähigkeit. Der Werkstoff ist in verschiedenen kaltverfestigten Zuständen erhältlich. Selbst in vollhartem Zustand mit Zugfestigkeiten um 1.000 MPa bleibt er für den Automobilbau ausreichend gut umformbar und ermöglicht Gewichts- und Kosteneinsparungen.
In Zusammenarbeit mit Ricardo entwickelte Prototypen haben gezeigt, dass Batteriegehäuse aus nichtrostendem Stahl als integrale Bestandteile der Fahrzeugstruktur dienen können. Sie bestanden Seitenaufprall-Pfahltests ebenso wie Unterboden-Durchdringungsprüfungen. Aperam bietet nichtrostende Bleche und Bänder in Breiten bis zu zwei Metern an. In Kombination mit deren hoher Umformbarkeit ermöglichen es diese Abmessungen, große und komplexer Bauteile mit vereinfachten Fertigungsprozessen herzustellen. Alle in der Automobilindustrie gängigen Fügetechniken sind mit nichtrostendem Stahl kompatibel. Das gilt auch für geschraubte Verbindungen, welche die Reparaturtauglichkeit von Batteriepaketen verbessern. Für metallische Mischverbindungen stehen geeignete Techniken zur Verfügung, die galvanische Korrosion verhindern. Mischbauweisen mit Polymer- und Verbundwerkstoffen sind ebenfalls möglich.
Kompatibilität und Korrosionsbeständigkeit
Von Natur aus durch und durch korrosionsbeständig, erfordert nichtrostender Stahl keine zusätzlichen Schutzbeschichtungen. Das vereinfacht die Logistik und vermeidet Risiken an Schnittkanten und in stark verformten Bereichen. Auslagerungsversuche unter hoch beanspruchenden Bedingungen, etwa an Lkw montierte Proben, zeigten nach zwei Jahren keine Korrosionsschäden. Nichtrostender Stahl ist auch mit den in Fahrzeugbatterien eingesetzten chemischen Substanzen verträglich und beständig gegen dielektrische Flüssigkeiten. Der Bereich F&E von Aperam unterstützt OEMs bei der Auswahl geeigneter Sorten.
Obwohl nichtrostender Stahl pro Tonne höherpreisig ist als manche anderen Metallwerkstoffe, zeigt ein systemischer Ansatz, dass er aufgrund seiner überlegenen technischen Leistung oft die vorteilhaftesten Gesamtkosten (TCOE) aufweist. Um die Wettbewerbsfähigkeit von nichtrostendem Stahl zu erhöhen, hat Aperam den Werkstoff 316A (EN 1.4682) entwickelt – eine kostenoptimierte Variante der Sorte 316L (EN 1.4404). Die Synergie zwischen Silizium und anderen Legierungselementen in der Passivschicht ermöglicht es, den Molybdängehalt des Stahls 316A gegenüber der Vergleichssorte 316L zu reduzieren, dabei jedoch dessen Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitungseigenschaften zu erhalten.
Anwendungspotenzial für ferritische und Duplexsorten
Ferritische, nicht-nickellegierte Sorten stellen eine besonders wirtschaftliche Option dar. Sie weisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als austenitische nichtrostende Stähle auf, wodurch sie für Kühlsysteme von Batterieeinheiten geeignet sind. Sie zeigen zudem eine überlegene Hochtemperaturbeständigkeit in Szenarien wie dem thermischen Durchgehen. Duplexsorten kombinieren außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit mit deutlich höherer Festigkeit als austenitische oder ferritische Alternativen. Aperam liefert nichtrostenden Duplexstahl in Dicken bis hinunter zu 0,5 mm, etwa für Batteriegehäusedeckel.
Kohlenstoffarm und Made in Europe
Aperam stellt die nichtrostenden Stähle für den EU-Markt in Frankreich und Belgien in Elektrostahlöfen mit bis zu 98 % Recyclinganteil (Aperam infinite™-Reihe) her. Räumliche Nähe zu den Automobilkunden ermöglicht kurze Lieferzeiten und flexible Lieferung. Darüber hinaus vereinfachen die Servicezentren von Aperam in ganz Europa die Logistik und sichern Reaktionsschnelligkeit und Versorgungssicherheit.
Über die Recyclingtochter ELG sammelt Aperam Produktionsabfälle von Kunden und führt sie der Wiederverwertung in den eigenen Schmelzbetrieben zu. Von der mechanischen Leistung über die Brandsicherheit bis hin zur Korrosionsbeständigkeit und Recyclingfähigkeit bietet nichtrostender Stahl eine technisch und wirtschaftlich effiziente Lösung für EV-Batteriegehäuse – und unterstützt damit die Automobilindustrie bei Konstruktions-, Fertigungs- und Nachhaltigkeitsherausforderungen.
