DE102014213150A1

DE102014213150A1 - Fügeelement mit DLC-Beschichtung und damit hergestellter Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102014213150A1
Application number: DE102014213150.2A
Authority: DE
Inventors: Philipp Wiethop; Erk Wiese
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügeelement (100) zur Herstellung einer form- und kraftschlüssigen Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen (210, 220), welches einstückig aus einem Metallwerkstoff gebildet ist und einen Schaftabschnitt (110) und einen Kopfabschnitt (120) aufweist. Erfindungsgemäß ist dieses Fügeelement (100) mit einer elektrisch isolierenden DLC-Beschichtung (130) versehen. Die Erfindung betrifft ferner einen hiermit hergestellten Bauteilverbund (200).

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Fügeelement zur Herstellung einer form- und kraftschlüssigen Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, mit einem Schaftabschnitt und einem Kopfabschnitt.
Die Erfindung betrifft ferner einen Bauteilverbund mit wenigstens zwei Bauteilen, die an wenigstens einer Fügestelle mit einem solchen Fügeelement form- und kraftschlüssig gefügt sind.
Fügeelemente der betreffenden Art und damit hergestellte Bauteilverbunde sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, Fügeelemente mit einer korrosionshemmenden Beschichtung zu versehen.
Zum Stand der Technik wird auf die DE 10 2011 109 815 A1 hingewiesen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten korrosionshemmenden Beschichtungen bei Fügeelementen (bspw. auf Zink- und/oder Nickelbasis) weisen nur eine geringe mechanische und/oder thermische Stabilität auf. Beim Setzen eines Fügeelements kann dessen Beschichtung beschädigt werden, so dass in der Folge die vorgesehene Schutzfunktion beeinträchtigt ist. Ferner kann es beim Fügen unedlerer Materialien zu unerwünschten Kontaktkorrosionserscheinungen kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeelement betreffender Art anzugeben, mit dem wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermieden oder zumindest verringert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Fügeelement entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Fügeelement hergestellten Bauteilverbund. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Das erfindungsgemäße Fügeelement zur Herstellung einer form- und kraftschlüssigen Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen bzw. Werkstücken ist einstückig aus einem Metallwerkstoff, insbesondere einem Stahlwerkstoff, gebildet und weist einen Schaftabschnitt und einen, bevorzugt in radialer Richtung den Schaftabschnitt überragenden, Kopfabschnitt auf. Erfindungsgemäß ist dieses Fügeelement mit einer elektrisch isolierenden DLC-Beschichtung versehen.
Eine DLC-Schicht bzw. -beschichtung ist eine amorph aufgebaute Kohlenstoffschicht, die in sich Eigenschaften des Graphits und des Diamanten vereint. Die Abkürzung DLC steht für Diamond Like Carbon. Eine DLC-Schicht bzw. -beschichtung ist also eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht. DLC-Beschichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bislang werden DLC-Beschichtungen jedoch nicht für den erfindungsgemäßen Zweck (nämlich Bereitstellung einer Fügeelementbeschichtung die, neben möglichen weiteren Funktionen, elektrisch isolierend wirkt) verwendet.
Die DLC-Beschichtung am erfindungsgemäßen Fügeelement ist metallfrei bzw. frei von metallischen Zusätzen. Bevorzugt besteht die DLC-Beschichtung des erfindungsgemäßen Fügeelements nur aus Kohlenstoff (so genannte C-DLC-Beschichtung bzw. -schicht) und zeichnet sich sowohl durch eine mechanische Stabilität bzw. Belastbarkeit (womit insbesondere eine hohe Abriebfestigkeit und, trotz hoher Härte, eine gute Verformbarkeit bzw. Duktilität gemeint ist) als auch durch eine thermische Stabilität bzw. Belastbarkeit aus. Das erfindungsgemäße Fügeelement eignet sich somit insbesondere für Fügevorgänge, bei denen die Fügeelementoberfläche stark mechanisch und/oder thermisch belastet wird, wie bspw. bei der Herstellung einer vorlochfreien Fügeverbindung (hierzu gehören insbesondere auch FDS-Schraubverbindungen).
Die DLC-Beschichtung am erfindungsgemäßen Fügeelement ist ferner elektrisch isolierend, um Kontaktkorrosionserscheinungen zwischen dem Fügeelement und den gefügten Bauteilen zu vermeiden. Die DLC-Beschichtung am erfindungsgemäßen Fügeelement ist also sowohl Schutz- als auch Funktionsschicht.
Die DLC-Beschichtung wird bspw. durch Aufdampfen (bspw. im PVD- oder CVD-Verfahren) oder einem ähnlichen Verfahren auf das metallische Fügeelement aufgebracht. Die mechanischen Eigenschaften des Fügeelements, insbesondere im Hinblick auf den Fügeprozess, werden hierdurch im Wesentlichen nicht beeinflusst. Das erfindungsgemäße Fügeelement verhält sich, trotz der DLC-Beschichtung und den dadurch veränderten tribologischen Eigenschaften, beim Fügeprozess (und auch danach) weitgehend wie ein gewöhnliches Fügeelement bzw. Standardfügeelement und wird dementsprechend belastet und gegebenenfalls verformt.
Bevorzugt wird/ist die DLC-Beschichtung vollflächig aufgebracht. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die DLC-Beschichtung nur teilflächig bzw. abschnittsweise aufgebracht wird/ist, wobei insbesondere die Kopfoberseite des Kopfabschnitts ohne Beschichtung bleiben kann. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist nur der Schaftabschnitt und gegebenenfalls noch die Unterseite des Kopfabschnitts mit einer DLC-Beschichtung versehen.
Die DLC-Beschichtung des erfindungsgemäßen Fügeelements kann eine Schichtdicke von 1 nm bis 10 μm aufweisen. Bevorzugt ist die DLC-Beschichtung mit einer gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet.
Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Fügeelement um ein Nietelement, insbesondere Stanznietelement (bspw. Vollstanzniet oder Halbhohlstanzniet), oder um eine Schraube, insbesondere FDS-Schraube.
Ein erfindungsgemäßer Bauteilverbund umfasst wenigstens zwei Bauteile bzw. Werkstücke, die an wenigstens einer Fügestelle mit einem erfindungsgemäßen Fügeelement form- und kraftschlüssig gefügt sind. Bei den Bauteilen kann es sich um blechartige Bauteile handeln. Ebenso kann es sich um Profilbauteile, Gussbauteile oder sonstige Bauteile handeln. Bevorzugt ist wenigstens eines der Bauteile vorlochfrei gefügt, d. h. das betreffende Bauteil weist an der Fügestelle keine vorab eingebrachte Bohrung oder Lochung auf. Die Bauteile können an der Fügestelle aneinander anliegen und zusätzlich miteinander verklebt sein (so genanntes Hybridfügen). Bevorzugt sind alle Bauteile vorlochfrei gefügt.
Bevorzugt ist wenigstens eines der Bauteile aus einem Magnesiumwerkstoff bzw. -material gebildet. Besonders bevorzugt ist das Fügeelement aus einem Stahlwerkstoff gebildet. Da Magnesium, im Gegensatz zu Aluminium, keine schützende Oxidschicht ausbildet, würde es zu einer Korrosion an den Berührungsstellen mit dem Fügeelement kommen, was durch die erfindungsgemäße DLC-Beschichtung verhindert wird. Bei einem Fügeelement mit einer herkömmlichen Zink- und/oder Nickelbeschichtung, wobei diese Beschichtung als Korrosionsschutzschicht das Fügeelement schützen soll, würde das Magnesiumbauteil korrodieren, da das Magnesium unedler ist. Die DLC-Beschichtung (bzw. C-DLC-Beschichtung) des erfindungsgemäßen Fügeelements wirkt elektrisch isolierend, wodurch der Elektronenaustausch zwischen dem Magnesiumbauteil und dem Fügeelement behindert ist und somit einer Korrosion am Magnesiumbauteil entgegengewirkt wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Magnesiumbauteil um ein Blechbauteil oder ein Druckgussbauteil. Bevorzugt ist wenigstens ein weiteres Bauteil des erfindungsgemäßen Bauteilverbunds aus einem Stahlwerkstoff gebildet.
Wenigstens eines der Bauteile kann auch aus einem CFK-Werkstoff gebildet sein. Die DLC-Beschichtung des erfindungsgemäßen Fügeelements verhindert eine Kontaktkorrosion mit offenen Faserenden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
1 zeigt in einer Schnittansicht ein erfindungsgemäßes Fügeelement.
2 zeigt ausschnittsweise in einer Schnittansicht einen mit dem erfindungsgemäßen Fügeelement der 1 hergestellten Bauteilverbund.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fügeelement 100, das einstückig (d. h. in einem Stück) aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist. Das rotationssymmetrische Fügeelement 100 weist einen Schaftabschnitt 110 und einen Kopfabschnitt 120 auf. Der Kopfabschnitt 120 überragt in radialer Richtung den Schaftabschnitt 110 und ist als Flachkopf ausgebildet. Bei dem gezeigten Fügeelement 100 handelt es sich beispielhaft um einen Vollstanzniet. Erfindungsgemäß ist das Fügeelement bzw. der Vollstanzniet 100 mit einer elektrisch isolierenden DLC-Beschichtung 130 versehen.
2 zeigt einen Bauteilverbund 200 mit einem ersten oberen Bauteil 210 und einem zweiten unteren Bauteil 220. Bei dem oberen Bauteil 210 handelt es sich beispielhaft um ein Stahlblechbauteil und bei dem unteren Bauteil 220 handelt es sich beispielhaft um ein Magnesiumblechbauteil. Bei dem Bauteilverbund 200 handelt es sich demnach um einen so genannten Mischverbund. Die Bauteile 210 und 220 sind an der gezeigten Fügestelle durch das Fügeelement 100 form- und kraftschlüssig gefügt und zusätzlich mittels Klebstoff 230 flächig verklebt und damit auch stoffschlüssig gefügt. Die DLC-Beschichtung 130 des Fügeelements 100 verhindert Kontaktkorrosionserscheinungen zwischen dem Fügeelementschaft 110 und dem Magnesiumbauteil 220. Der als Isolierschicht wirkende Klebstoff 230 verhindert ferner Kontaktkorrosionserscheinungen zwischen den aneinander anliegenden Bauteilen 210 und 220.
Zum Herstellen der gezeigten Fügeverbindung wird das Fügeelement 100 an der Fügestelle mittels geeignetem Werkzeug (bspw. mittels Stempel und gegenüberliegender Matrize) ohne Vorlochen durch die beiden Bauteile 210 und 220 hindurchgetrieben und fußseitig verformt. Dieser Vorgang wird auch als Setzvorgang bezeichnet. Die DLC-Beschichtung 130 weist eine ausreichende Abriebfestigkeit und Verformbarkeit auf, so dass diese beim Setzen des Fügeelements 100 nicht beschädigt wird. Ferner kann die DLC-Beschichtung 130 beim Setzen eine Reibungsreduzierung bewirken.
Analog zu den vorausgehenden Erläuterungen kann es sich bei dem Fügeelement 100 auch um einen Halbhohlstanzniet, einen Blindniet, eine FDS-Schraube oder dergleichen handeln.
Bezugszeichenliste

100: Fügeelement
110: Schaftabschnitt
120: Kopfabschnitt
130: DLC-Beschichtung
200: Bauteilverbund
210: erstes, oberes Bauteil
220: zweites, unteres Bauteil
230: Klebstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011109815 A1 [0004]

Claims

Fügeelement (100) zur Herstellung einer form- und kraftschlüssigen Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen (210, 220), welches einstückig aus einem Metallwerkstoff gebildet ist und einen Schaftabschnitt (110) und einen Kopfabschnitt (120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer elektrisch isolierenden DLC-Beschichtung (130) versehen ist.
Fügeelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Beschichtung (130) vollflächig aufgebracht ist.
Fügeelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Beschichtung (130) nur teilflächig aufgebracht ist.
Fügeelement (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Beschichtung (130) eine Schichtdicke von 1 nm bis 10 μm aufweist.
Fügeelement (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Nietelement, insbesondere Stanznietelement, oder Schraube, insbesondere FDS-Schraube, ausgebildet ist.
Bauteilverbund (200) mit wenigstens zwei Bauteilen (210, 220), die an wenigstens einer Fügestelle mit einem Fügeelement (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche form- und kraftschlüssig gefügt sind.
Bauteilverbund (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (210, 220) an der Fügestelle vorlochfrei gefügt sind.
Bauteilverbund (200) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (210, 220) an der Fügestelle aneinander anliegen und insbesondere auch miteinander verklebt sind.
Bauteilverbund (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Bauteile (210; 220) aus einem Magnesiumwerkstoff gebildet ist.
Bauteilverbund (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Bauteile (210; 220) aus einem CFK-Werkstoff gebildet ist.