Verbindungselement

Abstract

 Zur Herstellung von zur Verbindung von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen geeigneten Verbindungselementen wird eine Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu vorgeschlagen, die aus

6,0 bis 8,0

Gew.-% Zink

2,0 bis 3,5

Gew.-% Magnesium

1,0 bis 3,0

Gew.-% Kupfer

0,05 bis 0,30

Gew.% Zirkonium

max. 0,30

Gew.-% Chrom

max. 0,50

Gew.-% Mangan

max. 0,10

Gew.-% Titan

max. 0,20

Gew.-% Silizium

max. 0,20

Gew.-% Eisen

andere einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%, und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Das Verbindungselement zeichnet sich aus durch eine hohe Festigkeit bei ausreichender Dehnung sowie durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit.

Beschreibung

[0001] Die Verbindung betrifft ein Verbindungselement aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu, mit einem Schaft zur Verbindung von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, insbesondere eine Schraube oder ein Niet.

[0002] Bei der Verbindung von Bauteilen werden häufig Schrauben und Stanznieten in der Form von Voll- oder Halbhohlnieten eingesetzt. Eine selbststanzende Befestigungsvorrichtung zur Herstellung einer Nietverbindung unter Verwendung von Halbhohlnieten ist beispielsweise aus der WO-A-95/09307 bekannt.

[0003] Ein wichtiges Einsatzgebiet derartiger Verbindungselemente ist der Fahrzeugbau. Mit zunehmenden Einsatz von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen in diesem Bereich gewinnt auch der Einsatz von Schrauben und Stanznieten aus Aluminiumwerkstoffen an Bedeutung. Bisher wurden überwiegend Stahlschrauben und Stahlstanznieten verwendet, die aus Gründen der galvanischen Korrosion und der Spaltkorrosion aus Edelstahl gefertigt werden mussten. Die Unterschiede zwischen Aluminium und Stahl bezüglich der physikalischen Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Elastizitätsmodul u.a. können, insbesondere bei einem Temperaturwechsel, zu zusätzlichen Spannungen oder zu einer Lockerung der Verbindung führen. Der Einsatz eines Werkstoffs mit ähnlichen chemischen, elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften für die Verbindungselemente wäre daher von grossem Nutzen.

[0004] Die Herstellung von Schrauben und Stanznieten aus Aluminiumwerkstoffen ist technisch möglich. In beschränktem Umfang werden beispielsweise Schrauben aus dem bekannten Werkstoff AA7075 gefertigt, wobei eine Zugfestigkeit von etwa 500 bis 600 MPa erreicht wird. Eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten wäre nur dann möglich, wenn die genannten Verbindungselemente aus Werkstoffen mit höherer Festigkeit wirtschaftlich gefertigt werden könnten. Bekannte Werkstoffe mit höherer Festigkeit sind die Legierungen AA7049, 7049A, 7149, 7249, 7349, 7449 und 7055, deren Herstellung jedoch nicht einfach ist. Wegen ihrer Neigung zu Rissen bei der Erstarrung sind diese Werkstoffe nicht einfach zu giessen und die Herstellung grosser Barren und Bolzen als Ausgangsmaterial zum Walzen oder Fressen gestaltet sich sehr aufwendig und ist damit unwirtschaftlich. Hinzu kommt, dass diese Werkstoffe in allen Wärmebehandlungszuständen empfindlich auf Spannungsrisskorrosion und Schichtkorrosion sind.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Legierung bereitzustellen, mit der sich Verbindungselemente der eingangs genannten Art mit hoher Festigkeit einfach und wirtschaftlich herstellen lassen.

[0006] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung aus

6,0 bis 8,0

Gew.-% Zink

2,0 bis 3,5

Gew.-% Magnesium

1,0 bis 3,0

Gew.-% Kupfer

0,05 bis 0,30

Gew.% Zirkonium

max. 0,30

Gew.-% Chrom

max. 0,50

Gew.-% Mangan

max. 0,10

Gew.-% Titan

max. 0,20

Gew.-% Silizium

max. 0,20

Gew.-% Eisen

andere einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%, und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

[0007] Der erfindungsgemäss eingesetzte Werkstoff ist gegenüber vergleichbaren hochfesten Werkstoffen der Gruppe AA7xxx leichter giessbar und durch Pressen und Walzen auch leichter warm zu verarbeiten. Die Korrosionsbeständigkeit ist ebenfalls wesentlich besser als bei vergleichbaren Legierungen nach dem Stand der Technik.

[0008] Aufgrund der ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen wird die Verbindung von Bauteilen aus Magnesiumwerkstoffen oder aus Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen bevorzugt mit dem erfindungsgemässen Element aus einer Aluminiumlegierung durchgeführt.

[0009] Für die einzelnen Legierungselemente gelten die folgenden Vorzugsbereiche (Gew.-%):

Zink	6,6 bis 7,3,	insbesondere 6,7 bis 7,1
Magnesium	2,3 bis 3,2,	insbesondere 2,6 bis 2,9
Kupfer	1,3 bis 2,1,	insbesondere 1,6 bis 1,8
Zirkonium	max. 0,20,	insbesondere 0,13 bis 0,18
Chrom	max. 0,10,	insbesondere max. 0,05
Mangan	max. 0,25,	insbesondere max. 0,15
Titan	max. 0,05
Silizium	max. 0,15,	insbesondere max. 0,12
Eisen	max. 0,15,	insbesondere max. 0,12.

[0010] Geeignetes Vormaterial zur Fertigung von Schrauben und Nieten sind stranggepresste Stangen, wobei als Vormaterial für Stanznieten beispielsweise auch der Einsatz von Blech denkbar ist.

[0011] Bei der Herstellung von Verbindungselementen über Stangenmaterial wird zunächst die Legierung zu einem Pressbolzen vergossen und der Bolzen nach einer Homogenisierungsglühung zu einem stangenförmigen Vormaterial verpresst. Nach einem Lösungsglühen und Abschrecken des Vormaterials wird dieses in der Regel durch Kaltumformen zu den Verbindungselementen verarbeitet, die anschliessend zur Erzielung der gewünschten Festigkeit bei ausreichender Dehung einer Warmaushärtung unterworfen werden. Bei einer besonders bevorzugten Fertigungsvariante, die einen höheren Kaltumformungsgrad mit entsprechend erhöhter Festigkeit zulässt und zudem zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit führt, wird vor dem Kaltumformen des Vormaterials zur Schraube oder zum Niet eine Rückbildungsglühung bei einer Temperatur von etwa 180 bis 260° C während einer Zeitdauer von etwa 5 sec bis 120 min durchgeführt. Hierbei gilt eine kurze Behandlungszeit für eine hohe Wärmebehandlungstemperatur.

[0012] Beim erfindungsgemässen Verbindungselement können mit einer Warmaushärtung zum Zustand T 6 oder T 7 Festigkeiten bis zu 740 MPa erzielt werden.

[0013] Die fertig wärmebehandelten Schrauben oder Nieten können je nach Anwendungsbereich eloxiert, beschichtet, lackiert oder auf andere Weise gegen Korrosionseinflüsse weiter geschützt werden. Zur verbesserten Lösbarkeit der Verbindung können Schrauben beispielsweise auch mit einer Teflon- oder einer Ormocere-Schicht versiegelt sein. In gewissen Fällen ist auch eine Dichtung und Verklebung entsprechend dem bekannten Sped-Cap-Verfahren vorteilhaft.

[0014] Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemässen eingesetzten Legierungen ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Beispiele

[0015] 7 Legierungen mit einer Zusammensetzung gemäss Tabelle 1 wurden zu je einem Stanggussbolzen von 220 mm φ und einer Länge von etwa 1500 mm vergossen. Eine Kornfeinung mit TI5B1-Draht wurde direkt in der Giessrinne durchgeführt.

[0016] Der Strangguss wurde bei allen Legierungen unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Absenkgeschwindigkeit

6,5 bis 7 m/min

Kühlwasser

75 l/min

Meniskusstand

42 mm

Wasserstand

40 cm unter der Kokille

[0017] Vor dem Aufteilen zu je zwei 660 mm langen Bolzen wurde eine Glühung bei 460° während 6 h durchgeführt. Anschliessend erfolgte eine Hochglühung bei 470°/3h + 480°/18h (Legierung 6 wurde mit 470°C/21 h geglüht).

[0018] In jeder Legierung wurde ein Flachprofil 10 x 50 mm und eine Rundstange 40 mm Durchmesser indirekt gepresst. Die Bolzentemperatur betrug ca. 230 bis 260°C, die Rezipiententemperatur lag bei etwa 300°C. Die Pressgeschwindigkeit betrug etwa 2 bis 2,8 m/min.

[0019] Die Lösungsglühung erfolgte bei einer Temperatur von 470 ± 3°C während einer Zeitspanne von 0,5 h.

[0020] In Tabelle 2 sind die Daten aller Legierungen, die am Flachprofil 10 x 50 mm gewonnen wurden, wiedergegeben. Die Wärmebehandlung wurd in jedem Fall wie folgt durchgeführt:

Lösungsglühen:

470°C/0,5 h

Recken:

≤ 1%

Zwischenlagern:

≤ Tag

Aushärten:

Zustand T 651: 130°C/14h
Zustand T 7351: 105°C/5h + 175°C/7h

[0021] Von allen Legierungen wurden Zugversuche und Kerbzugversuche in Längsrichtung durchgeführt. Die bruchmechanischen Kennwerte wurden bei allen Legierungen in Querrichtung gemessen.

[0022] Bei den in Tabelle 2 angegebenen Festigkeitswerten ist zu bedenken, dass die Zugfestigkeit am Verbindungselement höhere Werte erreicht, da eine Kaltverfestigung hinzukommt.

[0023] Alle Legierungen in den beiden Wärmebehandlungszuständen wurden einem Spannungsrisskorrosionstest unterzogen. Alle Proben überstanden die Prüfung ohne Spannungskorrosionsrisse.

Tab. 1

Leg. Nr.	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Zr
1	0.008	0.02	1.8	-	2.7	-	6.9	0.14
2	0.10	0.06	1.8	-	2.7	-	6.9	0.15
3	0.10	0.19	1.7	-	2.7	-	6.9	0.15
4	0.10	0.20	1.9	0.20	2.7	-	6.9	0.14
5	0.04	0.06	1.8	0.20	2.7	-	6.8	0.14
6	0.04	0.06	1.9	-	2.0	-	8.8	0.15
7	0.04	0.06	1.7	0.23	2.7	0.25	6.0	-

Ansprüche

1. Verbindungselement aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu, mit einem Schaft zur Verbindung von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, insbesondere Schraube oder Niet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung aus

6,0 bis 8,0   Gew.-% Zink

2,0 bis 3,5   Gew.-% Magnesium

1,0 bis 3,0   Gew.-% Kupfer

0,05 bis 0,30   Gew.% Zirkonium

max. 0,30   Gew.-% Chrom

max. 0,50   Gew.-% Mangan

max. 0,10   Gew.-% Titan

max. 0,20   Gew.-% Silizium

max. 0,20   Gew.-% Eisen

andere einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%, und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 6,6 bis 7,3, vorzugsweise 6,7 bis 7,1 Gew.-% Zink enthält.

3. Verbindungslement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,3 bis 3,2, vorzugsweise 2,6 bis 2,9 Gew.% Magnesium enthält.

4. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 1,3 bis 2,1, vorzugsweise 1,6 bis 1,8 Gew.-% Kupfer enthält.

5. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,20, vorzugsweise 0,13 bis 0,18 Gew.-% Zirkonium enthält.

6. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,10, vorzugsweise max. 0,05 Gew.-% Chrom enthält.

7. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,25, vorzugsweise max. 0,15 Gew.-% Mangan enthält.

8. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,05 Gew.-% Titan enthält.

9. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15, vorzugsweise max. 0,12 Gew.-% Silizium enthält.

10. Verbindungslement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15, vorzugsweise max. 0,12 Gew.-% Eisen enthält.

11. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durch Giessen der Legierung zu einem Pressbolzen, Homogenisierungsglühen des Bolzens und Verpressen des Bolzens zu einem Vormaterial, Lösungsglühen und Abschrecken des Vormaterials, Verarbeitung des Vormaterials zu Verbindungselementen durch Kaltumformen und Warmaushärten der Verbindungselemente, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kaltumformen eine Rückbildungsglühung bei einer Temperatur von 180 bis 260°C während 5 sec bis 120 min durchgeführt wird.