DE102014216790A1

DE102014216790A1 - Method for producing a connecting element and connecting element and CFRP component with such a connecting element

Info

Publication number: DE102014216790A1
Application number: DE102014216790.6A
Authority: DE
Inventors: Helene Pramschüfer; Berthold von Großmann
Original assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH; Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-02-25

Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube aus einem metallischen Grundwerkstoff, auf dem eine Beschichtung (12) aus einem metallischen Schutzwerkstoff aufgebracht ist. Hierfür wird ein Rohling (4, 6) aus dem metallischen Grundwerkstoff bereitgestellt, auf den die Beschichtung (12) aus dem metallischen Schutzwerkstoff aufgebracht ist. Anschließend wird der beschichtete Rohling (4) zu einer gewünschten Endgeometrie umgeformt.The method is used to produce a connecting element (16), in particular a screw made of a metallic base material, on which a coating (12) made of a metallic protective material is applied. For this purpose, a blank (4, 6) made of the metallic base material is provided, on which the coating (12) of the metallic protective material is applied. Subsequently, the coated blank (4) is converted to a desired final geometry.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, insbesondere eine Schraube, aus einem metallischen Grundwerkstoff, auf dem eine Beschichtung aus einem metallischen Schutzwerkstoff aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein derartiges Verbindungselement sowie ein CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement. The invention relates to a method for producing a connecting element, in particular a screw, made of a metallic base material, on which a coating of a metallic protective material is applied. The invention further relates to such a connecting element and a CFRP component with such a connecting element.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind hervorragende Leichtbauwerkstoffe, die aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zunehmend auch im Fahrzeugbau und im klassischen Maschinenbau eingesetzt werden. Eine besondere technische Herausforderung ist dabei die Anwendung einer geeigneten Verbindungstechnologie für derartige CFK-Bauteile untereinander oder auch mit Bauteilen aus anderen Materialien. Beim Einsatz von Befestigungs- oder Verbindungselementen wie Schrauben und Nieten aus einem metallischen Werkstoff kann es bei Kontakt des Verbindungselements zu den elektrisch leitenden Kohlenstofffasern zu einer Kontaktkorrosion kommen. Aufgrund des relativ edlen elektrochemischen Charakters des Kohlenstoffs kann es bei einer ungünstigen Potenzialdifferenz zu einer anodischen Auflösung des metallischen Verbindungselements kommen. Insbesondere Befestigungs- oder Verbindungselemente aus den üblichen Werkstoffen wie Aluminium und Vergütungstähle werden dann aufgrund der Kontaktkorrosion angegriffen. Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are excellent lightweight materials that are increasingly being used in vehicle construction and classic mechanical engineering due to their high specific strength and rigidity. A particular technical challenge is the application of a suitable connection technology for such CFRP components with each other or with components made of other materials. When using fasteners or fasteners such as screws and rivets made of a metallic material, there may be contact corrosion on contact of the connecting element to the electrically conductive carbon fibers. Due to the relatively noble electrochemical character of the carbon, an unfavorable potential difference can lead to an anodic dissolution of the metallic connecting element. In particular fasteners or fasteners made of the usual materials such as aluminum and tempering steels are then attacked due to the contact corrosion.

Die DE 10 2007 003 276 B4 befasst sich mit einem solchen Problem der Verbindung eines CFK-Bauteils mit einem Metallbauteil mit Hilfe eines Verbindungselementes. Um eine Kontaktkorrosion des Verbindungselementes zu verhindern, sind diese aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Daneben bestehen sie auch aus Titan oder einer Titanlegierung oder anderen Werkstoffen, die in der galvanischen Spannungsreihe neutral gegenüber Metall und CFK-Werkstoffen sind. Bei den Verbindungselementen handelt es sich dabei um Nieten, Bolzen, Stifte oder auch Schrauben. The DE 10 2007 003 276 B4 deals with such a problem of the connection of a CFRP component with a metal component by means of a connecting element. In order to prevent contact corrosion of the connecting element, these are made of a non-conductive material, for example of a fiber-reinforced plastic. In addition, they also consist of titanium or a titanium alloy or other materials that are neutral in the galvanic voltage series to metal and CFRP materials. The fasteners are rivets, bolts, pins or screws.

Die Verwendung von Vollmetall-Verbindungselementen aus Titan ist vergleichsweise teuer. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, mit Titan beschichtete Verbindungselemente vorzusehen. So ist beispielsweise aus der JP 03261405 A ein Band zu entnehmen, auf dem beispielsweise eine Titanbeschichtung als Korrosion- und Verschleißschutz angebracht ist. The use of titanium full metal fasteners is relatively expensive. In principle, it is also possible to provide titanium-coated fasteners. For example, from the JP 03261405 A To remove a tape on which, for example, a titanium coating is applied as corrosion and wear protection.

Aus der JP 2001214915 A ist weiterhin eine selbstfurchende Schraube zu entnehmen, die aus Aluminium besteht, auf der eine nickelhaltige Hartbeschichtung aufgebracht ist. In ähnlicher Weise ist auch aus der JP 11210728 A eine Aluminiumschraube mit einer aufgebrachten Nickel-Beschichtung zu entnehmen. From the JP 2001214915 A Furthermore, it can be seen a self-tapping screw, which consists of aluminum, on which a nickel-containing hard coating is applied. In a similar way is also from the JP 11210728 A remove an aluminum screw with an applied nickel coating.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Befestigungs- oder Verbindungselement insbesondere für CFK-Bauteile anzugeben. Proceeding from this, the object of the invention is to specify an improved fastening or connecting element, in particular for CFRP components.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Befestigungs- oder Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein CFK-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14 mit einem derartigen Verbindungselement. The object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1, a fastening or connecting element with the features of claim 11 and by a CFRP component having the features of claim 14 with such a connecting element.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die im Hinblick auf das Verfahren nachfolgend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungsvarianten sind sinngemäß auch auf das Verbindungselement als solches zu übertragen. Preferred embodiments can be found in the dependent claims. The advantages and preferred embodiments mentioned below with regard to the method are to be transferred analogously to the connecting element as such.

Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um Nieten oder auch um sogenannte technische Federn, mit deren Hilfe zumindest mittelbar Bauteile miteinander verbunden werden. Insbesondere im Falle von Schrauben und Nieten handelt es sich um bolzenförmige Verbindungselemente. The connecting element is in particular a screw, but is not limited thereto. Alternatively, the connecting element is also a rivet or so-called technical spring, with the aid of which at least indirectly components are connected to one another. In particular, in the case of screws and rivets are bolt-shaped fasteners.

Die erfindungsgemäßen Verbindungselemente werden vorzugsweise zur Verbindung von CFK-Bauteilen untereinander oder an Bauteilen aus anderen Werkstoffen eingesetzt, vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich. The connecting elements according to the invention are preferably used for connecting CFRP components to one another or to components made of other materials, preferably in the motor vehicle sector.

Zur Herstellung des Verbindungselements wird zunächst ein Rohling, insbesondere ein Rohdraht, also ein strangförmiges Element aus einem metallischen Grundwerkstoff bereit gestellt. Auf den Rohling wird eine Beschichtung aus einem metallischen Schutzwerkstoff aufgebracht und anschließend wird der derart beschichtete Rohling zu einer gewünschten Endgeometrie des Verbindungselementes umgeformt. Die Beschichtung bildet eine äußere Schutzschicht des Verbindungselements. To produce the connecting element, a blank, in particular a raw wire, that is to say a strand-shaped element made of a metallic base material, is first provided. On the blank, a coating of a metallic protective material is applied and then the thus coated blank is formed into a desired final geometry of the connecting element. The coating forms an outer protective layer of the connecting element.

Bei dem Rohling handelt es sich insbesondere um ein bolzenförmiges Element, das bevorzugt durch Ablängen eine Rohdrahtes erhalten wird. Auf diesen Rohling wird gemäß einer ersten Variante die Beschichtung aufgebracht. Alternativ wird bereits der Rohdraht mit einer Beschichtung versehen und erst danach wird der Rohling durch Ablängen bereitgestellt. The blank is in particular a bolt-shaped element, which is preferably obtained by cutting a raw wire to length. On this blank, the coating is applied according to a first variant. Alternatively, the raw wire is already provided with a coating and only then is the blank provided by cutting to length.

Im Unterschied zu herkömmlich beschichteten Verbindungselementen erfolgt die Beschichtung vor einem Umformvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie. Bei herkömmlich beschichteten Verbindungselementen erfolgt die Beschichtung nämlich erst nach Ausbildung der Endgeometrie des Verbindungselements. Hierbei können jedoch Probleme mit dem Aufbringen der Beschichtung auftreten. Insbesondere bei dünnen Beschichtungen besteht die Gefahr einer nicht vollständig geschlossenen Schicht, sodass unter Umständen trotz Beschichtung die Gefahr einer Kontaktkorrosion besteht. In contrast to conventionally coated fasteners, the coating takes place before a forming process to form the final geometry. In conventionally coated fasteners, the coating is namely only after the formation of the final geometry of the connecting element. However, problems with the application of the coating can occur here. Especially with thin coatings, there is a risk of a layer that is not completely closed, so that under certain circumstances there is a risk of contact corrosion despite the coating.

Dem gegenüber wird durch das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem erreicht, dass aufgrund der üblicherweise einfacheren Geometrie des Rohlings im Vergleich zu dem endumgeformten Verbindungselement das Beschichten vereinfacht ist und ein homogener, geschlossener Überzug auch bei nur dünnen Schichtdicken zuverlässig ausgebildet werden kann. Daneben ist von besonderer Bedeutung, dass durch die Umformung zur Endgeometrie auch die Beschichtung umgeformt und entsprechend einer mechanischen Kompression unterworfen ist. Dies führt insgesamt zu einer Verfestigung und Verdichtung der Beschichtung, sodass die gesamte Schicht dichter und auch homogener wird. Eventuell vorhandene Poren nach dem Aufbringen der Beschichtung werden daher durch den Umformprozess geschlossen. In contrast, it is achieved by the method according to the invention, inter alia, that due to the usually simpler geometry of the blank compared to the endumgeformten connecting element coating is simplified and a homogeneous, closed coating can be reliably formed even with only thin layer thicknesses. In addition, it is of particular importance that the reshaping of the final geometry also reshapes the coating and subjects it to mechanical compression. This leads to an overall hardening and densification of the coating, so that the entire layer becomes denser and also more homogeneous. Possibly existing pores after the application of the coating are therefore closed by the forming process.

Bei dem Grundwerkstoff handelt es sich dabei insbesondere um einen aushärtbaren Werkstoff, insbesondere aus Leichtmetall. Speziell handelt es sich bei dem Grundwerkstoff um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung. Derartige Leichtmetall-Bauteile werden insbesondere im Kraftfahrzeugbereich oder allgemein im Leichtbau aus Gewichtsgründen eingesetzt. Gleichzeitig bleiben die gewünschten metallischen Eigenschaften wie insbesondere eine ausreichende Duktilität erhalten. The base material is in particular a curable material, in particular of light metal. Specifically, the base material is aluminum or an aluminum alloy. Such light metal components are used in particular in the automotive sector or generally in lightweight for weight reasons. At the same time, the desired metallic properties, in particular sufficient ductility, are retained.

Alternativ zu der Verwendung von Aluminium als Grundwerkstoff lassen sich grundsätzlich auch andere Werkstoffe wie beispielsweise auch Stahl oder allgemein eine Eisenlegierung verwenden. Vorzugsweise wird jedoch ein Leichtbau-Werkstoff, insbesondere Aluminium verwendet. As an alternative to the use of aluminum as the base material, it is also possible to use other materials, such as, for example, steel or, in general, an iron alloy. Preferably, however, a lightweight material, in particular aluminum is used.

Verbindungselemente, insbesondere auch aus Aluminium, werden üblicherweise einer Wärmebehandlung, insbesondere einer Härtung unterzogen, um eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, so dass über das Verbindungselement hohe Befestigungskräfte aufgebracht werden können. Zweckdienlicherweise ist nunmehr vorgesehen, dass eine solche Wärmebehandlung, insbesondere Härtung, vor dem Aufbringen der Beschichtung erfolgt. Vorzugsweise ist nach dem Aufbringen der Beschichtung keinerlei weitere Wärmebehandlung, insbesondere keine Härtung vorgesehen. Fasteners, in particular also of aluminum, are usually subjected to a heat treatment, in particular a hardening, in order to achieve sufficient strength so that high fastening forces can be applied via the connecting element. It is expediently now provided that such a heat treatment, in particular curing, takes place before the application of the coating. Preferably, after the application of the coating, no further heat treatment, in particular no curing, is provided.

Unter aushärtbarer Werkstoff wird allgemein ein Werkstoff verstanden, welcher durch eine spezielle Wärmebehandlung in eine andere Werkstoffmodifikation/Form mit veränderten Eigenschaften, insbesondere einer größeren Härte überführbar ist. Durch die Wärmebehandlung vor Aufbringen der Beschichtung wird eine negative Beeinflussung der Eigenschaften der Beschichtung nach deren Aufbringen durch die Wärmebehandlung vermieden. Gleichzeitig wird durch die nach der Wärmebehandlung noch folgende Umformung eine weitere Kaltverfestigung des bereits ausgehärteten Rohlings erzielt, sodass insgesamt sehr hohe (Zug-)Festigkeiten bei gleichzeitig dichter Beschichtung erreicht sind. A curable material is generally understood to mean a material which can be converted by a special heat treatment into another material modification / shape with altered properties, in particular a greater hardness. By the heat treatment before application of the coating, a negative influence on the properties of the coating after its application by the heat treatment is avoided. At the same time, a further work hardening of the already hardened blank is achieved by the subsequent deformation after the heat treatment, so that altogether very high (tensile) strengths are achieved with simultaneous dense coating.

Bei dem Schutzwerkstoff handelt es sich um einen im Vergleich zum Grundwerkstoff edleren Metall, insbesondere wird Titan, eine Titanlegierung, Nickel, eine Nickellegierung oder auch ein Chrom-Nickel-Stahl verwendet. Der Begriff „edel“ bezieht sich hierbei auf die elektrochemische Spannungsreihe. Insgesamt wird daher ein Hybridbauteil geschaffen, welches insbesondere einen Aluminiumkern und eine edlere Metallbeschichtung aufweist bzw. durch den Aluminiumkern und der Metallbeschichtung als äußere Schicht gebildet ist. Aufgrund der Beschichtung wird dabei nur ein geringer Anteil des edleren Metalls benötigt, sodass insgesamt das Verbindungselement kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere die Kombination des für den Leichtbau vorgesehenen Aluminiums mit einer Titan-Beschichtung eignet sich besonders für die Verwendung in CFK-Bauteilen zur Vermeidung von Kontaktkorrosion. The protective material is a more noble metal compared to the base material, in particular titanium, a titanium alloy, nickel, a nickel alloy or even a chromium-nickel steel is used. The term "noble" refers to the electrochemical series of voltages. Overall, therefore, a hybrid component is provided, which in particular has an aluminum core and a nobler metal coating or is formed by the aluminum core and the metal coating as an outer layer. Due to the coating, only a small proportion of the nobler metal is required, so that overall the connecting element can be produced inexpensively. In particular, the combination of the intended lightweight aluminum with a titanium coating is particularly suitable for use in CFRP components to prevent contact corrosion.

In zweckdienlicher Ausgestaltung wird der Rohling einer mehrfachen Umformung zur Ausbildung der Endgeometrie unterzogen. Die einzelnen Umformschritte zeichnen sich insbesondere durch unterschiedliche Umformgrade aus. Unter Umformgrad wird generell eine Geometrieveränderung, beispielsweise ein Stauchen oder eine Dehnung verstanden. Allgemein wird mit dem Umformgrad der Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsgeometrie zur umgeformten Endgeometrie verstanden. Insbesondere beispielsweise der Logarithmus des Anfangsdurchmessers zum umgeformten Enddurchmesser. In an expedient embodiment, the blank is subjected to multiple forming to form the final geometry. The individual forming steps are characterized in particular by different degrees of deformation. By degree of deformation is generally understood a change in geometry, such as a compression or elongation. In general, the degree of deformation is understood to mean the logarithm of the ratio of the initial geometry to the transformed final geometry. In particular, for example, the logarithm of the initial diameter to the converted final diameter.

Zweckdienlicherweise wird der Rohling einer ersten Grobumformung mit einem hohen Umformgrad unterzogen wird, so dass ein umgeformter Rohling ausgebildet wird, der nachfolgend als Vorformling bezeichnet wird. Bei diesem handelt es sich daher um einen vorgeformten Rohling. Auf diesen wird die Beschichtung aufgebracht und der so beschichtete Vorformling wird einer zweiten Endumformung zur Ausbildung der Endgeometrie umgeformt. Die Beschichtung wird daher als Zwischenstufe in einem mehrstufigen Umformprozess eingebracht. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei großen Umformgraden, wie sie beispielsweise bei der Ausbildung von bolzenförmigen Elementen mit einem Kopfbereich erforderlich sind, also insbesondere zur Ausbildung eines Schraub- oder Nietkopfes, zunächst diese Kopfbereiche ausgebildet werden. Andernfalls bestünde unter Umständen die Gefahr, dass aufgrund der großen Umformgrade die aufgebrachte Beschichtung reist oder zu sehr gedünnt wird, beziehungsweise dass die Beschichtung zunächst mit einer sehr großen Schichtdicke aufgebracht werden müsste, um zu gewährleisten, dass trotz dieser in Teilbereichen hohen Umformgrade eine homogene und dichte Beschichtung erhalten bleibt. Conveniently, the blank is subjected to a first rough forming with a high degree of deformation, so that a formed blank is formed, which is referred to below as a preform. This is therefore a preformed blank. On this, the coating is applied and the thus-coated preform is formed a second Endumformung to form the final geometry. The Coating is therefore introduced as an intermediate in a multi-stage forming process. This has the particular advantage that at large degrees of deformation, as required for example in the formation of bolt-shaped elements with a head portion, ie in particular for forming a screw or rivet head, first these head portions are formed. Otherwise, there might be the risk that due to the large degrees of deformation, the applied coating is traveling or too thinned, or that the coating would first have to be applied with a very large layer thickness, to ensure that despite these high degrees of deformation in some areas a homogeneous and dense coating is maintained.

Werden diese Randbedienungen jedoch berücksichtigt, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Beschichtung auch bei einem mehrstufigen Umformvorgang vor dem ersten Umformvorgang aufzubringen. However, if these marginal operations are taken into account, it is also possible in principle to apply the coating even before a multi-stage forming operation prior to the first forming process.

Im Falle der Ausbildung einer Schraube als Verbindungselement oder auch eines Niets als Verbindungselements wäre daher im ersten Umformprozess ein Schraubenkopf beziehungsweise Nietkopf ausgebildet. Im zweiten Umformprozess wird dann bei einer Schraube ein Gewinde eingebracht. Dies erfolgt üblicherweise über einen Walzvorgang, bei dem im Vergleich zu der Kopfumformung deutlich geringere Umformgrade auftreten. In the case of the formation of a screw as a connecting element or a rivet as a connecting element, therefore, a screw head or rivet head would be formed in the first forming process. In the second forming process, a thread is then introduced in a screw. This is usually done by means of a rolling process in which significantly lower degrees of deformation occur compared to the head forming.

Diese Ausgestaltung geht zudem von der Überlegung aus, dass bei einer Schraube gerade die Gewindebereiche eine besonders kritische Stelle darstellen, da über das Gewinde die Befestigungskräfte übertragen werden und im Gewindebereich das Verbindungselement mit dem Werkstück, insbesondere CFK-Bauteil, in innigem Kontakt steht. Gerade in diesem Bereich ist daher eine zuverlässig dichte Beschichtung von besonderer Bedeutung. Eine weitere Kontaktfläche zum Bauteil wird durch eine Kopfauflagefläche des Schraubenkopfes gebildet, mit der der Kopf auf dem Bauteil aufliegt. This embodiment is also based on the consideration that in a screw just the threaded areas represent a particularly critical point, as the fastening forces are transmitted via the thread and in the threaded area, the connecting element with the workpiece, in particular CFRP component in intimate contact. Especially in this area, therefore, a reliable dense coating is of particular importance. Another contact surface to the component is formed by a head bearing surface of the screw head with which the head rests on the component.

Allgemein wird daher bei der ersten Umformung durch beispielsweise einen Stauch-Vorgang aus dem ursprünglichen Rohling ein grob umgeformter Rohling, der Vorformling gebildet, welcher sich zusammensetzt aus einem zylindrischen Schaftbereich und einem sich daran anschließenden typischerweise ebenfalls zylindrischen Kopfbereich mit im Vergleich zum Schaftbereich deutlich geringerer Länge und dafür deutlich größeren Durchmesser. Der Durchmesser des Kopfbereiches liegt dabei beispielsweise im Bereich des 1,5 bis 2 oder 3-fachem des Schaftbereiches. Generally, therefore, in the first forming by, for example, an upsetting process from the original blank a roughly formed blank, the preform is formed, which is composed of a cylindrical shaft portion and an adjoining typically also cylindrical head portion with respect to the shaft area significantly shorter length and for that much larger diameter. The diameter of the head region is for example in the range of 1.5 to 2 or 3 times the shaft area.

Im Hinblick auf die Wärmebehandlung/Härtung ist dabei insbesondere vorgesehen, dass diese erst nach der ersten Grobumformung erfolgt. Dadurch lässt sich die Grobumformung mit typischerweise hohen Umformgraden in einfacher Weise ausführen. Die Ausbildung des Verbindungselementes umfasst daher die Schritte:
Bereitstellung des Rohlings, insbesondere durch Ablängen eines Rohdrahtes, erste Grobumformung, Härtung, Aufbringung der Beschichtung sowie Endumformung. With regard to the heat treatment / hardening, provision is made in particular for this to take place only after the first coarse deformation. As a result, the coarse deformation can be carried out with typically high degrees of deformation in a simple manner. The formation of the connecting element therefore comprises the steps:
Provision of the blank, in particular by cutting a raw wire to length, first coarse deformation, hardening, application of the coating and final shaping.

Die Beschichtung wird zweckdienlicherweise mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 0,5mm bis 1mm aufgebracht. Die Schichtdicke kann dabei auch etwas darunter liegen. The coating is expediently applied with a layer thickness in the range between 0.5 mm to 1 mm. The layer thickness can also be slightly lower.

Allgemein wird eine Schichtdicke aufgebracht, die derart bemessen ist, dass die Schichtdicke nach der Endumformung in die Endgeometrie eine Enddicke im Bereich von einigen Mikrometern, insbesondere im Bereich von 5 bis 100 µm und insbesondere im Bereich ab 10 µm aufweist. Eine derartige dünne Beschichtung ist ausreichend, um die gewünschte Kontaktkorrosion zuverlässig zu vermeiden. Insbesondere da durch die Umformung zur Endgeometrie noch eine Verdichtung der aufgebrachten Beschichtung erfolgt und eine eventuell vorhandene Restporösität der Beschichtung geschlossen wird. Generally, a layer thickness is applied, which is dimensioned such that the layer thickness after the final deformation in the final geometry has a final thickness in the range of a few micrometers, in particular in the range of 5 to 100 .mu.m and in particular in the range from 10 microns. Such a thin coating is sufficient to reliably avoid the desired contact corrosion. In particular, as a result of the deformation to the final geometry still a compression of the applied coating takes place and any residual porosity of the coating is closed.

Die Beschichtung wird zweckdienlicherweise mithilfe eines an sich bekannten Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise an sich bekannte chemische oder physikalische Auftragsverfahren aufgebracht, die geeignet sind, Schichten in dieser gewünschten Schichtdicke homogen und gleichmäßig auf den (umgeformten) Rohling aufzubringen. The coating is expediently applied by means of a coating process known per se, for example chemical or physical application methods known per se, which are suitable for applying layers in this desired layer thickness homogeneously and uniformly to the (shaped) blank.

Im Falle einer Schraube wird im letzten Umformprozess nach Aufbringung der Beschichtung, bei dem also die Endgeometrie ausgebildet wird, ein Gewinde in den Schaftbereich eingebracht, insbesondere durch Walzen. In the case of a screw in the last forming process after application of the coating, in which therefore the final geometry is formed, introduced a thread in the shaft region, in particular by rolling.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Das Verbindungselement ist dabei insbesondere nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt und weist einen Grundkörper aus einem metallischen Grundwerkstoff auf, auf dem eine Beschichtung aus einem metallischen Schutzwerkstoff aufgebracht ist, welcher insbesondere im Vergleich zu dem metallischen Grundwerkstoff edler ist. Zur Ausbildung des Verbindungselementes wurde der Grundkörper dabei umgeformt, weist also einen Umformbereich aus. Das Verbindungselement ist nunmehr dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Aufbringung der Beschichtung vor der Umformung, insbesondere vor der Endumformung, diese eine über den Grundkörper variierende Schichtdicke aufweist. Dabei ist sie in den umgeformten Bereichen in Abhängigkeit des Umformgrades geringer oder dicker als in nicht umgeformten Bereichen. Bei einer Streckung ist daher die Schichtdicke im Umformbereich verringert. Allgemein variiert die Schichtdicke daher in Abhängigkeit des Umformgrades. The object is further achieved by a connecting element with the features of claim 11. The connecting element is in particular produced by the method described herein and has a base body of a metallic base material on which a coating of a metallic protective material is applied, which in particular is nobler compared to the metallic base material. To form the connecting element of the base body was thereby transformed, so it has a forming area. The connecting element is now characterized in that due to the application of the coating before forming, in particular before Endumformung, this one over the base body varying layer thickness having. It is in the formed areas depending on the degree of deformation less or thicker than in non-formed areas. When stretched, therefore, the layer thickness is reduced in the forming area. Generally, therefore, the layer thickness varies depending on the degree of deformation.

Im Unterschied zu einer herkömmlich aufgebrachten Beschichtung, welche erst auf die Endgeometrie aufgebracht wird und die daher eine im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicke aufweist, zeichnet sich das nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Verbindungselement daher gerade durch diese variierende Schichtdicke aus, also unterschiedliche Schichtdicken in umgeformten Bereichen im Vergleich zu nicht umgeformten Bereichen. In den nicht umgeformten Bereichen weist die Beschichtung ebenfalls typischerweise eine konstante Beschichtung auf. In den umgeformten Bereichen weist die Beschichtung typischerweise eine im Vergleich zu den nicht umgeformten Bereichen eine dünnere Schichtdicke auf. In contrast to a conventionally applied coating, which is first applied to the final geometry and therefore has a substantially uniform layer thickness, the connecting element produced by the present method is therefore characterized by this varying layer thickness, ie different layer thicknesses in formed regions in comparison to untransformed areas. In the non-reshaped areas, the coating also typically has a constant coating. In the reshaped areas, the coating typically has a thinner layer thickness as compared to the non-reshaped areas.

Aufgrund des Herstellverfahrens, bei dem zunächst eine Grobumformung ohne Beschichtung und lediglich die Endumformung mit der aufgebrachten Beschichtung erfolgt, können allgemein mehrere Umformbereiche vorliegen, wobei zumindest in einem Teil dieser Umformbereiche die im Vergleich zu den nicht umgeformten Bereichen die konstante Schichtdicke vorliegt. Bei einer Schraube ist dabei der umgeformte Bereich insbesondere das Gewinde, welches im Vergleich mit einem weiteren nicht umgeformten Teilbereich insbesondere des Schaftes eine veränderte, insbesondere geringere Schichtdicke aufweist. Due to the manufacturing process, in which initially a coarse deformation without coating and only the final deformation with the applied coating takes place, a plurality of deformation regions can generally be present, wherein the constant layer thickness is present at least in a part of these deformation regions compared to the non-formed regions. In the case of a screw, the deformed region is, in particular, the thread, which, in comparison with another unformed partial region, in particular of the shank, has a modified, in particular smaller layer thickness.

Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein CFK-Bauteil mit einem solchen Verbindungselement gemäß Anspruch 14. Furthermore, the object is achieved by a CFRP component with such a connecting element according to claim 14.

Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verbindungselement sowie das CFK-Bauteil zu übertragen. The advantages and preferred embodiments cited with regard to the method are also to be transferred analogously to the connecting element and the CFRP component.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen: An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. These show in simplified representations:

1 den Ablauf der verschiedenen Prozessschritte zur Herstellung eines Verbindungselements am Beispiel einer Schraube und 1 the sequence of the various process steps for producing a connecting element using the example of a screw and

2 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung eines mit einem Gewinde versehenen Schaftbereichs der Schraube. 2 a fragmentary enlarged view of a threaded shank portion of the screw.

In einem ersten Schritt wird zunächst ein Rohkörper, insbesondere ein als Meterware hergestellter Rohdraht 2 aus einem Grundwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bereitgestellt. Aus diesem Rohdraht 2 wird durch Ablängen ein erster Rohling 4 hergestellt, welcher danach in einem ersten Umformvorgang zu einem zweiten, grobumgeformten Rohling ausgebildet wird, der nachfolgend als Vorformling 6 bezeichnet wird. Im Ausführungsbeispiel wird hierzu der erste Rohling 4 durch einen Stauchvorgang derart umgeformt, dass ein Kopfbereich 8 mit einem sich daran anschließenden Schaftbereich 10 ausgebildet ist. Bei dem ersten Rohling 4 handelt es sich allgemein um einen bolzenförmigen, zylindrischen Rohling. Nach der Herstellung des Vorformlings 6 wird dieser zur Aushärtung einer Wärmebehandlung in an sich bekannter Weise unterzogen. In a first step, first a green body, in particular a raw wire produced as a piece of goods 2 made of a base material, in particular made of aluminum or an aluminum alloy. For this raw wire 2 becomes a first blank by cutting to length 4 produced, which is then formed in a first forming process to form a second, coarse-formed blank, hereinafter referred to as a preform 6 referred to as. In the embodiment, this is the first blank 4 formed by an upsetting process such that a head area 8th with an adjoining shaft area 10 is trained. At the first blank 4 it is generally a bolt-shaped, cylindrical blank. After the preparation of the preform 6 this is subjected to curing a heat treatment in a conventional manner.

Auf diesen Vorformling 6 wird anschließend eine Beschichtung 12 aus einem Schutzwerkstoff mit einer Schichtdicke d aufgebracht. Die Beschichtung 12 besteht dabei insbesondere aus Titan, einer Titanlegierung oder auch aus Nickel oder einer Nickellegierung. On this preform 6 then becomes a coating 12 made of a protective material with a layer thickness d applied. The coating 12 consists in particular of titanium, a titanium alloy or nickel or a nickel alloy.

Hierbei wird ein beschichteter Vorformling 14 hergestellt. Dieser beschichtete Vorformling 14 wird schließlich im letzten Herstellungsschritt einem End-Umformvorgang unterzogen, sodass die gewünschte Endgeometrie erzeugt wird und das Verbindungselement 16 ausgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel der Herstellung einer Schraube besteht dieser Endformvorgang in dem Einbringen eines Gewindes 18, insbesondere durch einen Gewindewalzvorgang. This is a coated preform 14 produced. This coated preform 14 Finally, in the last manufacturing step, an end-forming process is performed so that the desired final geometry is produced and the connecting element 16 is trained. In the embodiment of the production of a screw this Endformvorgang consists in the introduction of a thread 18 , in particular by a thread rolling process.

Gemäß einer hier nicht näher dargestellten Alternative wird die Beschichtung 12 bereits vor der Grobumformung und insbesondere bereits auf den Rohkörper (Rohdraht 2) aufgebracht. According to an alternative not shown here, the coating 12 already before the coarse deformation and in particular already on the green body (raw wire 2 ) applied.

2 zeigt eine stark vereinfachte und vergrößerte ausschnittsweise Darstellung des Schaftbereiches 10 des Verbindungselementes 16. Der Schaftbereich 10 weist dabei in einem zum Kopfbereich 8 orientierten Teilabschnitt einen gewindefreien Teilbereich 20 sowie im vorderen Bereich einen Gewindebereich 22 auf. Da der gewindefreie Bereich 20 bei der Endumformung, also beim Walzen des Gewindes 18 nicht mehr umgeformt wird, wird dieser gewindefreie Bereich 20 auch als nicht umgeformter Teilbereich bezeichnet. Dem gegenüber bildet der Gewindebereich 22 einen umgeformten Teilbereich. Die Begriffe umgeformter und nicht umgeformter Teilbereich beziehen sich dabei auf den Umformvorgang nachdem die Beschichtung 12 aufgebracht wurde. 2 shows a greatly simplified and enlarged fragmentary representation of the shaft region 10 of the connecting element 16 , The shaft area 10 points in one to the head area 8th oriented section a thread-free portion 20 and in the front area a threaded area 22 on. Because the thread-free area 20 in the final forming, so when rolling the thread 18 is no longer reshaped, this thread-free area 20 also referred to as untransformed subregion. The opposite is the threaded area 22 a reshaped section. The terms formed and unconverted sub-range refer to the forming process after the coating 12 was applied.

Aufgrund der Umformung variiert die Schichtdicke d der Beschichtung 12 und weist im gewindefreien, nicht umgeformten Teilbereich 20 eine erste Schichtdicke d1 sowie im Gewindebereich 22 eine zweite Schichtdicke d2 auf. Die erste Schichtdicke d1 ist dabei aufgrund der umformfreien Zone dabei die ursprünglich aufgebrachte Schichtdicke d. Diese liegt beispielsweise im Bereich von etwa 0,5 mm. Dem gegenüber ist die zweite Schichtdicke d2 im umgeformten Gewindebereich 22 reduziert und weist beispielsweise lediglich noch eine Schichtdicke d2 im Bereich von 30 µm auf. Die Schichtdicke d variiert daher allgemein in Abhängigkeit des Umformgrades, das heißt je größer der Umformgrad, desto geringer ist die Schichtdicke im Vergleich zu dem Ausgangszustand beziehungsweise dem nicht umgeformten Bereichen. Due to the deformation, the layer thickness d of the coating varies 12 and points in the unthreaded, unformed portion 20 a first layer thickness d1 and in the threaded area 22 a second layer thickness d2. The first layer thickness d1 is thereby due to the non-deforming zone originally applied layer thickness d. This is for example in the range of about 0.5 mm. In contrast, the second layer thickness d2 in the deformed thread area 22 reduced and has, for example, only a layer thickness d2 in the range of 30 microns. The layer thickness d therefore generally varies depending on the degree of deformation, that is, the greater the degree of deformation, the lower the layer thickness compared to the initial state or the non-deformed regions.

Auch innerhalb des umgeformten Gewindebereichs 22 treten typischerweise unterschiedliche Umformgrade und damit Variationen in der Schichtdicke d auf. Der höchste Umformgrad tritt hierbei typischerweise im Bereich eines Gewindegrundes auf, sodass im Gewindegrund eine geringere Schichtdicke d als an den Gewindeflanken vorliegt. Im Ausführungsbeispiel wurde der Einfachheit halber auf die Darstellung einer variierenden Schichtdicke d innerhalb des Gewindebereiches 22 verzichtet. Also within the reshaped threaded area 22 typically different degrees of deformation and thus variations in the layer thickness d occur. The highest degree of deformation typically occurs in the region of a thread root, so that there is a smaller layer thickness d in the thread root than at the thread flanks. In the exemplary embodiment, for the sake of simplicity, the illustration of a varying layer thickness d within the thread region was made 22 waived.

Grundsätzlich kann die Schichtdicke d vor dem Umformvorgang bis zu etwa 10% des Rohdurchmessers des Rohlings 4. Eine Schichtdicke d vor dem Umformvorgang in Höhe von etwa 10% des Rohdurchmessers des Rohlings 4 wird insbesondere dann eingestellt, wenn die Beschichtung 12 bereits vor der ersten Grobumformung aufgebracht wird. Basically, the layer thickness d before the forming process up to about 10% of the raw diameter of the blank 4 , A layer thickness d before the forming process in the amount of about 10% of the raw diameter of the blank 4 is adjusted in particular when the coating 12 already applied before the first coarse deformation.

Bei dieser Ausgestaltung, bei der also bereits der Rohling 4 oder eventuell auch bereits der Rohdraht 2 beschichtet wird, würde die Beschichtung 12 an den Stirnseiten des Schaftbereiches 10 sowie des Kopfbereiches 8 nicht vorliegen. Dies ist jedoch im Hinblick auf die angestrebte Korrosionsschutzwirkung nicht entscheidend, da an diesen Stirnseiten kein Kontakt mit einem CFK-Bauteil besteht. In this embodiment, in which therefore already the blank 4 or possibly already the raw wire 2 The coating would be coated 12 on the front sides of the shaft area 10 as well as the head area 8th not available. However, this is not critical with regard to the desired corrosion protection effect, since there is no contact with a CFRP component at these end faces.

Mit Hilfe des Verbindungselementes 16 wird allgemein ein CFK-Bauteil an einem anderen Bauteil befestigt, welches ebenfalls aus CFK oder aus einem anderen Material, insbesondere Metall, bestehen kann. Durch die Beschichtung 12 ist dabei eine Kontaktkorrosion des Verbindungselementes 16 in Folge eines Kontakts mit den elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Fasern des Bauteils zuverlässig verhindert. With the help of the connecting element 16 In general, a CFRP component is attached to another component, which may likewise consist of CFRP or of another material, in particular metal. Through the coating 12 is a contact corrosion of the connecting element 16 reliably prevented as a result of contact with the electrically conductive carbon fibers of the component.

Das hier dargestellte Verfahren bietet folgende Vorteile:

– Die Beschichtung wird kostengünstig zum Beispiel in einem Durchlaufverfahren auf den Rohling 2 / Vorformling 6 aufgebracht.
– Die aufgebrachte metallische Beschichtung 12 ist mechanisch wesentlich stabiler als organische oder anorganische Beschichtungen.
– Nach dem Umformprozess in die Endgeometrie wird die Geometrie des Verbindungselements 16 nicht mehr durch einen nachträglichen Beschichtungsprozess beeinflusst.
– Durch die nach dem Aufbringen der Beschichtung 12 erfolgte Endumformung wird die Beschichtung 12 verdichtet und die Oberfläche der Beschichtung 12 eingeebnet.
– Gegenüber Verbindungselementen 16 aus Vollmaterial des edlen Metalls, zum Beispiel Titan, ist eine deutliche Kostenreduktion erzielt.

The procedure presented here offers the following advantages:

- The coating is inexpensive, for example, in a continuous process on the blank 2 / Preform 6 applied.
- The applied metallic coating 12 is mechanically much more stable than organic or inorganic coatings.
- After the forming process in the final geometry, the geometry of the fastener 16 no longer influenced by a subsequent coating process.
- By after the application of the coating 12 Final reshaping is the coating 12 compacted and the surface of the coating 12 leveled.
- Opposite fasteners 16 From solid material of the noble metal, for example titanium, a significant cost reduction is achieved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

2 2: Rohdraht raw wire
4 4: Rohling blank
6 6: Vorformling preform
8 8th: Kopfbereich head area
10 10: Schaftbereich shaft area
12 12: Beschichtung coating
14 14: beschichteter Vorformling coated preform
16 16: Verbindungselement connecting element
18 18: Gewinde thread
20 20: gewindefreier Teilbereich thread-free section
22 22: Gewindebereich threaded portion
d, d1, d2 d, d1, d2: Dicke Beschichtung Thick coating

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007003276 B4 [0003]
JP 03261405 A [0004]
JP 2001214915 A [0005]
JP 11210728 A [0005]

Claims

Method for producing a connecting element ( 16 ), in particular a screw made of a metallic base material, on which a coating ( 12 ) is applied from a metallic protective material, characterized in that a blank ( 4 . 6 ) is provided from the metallic base material to which the coating ( 12 ) is applied from the metallic protective material, wherein subsequently the coated blank ( 4 ) is converted to a desired final geometry.

A method according to claim 1, characterized in that a curable material, in particular a light metal is used as base material.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that is used as the base material aluminum or an aluminum alloy.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the blank ( 4 . 6 ) is subjected to a heat treatment, in particular a curing, before the application of the coating.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a precious metal, in particular titanium, a titanium alloy, nickel, a nickel alloy or a chromium-nickel steel is used as the protective material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the blank ( 4 ) before applying the coating to form a preform ( 6 ) is subjected to a first coarse deformation, then to the preform ( 6 ) the coating ( 12 ) and the coated preform ( 6 ) is converted into a final deformation to form the final geometry.

Method according to the preceding claim, characterized in that the preform ( 6 ) is subjected before the application of the coating of a heat treatment, in particular a curing.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 12 ) is applied with a layer thickness (d) in the range between 0.5mm to 1mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the final forming a layer thickness (d) of the coating ( 12 ) is reduced, in particular to a layer thickness (d) in the range of a few microns, preferably in the range of 5-100μm and in particular in the range from 10 microns.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the deformation to the final geometry a thread ( 18 ) is formed.

Connecting element ( 16 ), in particular produced by a method according to one of the preceding claims, comprising a basic body of a metallic base material, on which a coating ( 12 ) is applied from a metallic protective material, wherein the base body has undergone a deformation, characterized in that the coating ( 12 ) was applied before the forming, so that a layer thickness (d) varies as a result of the deformation.

Connecting element ( 16 ) according to claim 11, characterized in that the base material is a curable light metal material, in particular aluminum or an aluminum alloy, and that the protective material is a more noble material than the base material, in particular titanium or a titanium alloy.

Connecting element ( 16 ) according to claim 11 or 12, characterized in that as a screw with a head portion ( 8th ) and a shaft region ( 10 ) with a thread ( 18 ), wherein the coating ( 12 ) only after coarse deformation to form the head region ( 8th ) was formed, so that the layer thickness (d) only in the shaft region ( 10 ) varies.

CFRP component, in particular of a motor vehicle with a connecting element ( 16 ) according to any one of claims 11 to 13.