DE102012205357A1

DE102012205357A1 - In Position hergestellte Einsätze zur Aufnahme von Stanznieten

Info

Publication number: DE102012205357A1
Application number: DE102012205357A
Authority: DE
Inventors: Blair E. Carlson; Pei-Chung Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: US20170114815A1; US8662141B2; CN102728766A; US20140178152A1; CN102728766B; US9556892B2; US10352347B2; DE102012205357B4; US20120258328A1

Abstract

Es kann/können ein oder mehrere Einsätze aus einem duktilen Metall selektiv in Teile mit begrenzter Duktilität eingebaut werden, die Gussteile und Formpolymere umfassen. Die Einsätze werden an Verbindungsstellen positioniert, um das Teil mithilfe eines Stanzniet-Verfahrens (SPR-Verfahrens) an andere Teile zu fügen. Die Einsätze weisen eine geeignete Duktilität, Dicke und Festigkeit auf, um Stanzniete aufzunehmen und zurückzuhalten und eine starke genietete Verbindung zwischen dem Teil und einem zweiten Teil zu ermöglichen. In einer Ausführungsform sind die Teile Gussteile aus einer Magnesiumlegierung, die mittels Sandguss, Druckguss oder Semi-Solid Metal Casting (Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand) gebildet sind. Der chemischen Zusammensetzung des Einsatzes kann die vorweggenommene korrosive Umgebung der Verbindung und die Gießtemperatur der Magnesiumlegierung zugrunde liegen. Für Gussteile aus einer Magnesiumlegierung, die korrosiven Umgebungen ausgesetzt sein können, werden Einsätze aus einer Aluminiumlegierung bevorzugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Fügen von Gussteilen mit begrenzter Duktilität, insbesondere Gussteile aus einer Magnesiumlegierung, mithilfe von Stanznieten durch Verwendung von in Position gegossenen duktilen Einsätzen, die in dem Gussteil an vorbestimmten Verbindungsstellen angeordnet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Autokarosseriekonstruktion zeigt sich ein zunehmender Trend hin zur Verwendung einer einheitlichen Struktur, die bevorzugt zu einem zusammengesetzten Stapel von Blechkomponenten gegossen oder geformt werden können. Die gegossene oder geformte einheitliche Struktur kann, wenn es sich um ein Gussteil handelt, ein Gusseisen sein, besteht jedoch oft aus einem Material geringer Dichte, Aluminium oder Magnesium, das, außer dass es den Zusammenbau vereinfacht, dabei hilft, Fahrzeugmasse einzusparen. Geformte Strukturen können Polymere, am häufigsten verstärkte Polymere, sein. Solch ein einheitlicher Körper muss jedoch in den Rest der Karosseriestruktur integriert und damit gefügt werden, was es möglicherweise notwendig macht, dass ein Nicht-Eisengussteil aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung oder ein geformtes, verstärktes Polymer an das Stahlblech oder Aluminiumblech gefügt wird. Solch eine Verbindung wird üblicherweise mithilfe eines mechanischen Befestigungsverfahrens wie z. B. Stanznieten oder SPR hergestellt.
Stanznieten (SPR) ist ein mechanisches Fügeverfahren zum Anbringen von zwei oder mehr Werkstücken aneinander. Im Gegensatz zu vielen Nietverfahren erfordert es nicht, dass Löcher vorgebohrt werden, um den Niet aufzunehmen, ein Merkmal das eine flexible Teileausstattung ermöglicht und es zu einem attraktiven Verfahren für die Autokarosseriemontage macht. Ein Stanzniet ist ein hohler Metallzylinder, der an einem Ende durch eine integrierte Kappe verschlossen ist, die über den Zylinderdurchmesser vorkragt. Das offene Ende des Niets wird in den Stapel aus Werkstücken getrieben, bis die Unterseite der Kappe mit der Oberfläche des Stapels in Kontakt steht. Das SPR-Verfahren wird typischerweise kalt, d. h. bei Temperatur oder etwa 25°C, ausgeführt, und der Stapel kann zwei oder mehr Werkstücke umfassen. Die Dicke des gesamten Stapels ist auf maximal ungefähr 12 Millimeter begrenzt, und die Nietlänge wird derart gewählt, dass er alle bis auf das letzte Werkstück in dem Stapel vollständig durchdringt, welches der Niet nur zum Teil durchdringt. Der Stapel ist durch ein Umformwerkzeug in Kontakt mit dem letzten Werkstück in dem Stapel abgestützt. Unter der Einwirkung des Formwerkzeuges und des Drucks, der angewendet wird, um den Niet in den Stapel zu treiben, wird der Niet gestaucht und die zylindrischen Wände des Niets werden radial erweitert und nach außen gespreizt, um einen mechanischen Eingriff zwischen dem Niet und dem gestanzten Hohlraum zu erzeugen, um alle Werkstücke des Stapels zusammenzuschließen.
SPR wird üblicherweise an geschmiedeten duktilen Blechmaterialien verwendet, da die Stanzwirkung des Niets während des Durchdringens und das Stauchen eine beträchtliche lokale Verformung des Werkstückes zur Folge haben. Die Anwendung des SPR auf Werkstücke mit stärker begrenzter Duktilität wie z. B. Gussteile oder verstärkte Polymere und insbesondere auf Gussteile aus Magnesiumlegierungen könnte ein Brechen der Werkstücke zur Folge haben, was die Festigkeit der Verbindung und die Haltekraft des Niets reduzieren würde.
Es besteht daher Bedarf, die Montage eines Fahrzeuges, welches dünne Gussmetall- oder Formpolymer-Strukturkomponenten mit reduzierter Duktilität umfasst, anzupassen, um das SPR-Verfahren für die Fahrzeugmontage geeignet zu machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Einheitliche strukturelle Komponenten in der Autokarosserieherstellung werden zunehmend durch Baugruppen aus Blechmetallprodukten ersetzt. Die Vorteile solch eines Ersatzes umfassen die Teileeliminierung wie auch die Möglichkeit der Reduktion der Toleranzensummierung. Die Strukturen können Gussteile oder polymere Strukturen, typischerweise verstärkte Polymerstrukturen, sein. Die in den Gussteilen verwendeten Materialien könnten Gusseisen, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen umfassen. Gussteile aus Magnesium und Magnesiumlegierungen werden jedoch oft wegen ihres hohen Festigkeit/Gewicht-Verhältnisses bevorzugt, was zu beträchtlichen Gewichtsreduzierungen führen kann. Auch einheitliche verstärkte Polymerstrukturen bieten Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung. Ein Beispiel solch einer Struktur ist der Fahrzeugquerträger oder der Armaturenbrett-Träger. Solch ein Träger kann als ein Magnesiumgussteil oder als ein verstärktes Polymer gefertigt werden.
Um strukturell effektiv zu sein, muss die Struktur robust an den anderen strukturellen Karosserieelementen angebracht sein. Wenn sie aus einem verstärkten Polymer gefertigt ist, ist Schweißen nicht geeignet. Wenn sie aus einer Magnesiumgusslegierung gefertigt ist, ist das Schweißen von Magnesium an Stahl nicht durchführbar und das Schweißen von Magnesium an Aluminium begünstigt die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen, was eine schwache, spröde Schweißnaht zur Folge hat. Es werden daher mechanische Befestigungsverfahren bevorzugt. Es wird auch die Verwendung des Stanznietens (SPR) angewendet, bei dem das offene Ende eines Stanzniets, eines hohlen Metallzylinders, der an einem Ende offen und an seinem anderen Ende durch eine vorkragende integrierte Kappe verschlossen ist, durch ein Formwerkzeug in einen Stapel aus Werkstücken getrieben und gestaucht oder verformt wird.
SPR ist ein attraktives Fügeverfahren, da es eine minimale Vorbereitung der Verbindung erfordert, z. B. dass keine vorgebohrten Löcher erforderlich sind. Das SPR-Verfahren erzeugt auch keine Durchgangslöcher in einem Werkstück zum Eintritt von Fluiden und das SPR-Verfahren kann eine gute Verbindungsfestigkeit entwickeln, wenn es auf duktile Materialien angewendet wird. Da das Verfahren aber eine gewisse Verformung des Werkstückes erfordert, müssen die Werkstücke eine Mindestduktilität aufweisen, um sicherzustellen, dass eine einwandfreie Verbindung gebildet wird. Diese Duktilität kann mithilfe eines Zugtests bewertet werden und es wird allgemein akzeptiert, dass Werkstückmaterialien, die für SPR-Verbindungen geeignet sind, eine Mindestzugdehnung von etwa 10% zeigen sollten. Viele Gusslegierungen und verstärkte Polymermaterialien zeigen geringere Zugdehnungen.
Einige allgemein gebräuchliche Magnesiumgusslegierungen wie z. B. AZ91 (nominell 9 Gew.-% Aluminium und 1 Gew.-% Zink) können eine Bruchdehnung von weniger als 5% aufweisen, wie in einem Zugtest gemessen, wobei sogar die meisten duktilen Gusslegierungen Bruchdehnungen von weniger als 15% zeigen. Es wird daher eine Herausforderung darstellen, bei Raumtemperatur eine robuste SPR-Verbindung in zumindest einigen Strukturen aus eine Magnesiumgusslegierung in dem weiten Bereich von Prozessbedingungen zu bilden, denen in der Großserienproduktion begegnet werden kann.
Diese Erfindung sieht ein Verfahren zur Verwendung des Stanznietens (SPR) zum Bilden einer robusten Verbindung bei Raumtemperatur oder etwa 25°C beim Zusammenbau eines Werkstückstapels vor, der ein oder mehrere Werkstücke mit begrenzter Duktilität beinhaltet. Diese können Werkstücke aus einer Magnesiumlegierung, die 85 Gewichts-% oder mehr Magnesium enthält, oder geformte oder aufgeschichtete verstärkte Polymerwerkstücke umfassen.
Ein Stopfen oder Einsatz aus einem Metall, das geeignet ist, einen SPR-Niet aufzunehmen und eine robuste Verbindung zu bilden, kann in einem Gussteil aus einer Magnesiumlegierung oder einem verstärkten Polymer positioniert und zurückgehalten werden. Es ist beabsichtigt, dass solch ein Einsatz in Position gegossen oder in Position geformt oder in einem anderen ähnlichen Verfahren hergestellt werden kann. Der Ausdruck „in Position hergestellt” soll alle spezifischen verfahrens- und materialabhängigen Prozeduren wie z. B. in Position gegossen oder in Position geformt umfassen, die eingerichtet werden können, um den Einsatz in solch einer einheitlichen Struktur sicher festzumachen und zurückzuhalten. Der Einsatz oder die Einsätze wird/werden in den eingeplanten Verbindungsstellen vorpositioniert. Beim Bilden einer Verbindung können die Werkstücke in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge gestapelt, positioniert und festgemacht sein. Dann können das gegenüberliegende Einsetzwerkzeug und das Umformwerkzeug an der Verbindungsstelle angeordnet und verwendet werden, um die Werkstücke in dem Stapel zusammenzuklammern. Zuletzt wird der SPR-Niet in den Werkstückstapel getrieben und in dem Stapel festgemacht, indem er durch das Umformwerkzeug gestaucht wird.
Auf Grund solch eines duktilen Einsatzes kann ein Teil mit begrenzter Duktilität, z. B. ein Gussteil aus einer Magnesiumlegierung so problemlos SPR-genietet werden, als wäre das gesamte Gussteil aus dem Einsatzmaterial hergestellt. Es sind daher keine zusätzlichen Vorkehrungen oder Anpassungen an herkömmlichen SPR-Anwendungen erforderlich. Das Teil mit begrenzter Duktilität kann beispielsweise oben, unten oder in der Mitte des Stapels positioniert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird Magnesium um einen duktilen Stopfen oder Einsatz herum gegossen, der derart entworfen ist, dass das erstarrte Magnesium den Einsatz in dem fertigen Gussteil zumindest mechanisch fassen und zurückhalten wird. Um den Einsatz besser zurückzuhalten, wird der Einsatz bevorzugt auch eine metallurgische Bindung zu dem Magnesiumgussteil entwickeln.
Der Einsatz oder die Einsätze, die an den Verbindungsstellen angeordnet sind und eine geeignete Ausdehnung aufweisen, um eine gewisse erwartete Schwankung bei der Anordnung des SPR-Niets zu berücksichtigen, dienen dazu, den Niet aufzunehmen. Die Verwendung solch eines den Niet aufnehmenden Einsatzes kann Flexibilität in dem Werkstückstoß bieten, vorausgesetzt die Einsatzdicke stimmt mit der Wanddicke des Gussteiles überein und die Einsatzflächen sind mit den Wandflächen des Gussteiles fluchtend oder ragen darüber hinaus.
Der Einsatz wird allgemein in der Form eines Blechs oder einer Platte mit zwei gegenüberliegenden, allgemein parallelen Seiten vorliegen, und von einem Umfang begrenzt sein. Die Dicke des Einsatzes sollte im Wesentlichen gleich der Dicke des Gussteiles an der Einsatzstelle sein, sodass die gegenüberliegenden Flächen des Einsatzes mit den gegenüberliegenden Flächen des Formhohlraumes in Kontakt stehen werden. Dies kann es notwendig machen, dass die Gussteildicke in der Nähe des Einsatzes reduziert wird.
Es kann eine Vielfalt von Metallen und Legierungen für den Einsatz verwendet werden, wenn keine Einwirkung von wässrigen Elektrolyten, die eine galvanische Zelle zwischen dem Einsatz und der Magnesiumlegierung aufbauen könnten, im Betrieb auftreten können. Diese Metalle und Legierungen könnten z. B. Eisen und seine Legierungen einschließlich Kohlenstoff- und Edelstähle, Titan und seine Legierungen, Kupfer und seine Legierungen und Aluminium und seine Legierungen umfassen. Aber Aluminium, ein übliches Zusatzelement in Magnesiumlegierungen, ist ein bevorzugtes Material für den Einsatz, da es die erwünschte metallurgische Bindung entwickeln kann und die Magnesiumlegierung weniger anfällig auf galvanische Korrosion macht. Spezifische bevorzugte Aluminiumlegierungen können die Qualitäten (Aluminum Association) AA6061, AA6063, AA5052 und AA5056 wie auch Qualitäten AA1xxx, „reines Aluminium”, bevorzugt Qualitäten mit reduziertem Eisengehalt, umfassen.
Der duktile Einsatz kann allgemein an bekannten und vorbestimmten Verbindungsstellen in dem Gussteil positioniert werden, um den Stanzniet aufzunehmen. Wenn ein Druckguss verwendet wird, kann einer der Stahlformwerkzeugabschnitte vertieft, geformt oder sonst wie eingerichtet sein, um den Einsatz während des Füllens festzuhalten. Bei einem Sandguss kann einer ähnlichen Methode gefolgt werden oder der Einsatz kann einem Kern zugehörig sein. Die seitliche Ausdehnung des Einsatzes kann gewählt sein, um jede Messunsicherheit von Fahrzeug zu Fahrzeug in einer Nietposition einzuschließen. Die Dicke des Einsatzes kann größer als die oder im Wesentlichen gleich der Dicke des Magnesiums sein, in dem er enthalten ist, und der Einsatz kann z. B. durch Pressen umgeformt sein, um mit der allgemeinen Form des Gussteiles an einer Verbindungsstelle übereinzustimmen.
Da die Schmelzpunkte von reinem Magnesium (650°C) und reinem Aluminium (660°C) ähnlich sind, wird der Wahl der Gusslegierung und des Einsatzes teilweise die Anforderung zugrunde liegen, dass das Aluminium nicht geschmolzen und in der Magnesiumlegierung gelöst werden darf. Diese Anforderung kann auch der Wahl des gewählten Gießverfahrens zugrunde liegen.
Gusslegierungen werden typischerweise bei einer Temperatur in die (Gieß)form gegossen, oder im Fall von Hochdruckgussteilen unter Druck in diese gezwungen, die höher ist als die Temperatur, bei der sie flüssig werden, ihrer Liquidus-Temperatur, um sicherzustellen, dass die Legierung fließfähig bleibt, bis die Form gefüllt ist. Dieser Temperaturüberschuss stellt eine weitere Herausforderung an die Wahl eines Einsatzes aus einer geeigneten Aluminiumlegierung dar.
Selbstverständlich kann ein aggressives Abkühlen des Einsatzes durch die Verwendung von Kühleisen (in Sandgießformen) oder strategisch positionierten Kühlleitungen (in Druckgussformwerkzeugen) unterstützt werden. Da das Schmelzen des Einsatzes nicht unmittelbar stattfinden wird, können diese Strategien eingesetzt werden, um die Dauer der Hochtemperatureinwirkung, der der Einsatz ausgesetzt ist, zu begrenzen und dadurch jegliches Schmelzen zu begrenzen oder zu unterdrücken.
Eine AA1xxx-Legierung stellt eine geeignete Wahl für den Einsatz dar, da sie den höchsten Schmelzpunkt aller handelsüblichen Aluminiumlegierungen aufweist und sie bei Raumtemperatur extrem duktil ist und daher während des SPR nicht reißen oder brechen wird. Allerdings zeigen AA1xxx-Legierungen entsprechend ihrer hohen Duktilität geringere Festigkeiten als jene, die mit höher legierten Zusammensetzungen wie den mit Magnesium und Silizium legierten AA6XXX-Legierungen, z. B. AA6061, oder den AA5xxx-Legierungen, z. B. AA5052, erhalten werden. Wenn eine Verbindung mit höherer Festigkeit erforderlich ist, kann die Dicke des Einsatzes erhöht werden oder es kann eine höher legierte Aluminiumlegierung verwendet werden. Allerdings werden die höher legierten Aluminiumlegierungen eine niedrigere Liquidus-Temperatur zeigen und können gegebenenfalls ein alternatives Gießverfahren erfordern.
Das Semi-Solid Metal Casting (Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand, SSM) ist ein Verfahren, das dem Kunststoff-Spritzguss sehr ähnlich ist, bei dem teilweise erstarrte Magnesiumlegierung bei einer Temperatur zwischen ihrer Liquidus-Temperatur und Solidus-Temperatur in ein Formwerkzeug eingespritzt wird. Die Solidus-Temperatur ist nominell die höchste Temperatur, bei der die Legierung fest ist, wobei jegliches, einsetzendes Schmelzen infolge lokaler Abtrennung unberücksichtigt bleibt. In diesem Temperaturbereich ist die Legierung teilweise erstarrt und enthält sowohl Flüssigkeit als auch Feststoff.
Das SSM-Gießen kann ausgeführt werden, wenn der Feststoff-Volumenanteil etwa 30–60 Volumen-% beträgt. Das mechanische Scheren der teilweise erstarrten Legierung erzeugt eine fließfähige thixotrope Struktur, die es gestattet, die Legierung unter Druck in ein Formwerkzeug zu zwingen, wo sie erstarren wird. Da das SSM-Verfahren bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird als ein herkömmliches Gießverfahren, bietet es mehr Flexibilität bei. der Wahl der Aluminiumlegierung für den Einsatz.
Die Methode des Gießens eines duktilen Einsatzes in ein sprödes Gussteil ist nicht auf Gussteile aus Magnesium und einer Magnesiumlegierung beschränkt, sondern kann auch auf Aluminiumgussteile, z. B. Aluminium-Silizium-Gussteile wie z. B. A309 oder A356, wie auch auf Gusseisen einschließlich Graugusseisen oder Weicheisen angewendet werden.
Im Allgemeinen sind auch Methoden zum Einsetzen eines duktilen Einsatzes in ein Gussteil zum Einsetzen eines ähnlichen duktilen Einsatzes in einen verstärkten Polymerteil einschließlich aufgestapelter Strukturen, aber insbesondere einschließlich Spritzguss-Komponenten, die faserverstärkt sein können, geeignet. Formbare Polymermaterialien können bei niedrigeren Temperaturen als Gussteile fließfähig gemacht werden, sodass ein beliebiges der zur Verwendung mit Gusslegierungen vorgeschlagenen duktilen Metalle ohne Bedenken im Hinblick auf die Auswirkung der Formtemperatur auf den Einsatz verwendet werden kann. Wie bei Gussteilen wird das Abkühlen auf etwa Raumtemperatur oder etwa 25°C die geforderten strukturellen Eigenschaften in dem Polymer entwickeln.
Es kann ähnlichen Konstruktionsmethoden gefolgt werden, damit der Einsatz einen guten Rückhalt des Niets durch die geformte Komponente oder den einheitlichen Körper erzielt. Solche Einsätze werden Vorteile beim Fügen von Teilen aus verstärktem Polymer an Stahl- oder Aluminium-Fahrzeugkarosseriekomponenten mit sich bringen, die mit jenen vergleichbar sind, welche mit Gussteilen erzielt werden.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, welche in dieser Patentbeschreibung folgt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Aufbaus für einen Fahrzeugquerträger aus Magnesiumguss oder einem verstärkten Polymer, welche mögliche Stellen veranschaulicht, an denen einen SPR-Niet aufnehmende Einsätze in den Träger gegossen werden könnten.
2 ist eine vergrößerte schematische Veranschaulichung einer Querschnittsansicht eines Stanzniets.
3 ist eine schematische Veranschaulichung, die eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Vorrichtung zum Einsetzen eines Stanzniets in einen Stapel aus zwei Werkstücken vor dem Durchdringen des Stapels durch den Niet zeigt.
4 ist eine schematische Veranschaulichung in Querschnittsansicht eines vollständig eingesetzten Stanzniets in einem Stapel aus zwei Werkstücken, welche die Verformung des Niets und der Werkstücke veranschaulicht.
5 ist eine optische Mikroaufnahme, die im Querschnitt einen SPR-Niet nach dem Einsetzen in ein Magnesiumwerkstück zeigt und die Risse in dem Magnesiumwerkstück zeigt.
6 zeigt in Draufsicht eine repräsentative Einsatzgeometrie.
7 zeigt eine fragmentarische Querschnittsansicht des Einsatzes von 6, wie in ein Gussteil gegossen, wobei die Einsatzdicke und die Gussteilwanddicke vergleichbar sind.
8 zeigt eine fragmentarische Querschnittsansicht eines Einsatzes ähnlich dem in 6 in Draufsicht gezeigten, wie in ein Gussteil gegossen, wobei die Einsatzdicke viel geringer ist als die Gussteilwanddicke.
9 zeigt in Draufsicht einen Einsatzrohling.
10 zeigt in Schnittdarstellung den Einsatzrohling von 8 nach dem Umformen zu einem Einsatz.
11 zeigt in fragmentarischem Querschnitt einen Abschnitt eines Gussteiles und dessen zugehöriges Formwerkzeug, das für die Positionierung des Einsatzes von 9 geeignet ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Eine Strategie, um die Montagekomplexität und die Maßabweichung bei Fahrzeugkarosserien zu reduzieren, bestand darin, zusammengeschweißte Blechanordnungen durch einheitliche Strukturen zu ersetzen, die verstärkte Polymere oder Gussteile sein können. Wenn es sich um ein Gussteil handelt, kann solch eine einheitliche Struktur aus einer beliebigen in Automobilanwendungen üblichen Gusslegierung einschließlich einer beliebigen Variante von Gusseisen, Aluminiumlegierungen und Magnesiumgusslegierungen hergestellt sein. Magnesiumgusslegierungen werden oft wegen ihrer attraktiven Festigkeit/Gewicht-Verhältnisse und die Möglichkeit der Gewichtsreduzierung bevorzugt. Wenn es sich um ein verstärktes Polymer handelt, kann das Polymer ein beliebiges solches Polymer und eine beliebige solche Verstärkung, die bei Automobilen üblicherweise verwendet werden, und üblicherweise zum Einsatz kommende Verstärkungen auf Faser-, gewebter oder Matten-Basis einschließlich Glasfasern, Aramidfasern und Kohlefasern verwenden.
Ein Beispiel einer Bauform solch einer einheitlichen Struktur, ein Fahrzeugquerträger 2, ist in 1 gezeigt. Die nachfolgende Erläuterung wird davon ausgehen, dass es sich dabei um ein Magnesiumgussteil handelt, er könnte aber auch aus einem verstärkten Polymer geformt sein. Der Träger 2 beinhaltet zusammen mit anderen Merkmalen, die üblicherweise einem Autoarmaturenbrett zugehörig sind, Merkmale zum Tragen einer Armaturenbrettgruppe 3, für den Durchgang einer Lenksäule 4 und zur Unterbringung eines Handschuhfaches 5.
Dieser Ansatz, das Ersetzen einer mehrteiligen Blechanordnung durch eine einheitliche Struktur, unterliegt der ständigen Herausforderung durch die Schwierigkeit, diese einheitlichen Strukturen in die Karosserie zu montieren, und insbesondere der Herausforderung, eine robuste, tragfähige Verbindung zwischen der Struktur und entweder Stahl oder Aluminium zu bilden. Es müssen beispielsweise seitliche Flansche 6 des Fahrzeugquerträgers 2 von 1 an den Fahrzeugkarosserieseiten (nicht gezeigt) angebracht werden.
Wenn er als ein Magnesiumgusssteil hergestellt ist, ist das Schweißen des Fahrzeugquerträgers 2 an die Karosserieseiten kein gangbarer Weg. Magnesium kann nicht an Stahl geschweißt werden und Magnesium-Aluminium-Schweißverbindungen sind spröde und weisen eine begrenzte Tragfähigkeit auf. Unter den Herangehensweisen mit einer mechanischen Befestigung ist das Stanznieten (SPR) ein attraktives Fügeverfahren, da es eine minimale Vorbereitung der Verbindung erfordert und eine gute Verbindungsfestigkeit entwickeln kann, wenn es auf duktile Materialien wie z. B. die im Autokarosserieaufbau typischerweise verwendeten Bleche aus Aluminum- und Stahllegierungen angewendet wird.
Die Methode des Stanznietens (SPR) ist am besten durch Bezugnahme auf die 2–4 verständlich. 2 zeigt im Querschnitt einen Stanzniet 10 mit einem kreisringförmigen zylindrischen Körper 14, der um eine Mittellinie 18 herum angeordnet ist. An einem Ende 16 des kreisringförmigen zylindrischen Körpers 14 ist die Wand verjüngt, um das Durchdringen eines Werkstückes zu erleichtern, während das andere Ende des kreisringförmigen Körpers 14 in einer scheibenförmigen Kappe 12 endet, deren Durchmesser über den Außendurchmesser des kreisringförmigen Körpers 14 hinausgeht.
Der Stanzniet 10 kann verwendet werden, um die Werkstücke 32 und 34 festzumachen, wie in 3 gezeigt. Es wird durch gegenüberliegende Elemente, eine Nase 22 und ein Formwerkzeug 24 eines Einbauwerkzeugs 20, ein entgegengesetzter Druck P, durch die entgegengesetzten Pfeile 36 und 38 angezeigt, auf die Werkstücke 32 und 34 angewendet. Der Niet 10 wird durch die Wirkung des Stempels 30 unter Anwendung der Einsetzkraft F, die in die Richtung des Pfeils 28 gerichtet ist, in das Werkstück 32 gelenkt und durch die Wände 40 des Hohlraumes 42, der zentral innerhalb der Nase 22 angeordnet ist, gelenkt. Das Formwerkzeug 24 weist einen geformten Hohlraum 26 mit einem zentralen Vorsprung 27 auf, der allgemein auf der Mittellinie 18 (2) des Niets 10 positioniert ist.
Die durch den eingesetzten Niet 10' gebildete Verbindung ist in 4 gezeigt. Wenn der Niet 10 nach unten getrieben wird, werden die Abschnitte der Werkstücke 32 und 34, die innerhalb der Begrenzung des Formwerkzeughohlraumes 26 liegen, von den verjüngten Enden 16 des Niets 10 durchdrungen. Außerdem werden jene Abschnitte der Werkstücke 32 und 34 innerhalb der Begrenzung des Formwerkzeughohlraumes 26 körperlich in die Richtung 28 des Pfeils 28 in Kontakt mit dem Vorsprung 27 des Formwerkzeuges 24 verschoben. Der Vorsprung 27 wird wirksam sein, um die Wände des kreisringförmigen Körpers 14 zu spreizen. Der Niet 10 wird mit solch einer Länge L (2) gewählt, dass er das Werkstück, hier das Werkstück 34, in Kontakt mit dem Formwerkzeug 24 nur teilweise durchdringen wird. Wenn die Wände des kreisringförmigen Körpers 14 durch den Vorsprung 27 in die Konfiguration 14' verschoben werden, werden die Werkstücke 32 und 34 von der Nietkappe 12 und den Wänden 14' zurückgehalten, um eine robuste Verbindung zu bilden.
Während der Herstellung solch einer Verbindung ist eine beträchtliche Werkstückverformung die Folge. Wie in 4 gezeigt, zeigt das mit dem Formwerkzeug in Kontakt stehende Werkstück 34 eine beträchtliche Dickenabnahme im Bereich der darunter liegenden Kappe 12 des Niets, während das Werkstück 32 in dem kreisringförmigen „Überhang” bereich zwischen dem Durchmesser der scheibenartigen Kappe 12 und dem Außendurchmesser des kreisringförmigen Körpers 14 stark gebogen und dünner wird. Die Duktilität der Stähle und der Aluminiumlegierungen, die üblicherweise bei der Herstellung von Autokarosserien verwendet werden, ist hinreichend, um dieser Verformung, die während des SPR-Nietens stattfindet, standzuhalten, ohne zu reißen.
Allerdings ist die Duktilität von Magnesiumlegierungen bei Raumtemperatur deutlich geringer als jene von Stahl oder Aluminium und es kann beim SPR-Nieten bei Raumtemperatur zu einem Reißen der Magnesiumlegierung kommen.
5 zeigt z. B. eine Nah-Schnittansicht solch eines SPR-Niets, der in einen Werkstückstapel eingesetzt ist, welcher ein Werkstück 132 aus einer Magnesiumlegierung umfasst, das über einem Aluminiumwerkstück 134 liegt. Es sind Risse 46 an mehreren Stellen in dem Werkstück aus Magnesiumlegierung zu sehen, während das duktilere Aluminiumwerkstück keine Zeichen einer Rissbildung zeigt. Es wird einzusehen sein, dass die Verformung in der Werkstückschicht 34 (4) noch weitläufiger ist als die Verformung, welche die Werkstückschicht 32 erfährt (4). Somit würde die Tendenz zu reißen, wie sie das Werkstück 132 aus Magnesiumlegierung zeigt, durch Umdrehen der Stapelsequenz, d. h., durch Ersetzen des Werkstückes 132 durch 134 und des Werkstückes 134 durch 132 in 5, nicht gemindert.
Aus diesem Grund wird üblicherweise empfohlen, dass das Magnesium auf etwa 300°C erhitzt wird, um seine Duktilität zu erhöhen, bevor die SPR-Verbindung hergestellt wird, um jegliche Tendenz zu Rissen und Defekten in der Magnesiumlegierung zu minimieren. Das Erhitzen der Magnesiumlegierung, um seine Duktilität zu steigern, ist für Komponenten aus Magnesiumgusslegierungen von noch größerer Bedeutung, da Gussprodukte üblicherweise eine geringere Duktilität zeigen als geschmiedete Produkte.
Solch ein Erhitzen von Magnesiumstrukturen, selbst das lokale Erhitzen nur jenes Abschnitts der Komponente, wo das SPR durchgeführt wird, ist umständlich und kostspielig. Aus diesem Grund haben die Erfinder eine Prozedur entwickelt, welche die Verwendung des SPR zum Fügen von Strukturen aus einer Magnesiumgusslegierung bei Raumtemperatur ermöglicht.
Den Erfindern war klar, dass ein Einsatz aus einem duktilen Material in einem Gussteil aus einer Magnesiumlegierung an der Stelle, die für die Aufnahme des SPR-Niets vorgesehen ist, eingebaut werden kann. Im Verlauf des SPR-Verfahrens wird der SPR-Niet nun den duktilen Einsatz anstelle der Magnesiumlegierung, abhängig von der Anordnung des Einsatzes in dem Werkstückstapel, vollständig oder teilweise durchdringen und dadurch eine rissfreie SPR-Verbindung bilden. Der Einbau solch eines duktilen Einsatzes 8 in den Endflansch 6 des Magnesiumguss-Fahrzeugquerträgers 2 von 1 wird z. B. problemlos die Anbringung des Trägers an den Karosserieseiten (nicht gezeigt) ermöglichen.
Die Anforderungen an den Einsatz fallen in drei Kategorien: er muss geeignet sein, um einen SPR-Niet aufzunehmen und eine starke Verbindung zu bilden; er muss im Betrieb kompatibel mit dem Magnesiumgussteil sein; und er muss mit dem Gießverfahren kompatibel sein, das verwendet wird, um das Magnesiumgussteil herzustellen.
In Verbindungen, die keinem wässrigen Elektrolyt ausgesetzt sind, kann eine große Vielfalt von duktilen Einsätzen verwendet werden. Diese können unter anderem beispielsweise Stähle und andere Eisenlegierungen einschließlich Edelstähle, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Kupferlegierungen umfassen. Die spezielle Legierung und die Dicke des Einsatzes können gewählt sein, um die gewünschte Verbindungsfestigkeit zu entwickeln. Ein SPR-Niet kann durch Brechen versagen, aber in den meisten SPR-Verbindungen versagt die Verbindung durch Herausziehen des Niets. Das Herausziehen erfordert eine starke Verformung der Verbindungsmaterialien und je höher daher die Festigkeit der Werkstücke ist, desto höher ist die Ausziehfestigkeit, wenn die Festigkeit der Werkstücke geringer ist als die des Nietmaterials. Die Werkstückfestigkeit kann durch die Verwendung der Einsätze mit höherer Festigkeit oder durch Erhöhen der Dicke des Einsatzes verändert werden. Die Dicke des Einsatzes sollte jedoch gewählt sein, um sicherzustellen, dass die Gesamtdicke der Verbindung etwa ungefähr 12 Millimeter nicht überschreitet. Die empfohlene Härte der SPR-Nieten ist sowohl von der Festigkeit als auch von der Dicke der Werkstücke abhängig und kann eine Vickershärte von bis zu etwa 500 oder eine Zugfestigkeit von 1500 MPa aufweisen.
In Gegenwart eines wässrigen Elektrolyten werden viele dieser Materialien jedoch eine galvanische Korrosion in der Magnesiumlegierung begünstigen und sollten nicht verwendet werden. Wenn es zu einer Einwirkung korrosiver Umgebungen kommen kann, ist der Einsatz bevorzugt eine Aluminiumlegierung wie z. B. eine AA1xxx-, eine AA5xxx- oder eine AA6xxx-Legierung. Speziell bevorzugte Legierungen sind AA5052-, AA5058-, AA6061-, AA6063- und AA1xxx-Legierungen mit einem sehr niedrigen Eisengehalt. Die Verwendung von Aluminiumeinsätzen ist auch vorteilhaft bei der Befestigung des Einsatzes in dem Gussteil aus einer Magnesiumlegierung, da Magnesiumlegierungen mit Aluminium die Bildung einer metallurgischen Bindung zwischen diesen ermöglicht.
Es ist vorgesehen, dass solch ein Einsatz in Position gegossen wird. Da die zu beschreibenden Verfahren an in Position geformte Einsätze in Strukturen auf Polymerbasis angepasst werden können, kann es bevorzugt sein, die Einsätze als in Position hergestellt zu charakterisieren, um sich auf Einsätze in jedem Materialsystem zu beziehen. Der Einsatz kann in dem Gussteil durch zumindest einen mechanischen Eingriff zurückgehalten sein und kann daher Merkmale umfassen, die mit dem flüssigen Gießmetall gefüllt oder infiltriert sein können, die aber beim Erstarren des Gussteiles mechanisch mit dem Gussteil in Eingriff treten werden, um den Einsatz in Position zu halten. Ein Beispiel solch eines Einsatzes ist in Draufsicht in 6 gezeigt. Der Einsatz 50 ist allgemein scheibenförmig mit sich nach außen erstreckenden Lappen 54 und einer geformten Kante mit einer medialen Nut 52 durch die Dicke, wie am besten in 7 zu sehen. Wenn sie in ein Magnesiumgussteil 56, in 7 in fragmentarischer Schnittansicht gezeigt, gegossen sind, hindern die Lappen den Einsatz an einer Rotation und die Nut 52 verhindert das Herausziehen des Einsatzes. Es können selbstverständlich Einsätze mit anderen Draufsichtformen verwendet werden und in Einsätzen mit weniger Draufsichtsymmetrie wie z. B. Polygonen können die Lappen 54 als unnötig eliminiert sein. Es können ebenso andere Merkmale als die Nut 52 und Lappen 54 verwendet werden, um den Einsatz 50 mechanisch zurückzuhalten. Es kann z. B. ein medialer Rücken oder eine Kombination aus Nuten und Rücken verwendet werden, um das Herausziehen zu verhindern, und Schlitze oder Kerben verwendet werden, um eine Rotation zu verhindern.
Wie in 4 gezeigt, müssen die Seiten der anliegenden Werkstücke in Kontakt stehen, um eine robuste SPR-Verbindung zu bilden, sodass jegliche Einsatzfläche/n, die an der SPR-Verbindung teilhaben, nicht unter die Gussteilfläche vertieft sein dürfen. Zumindest eine der Einsatzflächen, hier die Flächenseite 58, muss zumindest koplanar mit der Gussteilfläche 62 sein, die durch die Fläche des Formabschnitts 57 definiert ist. Es ist akzeptabel, dass der Einsatz über die Gussteilfläche hinaus vorsteht, wie an der Einsatzfläche 60 und der durch die Fläche des Formabschnittes 61 definierten Gussteilfläche 64 gezeigt. Solch eine Konfiguration, die durch die Vertiefung 59 in der Fläche des Formabschnittes 61 ermöglicht ist, dient auch dazu, das Anordnen und das temporäre Zurückhalten des Einsatzes 50 in dem Formwerkzeug unter dem plötzlichen Einströmen der Metallschmelze zu erleichtern. Ohne die durch den Eingriff zwischen dem Einsatzvorsprung und der Formvertiefung 59 des Formwerkzeugabschnittes 61 verliehene Einschränkung kann sich der Einsatz 50 seitlich bewegen.
In dicken Bereichen des Gussteiles kann es unter Umständen nicht möglich sein, dem Erfordernis zu entsprechen, dass der Werkstückstapel nicht mehr als etwa 12 Millimeter ausmacht, wenn eine Einsatz mit einer der Gussteildicke entsprechenden Dicke verwendet wird. Wenn dieser Fall eintritt, kann die lokale Dicke des Gussteiles durch Einbau eines Wulstes, einer Säule oder eines Vorsprunges in einer der zueinander weisenden Formwerkzeugflächen reduziert werden. Der Einsatz kann dann positioniert werden, indem er auf dem Wulst oder der Säule angeordnet wird. Ein beispielhafter Aufbau ist in 8 gezeigt, bei dem die Fläche 58 des Einsatzes 50' mit der Unterseite 72 des oberen Formwerkzeuges 66 in Kontakt steht, sodass sie koplanar mit einer Fläche 74 des Gussteiles 56' ist (in Teilansicht gezeigt). Die Fläche 60 des Einsatzes 50' ist auf dem Wulst 70 des unteren Formwerkzeuges 68 abgestützt. Somit kann sich der dünne Einsatz 50' in dem Gussteil 56' mit einem geeignet positionierten Hohlraum für den Zutritt entweder der Nase 22 (3) oder des Formwerkzeuges 24 (3) befinden. Selbstverständlich können die gezeigten mechanischen Halterungen durch eine metallurgische Bindung durch Verwendung eines Einsatzmaterials, das mit Magnesium legiert, ersetzt werden.
Es wird einzusehen sein, dass der Einsatz 50 von 7 in der Konfiguration von 8 verwendet und robust befestigt sein kann, indem eine ähnliche Vertiefung in einem der Formwerkzeugabschnitte 66 und (bevorzugt) 68 vorgesehen wird. Ein alternatives Mittel zum Anordnen und Festmachen einer anderen Einsatzausführung ist in 11 gezeigt. Ein gepresster kreisförmiger Einsatzrohling 150 mit einer Vielzahl von (kreisförmigen) Öffnungen 152 ist in 9 gezeigt. 10 zeigt eine Schnittansicht eines Rohlings 150 nach dem Pressen, um eine gewölbte Kappe 150' mit einem abgewinkelten Kragen 154 zu erzeugen, der Öffnungen 152 umfasst. Der Kragen 154 ist derart abgewinkelt und dimensioniert, dass er eng auf den Wulst 70 passt. Wenn die Form geschlossen wird, wird der Eingriff zwischen dem Kragen 154 und dem Wulst 70 den Einsatz in Position festmachen und zurückhalten und die Metallschmelze wird in die Öffnungen 152 eindringen, um den Einsatz 150'' in dem Gussteil festzumachen.
Der schwach gewölbte oder nach innen gekrümmte Bereich des Einsatzes 150' (9) kann verwendet werden, um geringfügige Toleranzprobleme zu berücksichtigen. Ein Tafel- oder Plattenprodukt mit einer Solldicke besitzt eine gewisse zulässige Dickenschwankung. Stahlguss-Formwerkzeuge oder -Formen sind derart entworfen, dass sie minimal nachgeben, sodass ein übermäßig dicker Einsatz den Formwerkzeugschluss stören wird und ein übermäßig dünner Einsatz eine darüberliegende Schicht aus einer spröden Magnesiumlegierung aufweisen wird, was sie Qualität der Verbindung beeinträchtigen kann. Indem die Dicke des Einsatzes etwas kleiner festgelegt wird, sodass sie beispielsweise nicht mehr als 3% des Zwischenraumes (G) zwischen den Formwerkzeugen 66 und 68 beträgt, der Einsatz jedoch geringfügig gewölbt oder nach innen gekrümmt wird, wird er sich elastisch verbiegen, um die Formwerkzeugfläche 74, ohne ein vollständiges Schließen der Formwerkzeugabschnitte zu verhindern, in Kontakt mit dem Einsatz zu bringen. Es kann selbstverständlich einer ähnlichen Strategie zum Wölben eines Einsatzes mit geringfügig reduzierter Dicke für die Einsätze 50 (7) und 50' (8) gefolgt werden, wenngleich diese in ihren jeweiligen Fig. als flach gezeigt sind.
Es wird bevorzugt, dass der Einsatz, wie in den Fig. gezeigt, auf einer allgemein flachen Gussteilfläche angeordnet wird. Wenn es jedoch notwendig ist, kann der Einsatz vor dem Einsetzen in dem Formwerkzeug z. B. durch Pressen umgeformt werden, um sich allgemein einer beliebigen gewünschten zufälligen Fläche des Gussteiles anzupassen, wo das Anbringen weiterer Werkstücke erforderlich ist.
Bei der Herstellung des gegossenen Magnesiumteiles können drei in Frage kommende Gießverfahren verwendet werden. Diese sind: Sandguss unter Verwendung eines Formwerkzeuges aus verdichtetem Sand; Druckguss unter Verwendung eines wassergekühlten Stahl-Formwerkzeuges; und Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand, bei dem ebenfalls ein wassergekühltes Stahlformwerkzeug verwendet wird. Der Sandguss und der Druckguss verwenden flüssige Legierungen, die allgemein auf eine Temperatur überhitzt sind, welche höher ist als ihre Liquidus-Temperatur, während der Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand Legierungen als eine fließfähige Flüssig-Fest-Mischung bei einer niedrigeren Temperatur verwendet.
Einsätze mit einem hohen Schmelzpunkt, z. B. Stähle, Titanlegierungen und Kupferlegierungen sind mit allen drei Verfahren kompatibel. Allerdings besitzen reines Magnesium und reines Aluminium ähnliche Schmelzpunkte: 650°C für Magnesium; und 660°C für reines Aluminium (660°C), und dies kann bestimmte Magnesium-Aluminiumlegierungskombinationen brauchbarer machen als andere. Im Allgemeinen sind höherfeste Legierungen höher legiert als weniger feste Aluminiumlegierungen und diese höher legierten Legierungen besitzen typischerweise eine niedrigere Liquidus-Temperatur als weniger hoch legierte Aluminiumlegierungen.
Reine Metalle weisen eine Schmelztemperatur auf; unterhalb des Schmelzpunktes ist das Metall fest; oberhalb des Schmelzpunktes ist das Metall flüssig. Das Verhalten von Legierungen ist komplexer, da Legierungen einen Schmelzbereich aufweisen. Oberhalb der Liquidus-Temperatur ist die Legierung flüssig; unterhalb der Solidus-Temperatur ist die Legierung fest; und zwischen der Solidus- und der Liquidus-Temperatur sind Flüssigkeit und Feststoff gemeinsam vorhanden.
Bei herkömmlichen (Flüssig)-Gussverfahren wird bevorzugt, dass die Magnesiumlegierung bei einer Temperatur gehalten wird, die zumindest ihrer Liquidus-Temperatur entspricht. In der Praxis ist die Gießtemperatur der Gusslegierung, d. h., die Temperatur, bei der sie in die Form gegossen oder eingespritzt wird, üblicherweise höher als ihre Liquidus-Temperatur. Dieser Temperaturüberschuss, der über die Liquidus-Temperatur hinausgeht, oder die Überhitzungswärme, hilft dabei, sicherzustellen, dass die zuerst hineingegossene Legierung nicht vorzeitig erstarrt. Die Form weist einen Formhohlraum auf, der durch gegenüberliegende Flächen definiert ist und der die Form des fertigen Gussteiles festlegt und über zumindest einen Strömungskanal oder Zulauf zum Einbringen eines flüssigen Gussmetalls in den Formhohlraum beschickt wird. Ein vorzeitiges Verfestigen des einfließenden flüssigen Metalls wird den/die Strömungskanal/Strömungskanäle versperren, bevor der Formhohlraum gefüllt ist, und ein fehlerhaftes Teil produzieren.
Es wird bevorzugt, dass die Gießtemperatur des Gussteiles aus einer Magnesiumlegierung niedriger ist als die Solidus-Temperatur des Einsatzes, um sicherzustellen, dass der Einsatz sich nicht in der flüssigen Magnesiumlegierung auflöst. Für dünne Gussteile, insbesondere jene, die mittels Druckguss hergestellt werden, wird das schnelle Abkühlen des Gussmetalls das Schmelzen und Lösen des Einsatzes begrenzen, und so können in diesem Fall die Liquidus-Temperaturen der Gusslegierung und des Einsatzes vergleichbar sein, insbesondere wenn der Einsatz gleich dick wie oder dicker als das Gussteil ist. Ein gewisses Auflösen kann sogar dabei hilfreich sein, die Entwicklung einer metallurgischen Bindung zwischen dem Gussteil und dem Einsatz zu begünstigen, um das Zurückhalten des Einsatzes in dem Gussteil zu verbessern.
Die Schmelzpunkte von reinem Magnesium (650°C) und reinem Aluminium (660°C) sind ähnlich. Allerdings werden die Liquidus-Temperaturen der Magnesiumlegierungen auf Grund ihrer Legierungszusätze unter 650°C herabgesetzt. Wenn daher eine handelsübliche Reinalumium-Legierung für den Einsatz verwendet wird, kann diese Kombination sicherstellen, dass der Einsatz sich nicht in der Magnesiumlegierung auflöst. Die Legierungszusätze in einer AZ91-Magnesiumlegierung werden z. B. ihre Liquidus-Temperatur auf etwa 595°C herabsetzen bei einer empfohlenen Gießtemperatur zwischen 640°C und 675°C. Eine AA1050-Aluminiumlegierung (99,5 Gewichtsprozent Aluminium) besitzt eine Solidus-Temperatur von etwa 646°C; und eine AA1100-Aluminiumlegierung (99 Gewichtsprozent Aluminium) besitzt eine Solidus-Temperatur von etwa 643°C. Für die Magnesiumlegierung AM50 beträgt die Liquidus-Temperatur 620°C bei einer empfohlenen Gießtemperatur von 655°C bis 690°C.
Aluminiumlegierungen mit einem beträchtlichen Legierungszusatz besitzen niedrigere Solidus-Temperaturen, was sie inkompatibel mit einigen Magnesiumgusslegierungen machen kann. Man beachte z. B., dass die Aluminiumlegierung AA6061 (nominell 1 Gew.-% Magnesium und 0,6 Gew.-% Silizium) eine Solidus-Temperatur von 582°C besitzt, deutlich niedriger als die Liquidus-Temperatur von etwa 615°C der Magnesiumlegierung AM50.
Es können selbstverständlich Kühlkörper (in Sandgussformen) oder strategisch positionierte Kühlleitungen (in Druckguss-Formwerkzeugen) verwendet werden, um das Gussteil, zumindest in lokalen Regionen, schneller abzukühlen. Und, wenn sie benachbart des Einsatzes angeordnet sind, können diese Kühlmerkmale die Dauer der Hochtemperatureinwirkung begrenzen, welcher der Einsatz ausgesetzt ist, und das Ausmaß des Schmelzens begrenzen. Es wird jedoch einzusehen sein, dass der Zusammensetzung des Einsatzes die thermischen Eigenschaften der gegossenen Magnesiumlegierung zugrunde liegen müssen, und dass eine präzise Steuerung des Gussverfahrens erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Aluminiumeinsatz während des Gussverfahrens nicht schmilzt und sich in der Magnesiumlegierung auflöst.
Eine AA1xxx-Legierung ist eine geeignet Wahl für den Einsatz, da sie bei Raumtemperatur extrem duktil ist und daher während des SPR nicht reißen oder brechen wird. Allerdings weisen AA1xxx-Legierungen entsprechend ihrer hohen Duktilität geringere Festigkeiten auf als sie mit höher legierten Zusammensetzungen wie z. B. den mit Magnesium-Silizium legierten AA6XXX-Legierungen, z. B. AA6061, erhalten werden können. Wenn eine Verbindung mit einer höheren Festigkeit erforderlich ist, kann die Dicke des Einsatzes vergrößert werden. Wenn auf Grund von Einschränkungen bezüglich der Verbindungsdicke die Einsatzdicke nicht vergrößert werden kann, kann eine höher legierte Aluminiumlegierung verwendet werden. Wenn eine höher legierte Aluminiumlegierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt verwendet wird, kann ein alternatives Gussverfahren wie z. B der Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand verwendet werden.
Der Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand (SSM-Guss) ist ein Verfahren ähnlich dem Kunststoff-Spritzguss, bei dem eine teilweise erstarrte Magnesiumlegierung bei einer Temperatur zwischen ihrer Liquidus-Temperatur und Solidus-Temperatur in ein Formwerkzeug eingespritzt wird. Die Solidus-Temperatur ist nominell die höchste Temperatur, bei der die Legierung fest ist, wobei jegliches einsetzendes Schmelzen infolge lokaler Abtrennung unberücksichtigt bleibt. In diesem Temperaturbereich ist die Legierung teilweise erstarrt und enthält sowohl Flüssigkeit als auch Feststoff.
Das SSM-Gießen kann ausgeführt werden, wenn der Volumenanteil an Feststoffen etwa 30–65 Volumen-% beträgt. Das mechanische Scheren der teilweise erstarrten Legierung erzeugt eine fließfähige thixotrope Struktur, die es gestattet, die Legierung unter Druck in ein Formwerkzeug zu zwingen, wo sie erstarren wird. Dabei handelt es sich selbstverständlich um den akzeptablen Feststoffvolumenanteil an der weitesten Ausdehnung der Fließfront. Aus diesem Grund muss der Feststoffvolumenanteil der teilweise erstarrten Füllung, die in die Form eintritt, deutlich weniger als ungefähr 10% betragen, um die Abkühlung zu berücksichtigen, wenn die Füllung in die Form hinein fortschreitet. Da das SSM-Verfahren bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird als ein herkömmliches Gießverfahren, bietet es mehr Flexibilität bei der Wahl der Aluminiumlegierung für den Einsatz. Geeignete Magnesiumlegierungen für das Thixoformen umfassen die Legierungen AZ91 und AM50. Eine geeignete SSM-Temperatur für AM50 kann zwischen etwa 614°C und 620°C liegen, was vergleichbar mit der Verwendung eines AA6061-Einsatzes ist.
Die Kompatibilität verschiedener Magnesiumgusslegierungen und möglicher Aluminiumeinsatzlegierungen ist in Tabelle 1 angegeben. Für jede der Magnesiumlegierungen ist der bevorzugte Gießtemperaturbereich aufgelistet – für eine AZ91-Legierung liegt sie beispielweise im Bereich von 640°C bis 675°C. Für die Aluminiumlegierungen sind der Solidus und der Liquidus (Solidus/Liquidus) aufgelistet, sodass für die AA1050-Legierung der Solidus 646°C beträgt und der Liquidus 657°C beträgt. Kombinationen aus Magnesiumlegierungen und Aluminiumlegierungen, für die zumindest ein Abschnitt des Gießtemperaturbereiches (der Magnesiumlegierung) kleiner als der oder vergleichbar mit dem Liquidus-Temperaturbereich der Aluminiumlegierung ist, sind mit dem Symbol „?” gekennzeichnet. Diese Kombinationen können brauchbar sein, selbst wenn keine aggressiven Abkühlstrategien vorhanden sind, die vorgesehen sind, um die Zeit zu minimieren, in der die Aluminiumlegierung diesen erhöhten Gießtemperaturen ausgesetzt ist. Kombinationen, bei denen die Gießtemperaturbereiche (der Magnesiumlegierung) über dem Liquidus-Temperaturbereich der Aluminiumlegierung liegen, sind mit dem Symbol „x” gekennzeichnet. Diese Kombinationen können brauchbar sein, werden aber ein aggressives Abkühlen erfordern.
Die Kompatibilität verschiedener Magnesiumgusslegierungen für den Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand und möglicher Aluminiumeinsatzlegierungen ist in Tabelle 2 angegeben. Für jede der Magnesiumlegierungen ist der SSM-Temperaturbereich aufgelistet – für eine AZ91-Legierung liegt sie beispielweise im Bereich von 590°C bis 600°C. Wie in Tabelle 1, sind der Solidus und der Liquidus (Solidus/Liquidus) für die Aluminiumlegierungen aufgelistet. Kombinationen aus Magnesiumlegierungen und Aluminiumlegierungen, für die der SSM-Temperaturbereich (der Magnesiumlegierung), wie in das Formwerkzeug eingeleitet, unter der Solidus-Temperatur der Aluminiumlegierung liegt, sind mit dem Symbol „✓” gekennzeichnet. Kombinationen aus Magnesiumlegierungen und Aluminiumlegierungen, für die der SSM-Temperaturbereich (der Magnesiumlegierung), wie in das Formwerkzeug eingeleitet, unter der Solidus-Temperatur der Aluminiumlegierung liegt, sind mit dem Symbol „x” gekennzeichnet. Selbstverständlich werden Einsätze, die von dem Formwerkzeugzulaufeingang beabstandet sind, auf die teilweise erstarrte Legierung treffen, nachdem eine gewisse Abkühlung der Füllung stattgefunden hat, und die Füllung kann unter der Solidus-Temperatur des Einsatzes liegen. Tabelle 1
Tabelle 2
Fachleute werden einsehen, dass wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit Gussteilen aus einer Magnesiumlegierung beschrieben wurde, diese Beschreibung exemplarisch und nicht einschränkend ist. Es ist verständlich, dass die Methoden der Erfindung auf andere Gussmaterialien, sowohl eisenhaltige als auch nicht-eisenhaltige anwendbar sind. Einige Aluminiumgusslegierungen wie etwa jene, die mit 5 Gewichts-% oder mehr Silizium legiert sind, z. B. A356 (6,5–7,5 Gewichts-% Silizium) oder A319 (5,5 bis 6,5 Gewichts-% Silizium) weisen beispielsweise eine sehr begrenzte Duktilität auf und wären zum SPR-Fügen im Gusszustand ungeeignet. Der Einbau des duktilen Einsatzes in solch einem Gussteil anschließend an die soeben beschriebenen Methoden würde aber deren Einbeziehung in ein SPR-Fügeverfahren ermöglichen. Das Verfahren ist ebenso ohne weiteres zum Gießen von Eisengussteilen geeignet, die aus weißem Gusseisen, Grauguss, verdichtetem Grauguss oder duktilem Eisen hergestellt werden können.
Auch sind die Formgebungsverfahren, die bei der Herstellung von Polymerstrukturen und Strukturen aus einem verstärkten Polymer jenen ähnlich, die beim Gießen, insbesondere beim Druckguss und beim Druckguss mit einem Metall in teilerstarrtem Zustand verwendet werden. Somit können die beschriebenen Methoden und Prozeduren ohne weiteres angepasst werden, um in Position geformte, oder, allgemeiner, in Position gefertigte, duktile Einsätze in Formpolymerstrukturen und solchen aus einem verstärkten Polymer mit reduzierter Duktilität und einheitlichen Körpern einzubauen.
Die bereits erläuterten Einsatzmaterialien können auch in einheitlichen Strukturen aus einem verstärkten Polymer verwendet werden. Es können aber auch andere in Frage kommende Materialien in Erwägung gezogen werden, da keine Probleme bezüglich galvanischer Korrosion der Wahl von Einsatzmaterialien in einem verstärkten Polymer-Verbundstoff zugrunde liegen.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, sollen diese den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.

Claims

Verfahren zum Fügen einer ersten Fügefläche eines ersten Teiles an eine erste Fügefläche eines zweiten Teiles an einem Fügebereich mit einem Stanzniet, wobei das erste Teil an dem Fügebereich einen in Position hergestellten Einsatz aus einem duktilen Metall aufweist, wobei der Einsatz passend duktil ist, um von einem Stanzniet durchdrungen und verformt zu werden, um so eine genietete Verbindung zu bilden, wobei das zweite Teil eine zweite Fläche aufweist, die seiner ersten Fläche gegenüberliegt, um eine genietete Verbindung zu bilden, und der in Position hergestellte Einsatz eine erste Fläche an der ersten Fügefläche des ersten Teiles und eine zweite Fläche aufweist, die der ersten Fläche gegenüberliegt, um die genietete Verbindung zu bilden, wobei die erste Fläche und die zweite Fläche des Einsatzes die erste und die zweite Fügefläche des ersten Teiles in dem Fügebereich sind; wobei der Stanzniet einen hohlen zylindrischen Körper mit einem geschlossenen Ende, einem offenen Ende und einem Außendurchmesser aufweist, wobei das geschlossene Ende des Niets mit einer Kappe geschlossen ist, die einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des Körpers aufweist; wobei das Verfahren umfasst, dass: das zweite Teil und das erste Teil mit der ersten Fläche des Fügeflächenbereiches des zweiten Teiles in einem Fläche-an-Fläche-Kontakt mit der ersten Fläche des ersten Teiles zusammengesetzt werden; und das offene Ende eines Stanzniets an dem Fügeflächenbereich in die zweite Fläche eines der Teile getrieben wird, während die zweite Fläche des anderen Teiles abgestützt wird, sodass der Niet durch eines der Teile hindurch und in das andere Teil hinein getrieben wird, sodass die Kappe des Niets in Eingriff mit der darunter liegenden zweiten Fläche eines der Teile getrieben wird und das offene Ende des Niets diametral in dem anderen Teil erweitert wird, um die Teile an dem Fügebereich zu fügen.
Verfahren zum Fügen einer ersten Fügefläche eines ersten Teiles an eine erste Fügefläche eines zweiten Teiles an einem Fügebereich mit einem Stanzniet nach Anspruch 1, wobei der in Position hergestellte duktile Einsatz Merkmale zum mechanischen Eingriff mit dem Teil beinhaltet, um den Einsatz an dem Teil zu befestigen.
Verfahren zum Fügen einer ersten Fügefläche eines ersten Teiles an eine erste Fügefläche eines zweiten Teiles an einem Fügebereich mit einem Stanzniet nach Anspruch 2, wobei zumindest eine Fläche des in Position hergestellten duktilen Einsatzes über jenen Abschnitt der ersten Fläche des ersten Teiles hinausragt, der an dem Fügebereich anliegt.
Verfahren zum Fügen einer ersten Fügefläche eines ersten Teiles an eine erste Fügefläche eines zweiten Teiles an einem Fügebereich mit einem Stanzniet nach Anspruch 1, wobei der in Position hergestellte duktile Einsatz einer aus der Gruppe ist, die aus den Aluminiumlegierungen AA1050, AA1100, AA5052, AA5056, AA6061 und AA6063 besteht.
Teil mit zumindest einer Fläche, die geeignet ist, in dem Teil eine rissfreie, stanzgenietete Verbindung (SPR-Verbindung) zum Fügen des Teiles mit zumindest einem zweiten Teil in einem Fügebereich des Teiles zu bilden: wobei das Teil einen großflächigen, in Position hergestellten Einsatz umfasst, wobei der Einsatz ein passend duktiles Metall ist, um von dem Stanzniet durchdrungen und verformt zu werden, um so eine gestanzte Verbindung zu bilden, wobei der Einsatz einen Umfang aufweist und an dem Fügebereich in dem Teil positioniert ist, um einen SPR-Niet aufzunehmen.
Teil nach Anspruch 5, wobei das Teil ein verstärktes Polymer ist.
Teil nach Anspruch 5, wobei das Teil eine Magnesiumgusslegierung ist, die aus einer aus der Gruppe gewählt ist, welche aus AZ91, AM60 und AM50 besteht.
Verfahren zum Einrichten eines Gieß- oder Formprozesses zur Erzeugung eines Gussteiles oder Formteiles, um einen Stanzniet aufzunehmen und dadurch eine Verbindung zum Anbringen des Gussteiles an einem Werkstück zu bilden, wobei das Gussteil oder der Formteil in einem Formhohlraum mit gegenüberliegenden Flächen gebildet und im Inneren einer Form angeordnet wird; wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Einsatz aus einem duktilen Metall mit einer Solidustemperatur und zwei gegenüberliegenden Flächen in den Formhohlraum hinein positioniert wird, wobei jede der gegenüberliegenden Einsatzflächen mit einer der gegenüberliegenden Formhohlraumflächen in Kontakt steht, wobei der Einsatz Merkmale zum mechanischen Eingriff mit dem Gussteil aufweist, um den Einsatz an dem Gussteil zu befestigen; und der Formhohlraum mit einer fließfähigen Gusslegierung oder einem formbaren Polymermaterial bei einer Temperatur gefüllt wird, die niedriger ist als die Solidustemperatur des Einsatzes; und die Gusslegierung oder das formbare Polymermaterial auf etwa Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren zum Anpassen eines Gießprozesses zur Erzeugung eines Gussteiles zur Aufnahme zumindest eines Stanzniets nach Anspruch 8, wobei das Gussteil aus einer Magnesiumlegierung hergestellt ist, welche zumindest 85 Gew.-% Magnesium umfasst, und die Legierung eine aus der Gruppe ist, welche aus AZ91, AM60 und AM50 besteht.
Verfahren zum Anpassen eines Gießprozesses zur Erzeugung eines Gussteiles, das aus einer Magnesiumlegierung hergestellt ist, welche zumindest 85 Gew.-% Magnesium umfasst, zur Aufnahme zumindest eines Stanzniets nach Anspruch 9, wobei die fließfähige Magnesiumgusslegierung Festkörper umfasst, die in einer Flüssigkeit gelöst sind.