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E-Mobilität: Tata Steel präsentiert neue Anwendungen mit Stahl

Stahl erobert neue Einsatzgebiete
E-Mobility: Tata Steel präsentiert Lösungen

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen lässt Stahl verstärkt an Bedeutung gewinnen. Aus dieser Sicht heraus hat Tata Steel eine Reihe von Werkstofflösungen gezielt für den Automobilbau entwickelt. Neue Stähle reduzieren Gewichte, dienen dem Crash-Management, verbessern die Nachhaltigkeit von Elektromotoren und schützen die Batterie.

» Basjan Berkhout, Electrification Transition Manager bei Tata Steel Europe

Stahl spielt seit jeher eine wichtige Rolle im Automobilbau. In einem typischen Kleinwagen mit einem Leergewicht von etwa 1 t finden sich heute rund 600 kg Stahl – das sind also etwa 60 % des Gesamtgewichts –, jedoch nur 90 kg Aluminium und 10 kg Gusseisen. Aluminium hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seiner Leichtbaueigenschaften zunehmend an Bedeutung gewonnen. Spätestens mit der Wende hin zur Elektromobilität kommt Stahl aber wieder verstärkt ins Rennen – vor allem mit vernickelten Stählen für Batteriezellen, nicht kornorientierten Stählen für Elektromotoren oder hochfestem Stahl für Batteriekästen und Crash-Management-Komponenten.

Die besonderen Eigenschaften von Stahl lassen sich dabei nicht nur in der Karosserie oder im Fahrwerk des E-Mobils nutzen. Spezielle Stahlsorten tragen auch dazu bei, die Leistung, das Gewicht und die Kosten anderer Komponenten wie des Batteriesystems und des Elektromotors zu optimieren. Ein weiterer Vorteil von Stahl: Stahl ist der am meisten recycelte Werkstoff der Welt und kann zu einem Anteil von über 95 % fast unendlich wiederverwendet werden, ohne an Qualität einzubüßen. Recyceltes Aluminium ist hingegen nicht so ohne Weiteres für den Automobilbau wiedereinsetzbar. Nur wenn Aluminiumschrott in einem geschlossenen Kreislaufsystem recycelt wird, ist dies möglich.

Viele hochfeste Stähle sind hinzugekommen

Tata Steel Europe zählt sich zu den weltweit führenden Anbietern anspruchsvoller Spezialstähle für die Automobilindustrie und zeigt, dass das Entwicklungspotenzial dieses Werkstoffs – vor allem durch das angestrebte schnelle Wachstum der Elektromobilität – noch lange nicht ausgeschöpft ist. So hat das unter anderem in den Niederlanden, Großbritannien und Deutschland ansässige Unternehmen in den letzten Jahren mittels zahlreicher neuer Beschichtungs- und Bearbeitungsmethoden sein Portfolio um eine Vielzahl von hochfesten Stahlsorten erweitert, die eine Zugfestigkeit von bis zu 1.500 MPa aufweisen.

Zum Vergleich: Die Zugfestigkeit einer Standard-Stahlsorte bewegt sich zwischen 200 und 500 MPa. Hochfeste Stähle können das Gewicht des verwendeten Stahls gegenüber konventionellen Stahlsorten – wie hochfestem niedrig legiertem Stahl der Sorte HX340LAD – um bis zu 20 % reduzieren. Tata Steel liefert diese Art fortschrittlicher Stähle für Strukturbauteile unter anderem an einige deutsche Premium-OEM und für einen Elektrofahrzeughersteller.

Crash-Sicherheit durch Leichtbau

Eine der wichtigsten Anforderungen an batterieelektrische Fahrzeuge ist die maximale Gewichtsreduktion. Hier sind Leichtbauteile gefragt, die – insbesondere bei Crash-relevanten Strukturen zum Schutz der Insassen – hohe Festigkeiten aufweisen müssen. Tata Steel hat kalt- und warmgewalzte hoch- und ultrahochfeste Stähle (AHSS und UHSS) speziell für die Autoindustrie entwickelt, die leichte Crash-Strukturen für die Frontelemente und den Fahrgastraum von E-Fahrzeugen ermöglichen.

So liefert Tata Steel unter den Produktbezeichnungen XPF und HyperForm beschichtete Stähle für eine verbesserte Umformbarkeit beim Aufprall. Ihre Festigkeit liegt zwischen 800 und 1.000 MPa, und sie sind bis zu 2,4 mm dick, um eine kompakte Frontgestaltung zu ermöglichen. Frontaufprallschutz-Strukturen aus den Stahlgüten DP800 HyperForm sowie XPF800 und XPF1000 in Kombination mit einem sekundären Lastpfad verkürzen die Eindringtiefe im Falle eines Crashs. Gleichzeitig können sie höhere Lastspitzen absorbieren.

Im Vergleich zu marktüblichen kaltgewalzten DP800– oder DP1000-Stahlgüten verfügen sie über eine bessere Verformbarkeit. Da XPF warmgewalzt wird, bietet es die zusätzliche Möglichkeit, in höheren Materialstärken verwendet zu werden. Das kann dann nützlich sein, wenn der Fahrzeughersteller aufgrund des höheren Gewichts eines E-Autos dickere Strukturen zur besseren Energieabsorption benötigt.

Spezielle Anforderungen für den Batterieschutz

In puncto Batteriesicherheit besteht hoher Bedarf an geeigneten Materialien für sichere und effiziente, aber gleichzeitig leichte Seitenaufprallstrukturen. Hierzu wurden die warmgeformten Stahlgüten HQ1000HE-GI und HQ1900-UC entwickelt, die die Herstellung von kompakten, leichten und kostengünstigen Seitenaufprall-Strukturen ermöglichen. Mit Festigkeiten über 1.900 MPa werden zum Beispiel Querträger extrem steif, während die 1.000-MPa-Stähle eine Duktilität von 15 % aufweisen und eine sehr hohe Energieaufnahme im Falle eines Crashs ermöglichen.

Bei der Simulation des Seitenaufpralls eines Elektrofahrzeugs mit den neuen HQ-Stählen von Tata Steel im Vergleich zu herkömmlichen Materialien (wie einem üblichen DP1000) wurde der Bedarf besonders deutlich. Gefordert sind hohe Festigkeit und Steifigkeit in Kombination mit einem Energieabbau auf kurzem Weg. Bei der Verwendung herkömmlicher Materialien zeigte sich das Risiko einer Beschädigung der Batterie, was eine Gefahr für die Insassen darstellt.

Höhere Volumeneffizienz von Batterien

Die Effizienz von Batterien und damit ihre Reichweite gehören zu den maßgeblichen Schlüsselfaktoren für den Erfolg von E-Fahrzeugen. Hohe Energiedichte, Volumeneffizienz, Kosteneffektivität und Sicherheit sind wesentliche Anforderungen. Es hat sich gezeigt, dass zylindrische Zellen viele Vorteile gegenüber Pouch- und prismatischen Batteriezellen haben, beispielsweise bezüglich der Temperaturbeständigkeit. Daher wächst das Interesse an Stahllösungen in diesem Bereich.

Für die zylindrischen Batteriezellen moderner Elektrofahrzeuge hat Tata Steel mit Hilumin einen hochrein veredelten Stahl entwickelt, der sich in effizienten Hochgeschwindigkeits-Tiefziehprozessen reibungslos weiterverarbeiten lässt. Das vernickelte, diffusionsgeglühte Band eignet sich speziell für die Großserien- und Hochgeschwindigkeitsproduktion von wiederaufladbaren Qualitätsbatterien.

Batteriedosen aus Hilumin bieten ein besonders hohes Innenvolumen, weil durch ihre speziellen Materialeigenschaften die Wanddicke bei gleichen Außenabmessungen verringert werden kann. Da die Stahlzylinder außerdem die strukturelle Steifigkeit ohne zusätzliche Stützstrukturen im Batteriegehäuse gewährleisten, erhöht sich auch das Volumen der aktiven Masse im Batteriesystem.

Darüber hinaus bietet Hilumin die im Vergleich zu anderen Substraten höchste thermische Stabilität und hält höheren Druckbelastungen stand als Pouch- und prismatische Zellen auf Aluminiumbasis. Die Stahllösung ermöglicht somit eine höhere Energiedichte und volumeneffizientere Batteriepacks.

Mehr Leistung für Elektromotoren

Der langfristige Erfolg der E-Mobility hängt insbesondere von der Leistung der Elektromotoren ab. Daher sind vor allem kompakte und effiziente E-Motoren gefragt, die bei geringem Gewicht eine hohe Leistung bringen. Nicht nur spezielle Materialien, sondern auch neue Designkonzepte helfen dabei, die Entwicklung von leistungsstärkeren, effizienten Elektromotoren zu beschleunigen. Für diesen Bereich hat Tata Steel seinen ultradünnen Elektrostahl Hi-Lite entwickelt. Er gehört zur Highend-Produktpalette nicht kornorientierter Elektrobandstähle.

Dünne Elektrostähle ermöglichen es, Elektromotoren und Generatoren mit sehr hohen Drehzahlen herzustellen. Ein 2-poliger Standardmotor mit einem 50-Hz-Netzanschluss dreht sich je nach Motortyp mit ungefähr 3.000 U/min. Mit 10.000 U/min oder mehr sind viel höhere Leistungen bei einem Motor möglich, der dieselbe Größe wie ein Standardfrequenzmotor hat. Gleichzeitig ermöglichen diese höheren Drehzahlen die Entwicklung eines viel kleineren Motors mit derselben Leistung.

Um 60 % leichtere E-Motoren

Aufgrund seiner hohen Materialfestigkeit können mit Hi-Lite kompakte und gleichzeitig stabile Motordesigns mit hohem Leistungsoutput umgesetzt werden. Mit der Stahlgüte Hi-Lite NO20 lässt sich das Gewicht eines E-Motors – im Vergleich zum Einsatz der marktüblichen Stahlgüte M270 35A – um 60 % reduzieren und seine Größe um 30 % verringern. Außerdem zeichnet sich der ultradünne Elektrostahl durch geringe magnetische Leistungsverluste am Stator bei hohen Drehzahlen aus.

Das Hi-Lite-Sortiment verwendet je nach Anwendung unterschiedliche schnellbindende lsolationsbeschichtungen, die sowohl für mittlere bis hohe Grundfrequenzen (200 bis 2.500 Hz) als auch für Oberschwingungen bis zu 25 kHz optimiert wurden und für ein verbessertes NVH-Verhalten sorgen.

Mithilfe von Elektrobandstählen können Hersteller eine eigene, einzigartige DNA für ihre Elektromotoren erschaffen, wenn die Materialien und ihr Einsatz speziell auf ihre Bedürfnisse angepasst werden. Daher arbeitet Tata Steel in diesem Bereich besonderes eng mit Kunden zusammen. Zudem unterstützt das Unternehmen dabei, die nötigen Lieferketten für das schnelle Wachstum in der Elektromotorenfertigung aufzubauen. Aktuell arbeitet Tata Steel mit vielen OEM, Tier-1-Zulieferern und Presswerken in Europa, Nordamerika und China an Projekten, die in neuen Elektrofahrzeugen auf den Markt kommen sollen.

Ziel ist das Elektrofahrzeug der Zukunft

Die Innovationen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen schreiten weiterhin rasant voran. Das ist auch dringend nötig, denn Elektrofahrzeuge müssen erschwinglicher und nachhaltiger werden, wenn sie neuer Standard für Mobilität werden sollen. Es zeigt sich, dass erschwingliche und nachhaltige E-Mobile nicht ohne hochmoderne Stähle auskommen, um Leistung, Kosten und Gewicht von Energiespeichersystemen, Elektromotoren und Crash-Management-Strukturen zu verbessern. Die neuesten Entwicklungen der Stahlindustrie ermöglichen all dies: mit höherer Festigkeit, besserer Umform- und Verarbeitbarkeit, weniger magnetischen Verlusten und insgesamt einer geringeren Umweltbelastung.

Kontakt:
Tata Steel Postbus 10000
1970 CA IJmuiden
Niederlande
Tel.: + 31 251 499111
E-Mail: nieuws@tatasteeleurope.com
Website: www.tatasteel.nl

Tata Steel Germany GmbH
Am Trippelsberg 48
40589 Düsseldorf
Tel.: +49 211 4926–0
E-Mail: dusseldorf@tatasteeleurope.com
Website: www.tatasteeleurope.com


Tata Steel

Mit einer jährlichen Produktionskapazität von 33 Mio. t Rohstahl zählt die Tata Steel Gruppe zu den weltweit größten Stahlproduzenten. In Europa wird an Standorten in den Niederlanden und Großbritannien produziert sowie in weiterverarbeitenden Werken in Deutschland und anderen Ländern. Aktuell nahm Tata Steel im niederländischen Ijmuiden die dritte Stranggießanlage in Betrieb – mit 220 Mio. Euro die bisher größte Investition am Standort seit der Jahrtausendwende.

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