DE102014220338A1

DE102014220338A1 - Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements sowie Befestigungselement

Info

Publication number: DE102014220338A1
Application number: DE102014220338.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Jenning; Katharina NEUERER
Original assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH
Current assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-04-14
Also published as: WO2016055480A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, wird ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt, der einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs. Auf den Kernwerkstoff ist ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, insbesondere eine Schraube sowie ein insbesondere nach dem Verfahren hergestelltes Verbindungselement sowie die Verwendung eines solchen Verbindungselementes als Motorschraube oder als Kontaktelement.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um ein Verbindungselement zur Verbindung von zwei Bauteilen miteinander. Insbesondere handelt es sich um eine Schraube.
Auf dem Gebiet der Verbindungselemente sind für spezielle Anwendungsgebiete Aluminiumverbindungselemente bekannt. Deren Einsatz ist in der Regel durch die erzielbaren Festigkeiten des Materials und der Temperaturstabilität beispielsweise im Vergleich zu Verbindungselementen aus Stahl begrenzt. Durch diese materialspezifischen Begrenzungen ist der Einsatz von derartigen Leichtmetall- oder Aluminiumverbindungselementen beispielsweise bei Verbrennungsmotoren begrenzt. Insbesondere wird hierbei auch eine möglichst hohe Endfestigkeit angestrebt, um die bei der Montage erforderlichen großen Klemmkräfte zu ermöglichen.
Leichtmetall-Schrauben aus Aluminium werden heutzutage bereits für Kraftfahrzeuge in der Automobilindustrie eingesetzt. Gegenwärtig werden hierzu ausnahmslos Aluminiumschrauben der Legierung EN AW 6056 eingesetzt. Mit dieser Aluminiumlegierung werden an der fertigen Schraube Festigkeiten von maximal 460 MPa erreicht. Die Begrenzung auf diese erprobte Legierung ist durch deren spezielle Eigenschaften im Hinblick auf Korrosion und Spannungsriss-Empfindlichkeit entstanden. Grundsätzlich gibt es Aluminiumlegierungen, welche höhere Festigkeiten erreichen, beispielsweise die Legierung EN AW 7075, mit der eine Zugfestigkeit von 550 MPa erreicht werden kann. Diese Legierung besitzt jedoch eine starke Spannungsriss-Empfindlichkeit unter Zugbelastung, sodass deren Einsatz in Bereichen, wo hohe Klemmkräfte erforderlich sind, beispielsweise im Motorbereich, zur Befestigung eines Zylinderkopfs an einem Motorblock, nicht geeignet ist. Zwar könnte eine Überalterung des Gefüges der Legierung die Spannungsriss-Empfindlichkeit senken, dabei sinkt jedoch zugleich auch die Festigkeit. Vor dem Hintergrund dieser Probleme werden daher heutzutage auch für höher beanspruchte Verbindungen, bei denen also eine Kombination aus hoher Klemmkraft und hoher Temperaturbelastung auftritt, anstelle von Aluminium-Verbindungselementen weiterhin auch Stahl-Verbindungselemente, insbesondere Stahlschrauben, verwendet.
Aus der DE 10 2009 032 990 A1 ist eine Schraube zu entnehmen, welche ein hohles mit einem Außengewinde versehenes Mantelelement aus Metall und ein darin eingebrachtes Kernelement aus einem Kunststoff enthaltenden Verbundwerkstoff umfasst.
Weiterhin sind beschichtete Verbindungselemente bekannt, um die Oberflächeneigenschaften einzustellen. So ist beispielsweise aus der JP 2001214915 A 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.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement insbesondere aus Leichtmetall bereitzustellen, welches für hoch beanspruchte Bereiche zuverlässig geeignet ist und insbesondere eine hohe Festigkeit aufweist sowie für hohe Temperaturen geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, insbesondere eine Schraube, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein insbesondere nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sowohl des Verfahrens als auch des Verbindungselements sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungen sind sinngemäß auch auf das Verbindungselement zu übertragen und umgekehrt.
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. Das Verbindungselement weist allgemein eine in Längsrichtung variierende Querschnittsgeometrie, insbesondere einen variierenden Durchmesser auf.
Erfindungsgemäß ist gemäß einer ersten Variante die Bereitstellung eines Verbindungselements als Leichtbau-Verbindungselement vorgesehen, welches hohen Beanspruchungen genügt, insbesondere hohen Zugbeanspruchungen widersteht und zugleich hohen Temperaturen. Gemäß einer zweiten Variante ist die Bereitstellung eines Verbindungselements mit guter elektrischer Leitfähigkeit vorgesehen. Hierzu weist das Verbindungselement in beiden Fällen grundsätzlich einen Hybrid-Aufbau auf, umfassend einen Kern aus einem Kernwerkstoff, welcher von einem Mantel aus einem Mantelwerkstoff umgeben ist. Der Kernwerkstoff wiederum besteht aus einem Basiswerkstoff, oder einer Legierung dieses Basiswerkstoffes.
Der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ist ausgewählt aus Aluminium, Magnesium oder Eisen. Der Kernwerkstoff besteht also aus einem dieser Werkstoffe oder aus Legierungen dieser Werkstoffe. Im Falle eines Leichtbau-Verbindungselements ist der Basiswerkstoff insbesondere ein Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium. Insbesondere handelt es sich bei dem Basiswerkstoff um Aluminium, zweckdienlicherweise wird für den Kernwerkstoff dabei eine hochfeste Aluminiumlegierung eingesetzt.
Der Mantelwerkstoff ist weiterhin ausgewählt aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierungen. Falls für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff der gleiche Basiswerkstoff verwendet wird, so werden für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff unterschiedliche Legierungen eingesetzt. Im Falle der Verwendung von Aluminium oder auch Magnesium für den Kernwerkstoff ist daher für den Mantelwerkstoff eine zum Kernwerkstoff unterschiedliche Aluminium- oder Magnesium Legierung verwendet. Es besteht auch die Möglichkeit, als Basiswerkstoff Magnesium und für den Mantelwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zu verwenden. Bei dem Mantelwerkstoff handelt es sich insbesondere um einen sogenannten selbst passivierenden Werkstoff, der also selbsttätig eine Schutzschicht (Oxidschicht) ausbildet, so dass eine Korrosionsbeständigkeit erreicht wird.
Durch diesen Hybrid-Aufbau wird der besondere Vorteil erzielt, dass durch die unterschiedlichen Werkstoffe diese für funktional unterschiedliche Anforderungen optimiert werden können.
So besteht insbesondere die Möglichkeit, den einen Werkstoff im Hinblick auf eine möglichst hohe Festigkeit zu optimieren und den anderen Werkstoff beispielsweise im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit zu optimieren und insbesondere auf eine möglichst geringe Spannungsrissempfindlichkeit. Dadurch ist ein Leichtmetall-Verbindungselement geschaffen, welches den hohen Anforderungen im Motorraum genügt.
Alternativ kann der Mantelwerkstoff auch im Hinblick auf elektrische Eigenschaften optimiert werden. Dadurch kann ein kostengünstiges Kontakt-Verbindungselement bereitgestellt werden, bei dem nur der Mantelwerkstoff aus einem üblicherweise teuren Werkstoff mit guten elektrischen Eigenschaften, insbesondere Kupfer besteht. Gleichzeitig kann auch hier durch die Wahl eines geeigneten Kernmaterials beispielsweise eine Eisenlegierung oder auch eine hochfeste Aluminium- oder Magnesiumlegierung insgesamt eine hohe Festigkeit erreicht werden.
Ein gemeinsamer Grundgedanke für das Herstellungsverfahren besteht darüber hinaus darin, dass als Ausgangsmaterial eine ummantelter Rohling aus dem Kernwerkstoff und dem Mantelwerkstoff bereitgestellt wird, aus dem dann erst das Verbindungselement ausgebildet wird. Der Mantelwerkstoff wird daher nicht erst auf ein fertig ausgeformtes Verbindungselement als Beschichtung aufgebracht. Hierdurch ist die Herstellung vereinfacht und insbesondere können auch große Wandstärken des Mantelwerkstoffes erzeugt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs um Aluminium, sodass also der Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Weiterhin handelt es sich zweckdienlicherweise auch bei dem Mantelwerkstoff um eine Aluminiumlegierung, sodass das Verbindungselement insgesamt aus Aluminium besteht, jedoch aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen. Sowohl der Kern- als auch der Mantelwerkstoff weisen daher den gleichen Basiswerkstoff auf, liegen jedoch als unterschiedliche Legierungen vor.
Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Mantelwerkstoff allgemein um einen Werkstoff mit im Vergleich zum Kernwerkstoff geringerer Spannungsrissempfindlichkeit. Für den Mantelwerkstoff wird dabei im Falle der Verwendung einer Aluminiumlegierung bevorzugt eine Aluminiumlegierung der 6000er Reihe und insbesondere die Legierung gemäß EN AW 6056 oder auch gemäß EN AW 6082 verwendet. Diese Legierungen weisen nur eine geringe Spannungsriss-Empfindlichkeit auf.
Alternativ zu einem Mantelwerkstoff mit dem Basiswerkstoff Aluminium besteht dieser aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung und für die Ausbildung eines Kontakt-Verbindungselements insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Im Hinblick auf die mechanischen weiteren Eigenschaften weist der Kernwerkstoff vorzugsweise eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff auf. Im Falle einer Aluminiumlegierung wird dabei eine Aluminiumlegierung mit einer hohen Festigkeit eingesetzt. Vorzugsweise wird eine hochfeste Legierung beispielsweise der 7000er oder der 2000er Reihe eingesetzt. Über diesen Kernwerkstoff werden daher die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen maßgeblich bestimmt. Demgegenüber ist der äußere Mantelwerkstoff für die Wechselwirkung der Oberfläche mit der Umgebung zum Beispiel im Hinblick auf die Korrosionsstabilität sowie die Unempfindlichkeit im Hinblick auf eine Spannungsrisskorrosion verantwortlich.
Insbesondere bei der Variante für das Kontakt-Verbindungselement weist der Mantelwerkstoff in zweckdienlicher Ausgestaltung im Vergleich zum Kernwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf. Der Mantelwerkstoff ist hierbei insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung, der auf einen Stahlkern oder auch auf einen Leichtmetall-Kern aufgebracht ist.
Zur Herstellung des Verbindungselements wird in zweckdienlicher Ausgestaltung allgemein als der ummantelte Rohling ein ummantelter Rohdraht oder auch ein ummantelter Vorformling bereitgestellt, welcher eben einen Kern aus dem Kernwerkstoff und einen Mantel aus dem Mantelwerkstoff aufweist. Der Rohling wird zur Ausbildung des Verbindungselements zumindest einer oder auch mehreren Umformungen unterzogen werden. Hierbei kann es sich um Ziehoperationen handeln. Insbesondere erfolgt jedoch ein Umformvorgang mit radialer Krafteinwirkung, so dass hierdurch die radiale Ausdehnung und Form verändert wird.
Dabei ist insgesamt bevorzugt eine starke Umformung vorgesehen, bei der der Querschnitt des Rohlings um 25% bis 75%, insbesondere um zumindest 50% verändert wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante wird vorzugsweise ein ummantelter Rohdraht bereitgestellt, der anschließend zur Ausbildung des Verbindungselements umgeformt wird. Hierbei können mehrere Umformvorschritte vorgesehen sein. Zur Ausbildung dieses ummantelten Rohdrahts wird auf ein herkömmliches, bekanntes Herstellverfahren zurückgegriffen, wie es beispielsweise bei Kupferplattierten elektrischen Leiterdrähten bekannt ist, beispielsweise so genannte „Copper Clad Aluminium-Drähte“. Hierbei wird beispielsweise ein Aluminium-Ausgangsrohdraht mit einem Mantel versehen, und der so gebildete Verbund wird anschließend durch beispielsweise einen Ziehprozess auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen, welcher dann für den Rohling weiterverarbeitet wird, indem dieser zunächst abgelängt und später dann auch mehrfach umgeformt wird.
Alternativ hierzu ist in bevorzugter Ausgestaltung der Kern als ein Einlegeteil ausgebildet, welches in ein beispielsweise vorgeformtes Hülsenelement aus dem Mantelwerkstoff eingelegt, insbesondere eingepresst wird. Das Hülsenelement ist dabei vorzugsweise wahlweise Rohrförmig oder auch topf- oder napfförmig ausgebildet, weist also an einer Seite eine geschlossene Stirnseite auf.
Das Einlegeteil und/oder das Hülsenelement weisen vorzugsweise eine Vorform auf und sind beispielsweise im Falle einer Schraube mit einem Kopf und Schaftteil versehen. Das Hülsenelement ist entsprechend komplementär vorgeformt, so dass das Einlegeteil im Hülsenelement passgenau einliegt.
Auch bei der erstgenannten Ausführungsvariante, bei der zunächst ein ummantelter Rohdraht bereitgestellt wird, wird ein Vorformling erzeugt, indem dieser ummantelter Rohdraht abgelängt und das abgelängte Teilstück einem ersten Umformprozess zur Ausbildung des Kopfbereichs sowie des Schaftbereichs umgeformt wird.
Der Mantel wird allgemein insbesondere allein durch mechanische Prozesse und Umformvorgänge aufgebracht. Hierzu wird beispielsweise ein Verbund aus Rohdraht mit darauf angebrachtem Mantel durch einen Ziehprozess auf ein gewünschtes Endmaß gezogen, wobei hierbei der gewünschte ummantelte Rohling ausgebildet wird. Auch durch die im Laufe des Herstellungsprozesses erfolgenden weiteren Umformvorgänge erfolgt eine feste unlösbare Verbindung. Zur Herstellung des Verbunds wird beispielsweise der Rohdraht aus Aluminium in ein Mantelrohr eingeführt oder der Rohdraht wird mit dem Mantelmaterial umwickelt etc.. Es erfolgt kein aktives stoffschlüssiges Verbinden beispielsweise durch ein bewusstes Verschweißen. Auch erfolgt kein Beschichten mit einem Beschichtungsverfahren, bei dem das Mantelmaterial durch ein Sprüh-Streich- oder (galvanisches) Überzugsverfahren aufgebracht wird. Je nach gewähltem mechanischem Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei einem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen. Die Verbindung zwischen dem Kern und dem Mantel wird letztendlich vorzugsweise ausschließlich durch den zumindest einen Umformvorgang ausgebildet. Hierbei werden auf den ummantelten Rohling Kräfte ausgeübt, die auch in radialer Richtung wirken, so dass der Mantel fest gegen den Kern gepresst wird und eine innige Verbindung ausgebildet wird.
Im Hinblick auf die Einstellung einer gewünschten Festigkeit wird üblicherweise für den Kernwerkstoff ein aushärtbarer Werkstoff verwendet, welcher in an sich bekannter Weise einer Temperaturbehandlung zur Härtung unterzogen wurde. Bevorzugt erfolgt dabei die Härtung vor dem Aufbringen des Mantelwerkstoffes. Alternativ erfolgt eine Härtung nachdem der ummantelte Rohling auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen wird. Nach der Ausbildung des Verbindungselements, insbesondere nach einer Grobumformung beispielsweise beispielsweise ein Fließpressen des Schaftes oder ein Stauchen des Kopfes zu der Ausbildung des Kopf- sowie Schaftbereiches, erfolgt vorzugsweise keine Wärmebehandlung zu Härtungszwecken. Durch die Umformung wird eine Kaltverfestigung erzielt. Alternativ wird nach einer solchen Grobumformung noch eine Wärmebehandlung zu Härtungszwecken durchgeführt. Grundsätzlich wird jedoch bei einer Schraube nach einem Gewindeformvorgang (Gewindewalzvorgang) keine Härtung mehr vorgenommen. Nach dem letzten Formvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie des Verbindungselements erfolgt also vorzugsweise keine Härtung mehr, um die im letzten Umformschritt aufgebrachte Kaltverfestigung aufrecht zu erhalten.
Alternativ wird das endgefertigte Verbindungselement 16 in speziellen Fällen, beispielsweise bei denen sowohl der Kern 3 als auch der Mantel 4 aus einer Aluminiumlegierung besteht, in bevorzugter Weise einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen, insbesondere eine geeignete Auslagerungsbehandlung, nämlich insbesondere einem Lösungsglühen und Anlassen.
In beiden Fällen wird im Ausführungsbeispiel einer Schraube in den ummantelten Vorformling vorzugsweise ein Gewinde eingeformt.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um einen 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.
Aufgrund der Umformung des Rohlings mit dem Mantelwerkstoff weist in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement im endgefertigten Zustand eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke des Mantelwerkstoffes über die Länge des Verbindungselements auf. Allgemein wird mit dem Umformgrad der Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsgeometrie (Länge, Dicke) zur umgeformten Endgeometrie verstanden. Insbesondere beispielsweise der Logarithmus des Anfangsdurchmessers zum umgeformten Enddurchmesser. Grundsätzlich weisen Verbindungselemente Bereiche mit unterschiedlichen Umformgraden auf. So weist allgemein der Kopfbereich, insbesondere im Übergang zu einem Schaftbereich einen sehr hohen Umformgrad auf. In einem Gewindebereich einer Schraube, also in Folge des Einbringens des Gewindes, weist das Verbindungselement demgegenüber einen geringeren Umformgrad und damit auch eine andere Wandstärke des Mantelwerkstoffs auf.
Der Mantel weist im endgefertigten Zustand, also beim fertigten Verbindungselement eine Wandstärke auf, die vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 3 mm liegt. Insbesondere lässt sich durch das hier beschriebene Verfahren eine hohe Wandstärke einstellen, die beispielsweise bis zu 25% des Durchmessers eines Schaftbereichs im endgefertigten Zustand beträgt. Die Wandstärke liegt dabei beispielsweise bei mindestens 10% des Durchmessers des Schaftbereiches im endgefertigten Zustand.
Ein derartiges Verbindungselement zeigt eine hohe Festigkeit kombiniert mit einer hohen Spannungsriss-Unempfindlichkeit und einer guten Korrosionsstabilität. Gleichzeitig ist das Verbindungselement dabei als Leichtbau-Verbindungselement ausgebildet und eignet sich dabei insbesondere für die Verbindung von Leichtbau-Bauteilen, insbesondere solche, welche thermisch hoch beansprucht sind. Durch die Verwendung von zumindest ähnlichen Leichtmetall-Werkstoffen einerseits für das Verbindungselement und andererseits für die zu verbindenden Bauteile ist insbesondere auch bei wiederkehrenden Temperaturwechseln gewährleistet, dass die von der Schraube ausgeübte Klemmkraft zuverlässig aufrechterhalten wird. Ein derartiges Verbindungselement eignet sich daher insbesondere zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise zur Befestigung eines Zylinderkopfes an einem Motorblock und wird auch dort eingesetzt. Bei dem Verbindungselement handelt es sich also insbesondere um eine Motorschraube, insbesondere Zylinderkopfschraube, die im montierten Zustand in einem Verbrennungsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbaut ist.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren und dem hier beschriebenen Verbindungselement lassen sich darüber hinaus auch weitere spezielle Anwendungsbereiche durch Anpassung einer geeigneten Materialkombination erschließen. Insbesondere wird in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement als ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere als elektrische Kontaktschraube, verwendet. Hierzu besteht der Mantelwerkstoff aus einem Werkstoff mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere mit einer im Vergleich zu dem Kernwerkstoff erhöhter Leitfähigkeit. Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Mantelwerkstoff um Kupfer oder um eine Kupferlegierung. Hierdurch wird daher eine Kupfer-Kontaktschraube ausgebildet, über die zwei Bauteile elektrisch miteinander kontaktiert werden können. Bei diesen Teilen handelt es sich beispielsweise auf der einen Seite um einen elektrischen Leiterdraht bzw. eine daran befestigte Klemme und einem elektrischen Bauteil, beispielsweise ein elektrischer Verbraucher oder auch eine elektrische Stromquelle, wie beispielsweise eine (Fahrzeug-)Batterie.
Durch den Hybrid-Aufbau, bestehend insbesondere aus einem Aluminiumkern und einem Kupfermantel, wird zum einen das vergleichsweise teurere Kuper im Kernbereich durch das günstigere Aluminium ersetzt. Zudem wird dadurch auch eine Leichtbau-Kontaktschraube erzielt, aufgrund des geringeren spezifischen Gewichts des Aluminiums. Zugleich werden die guten elektrischen Eigenschaften des Kupfers beibehalten, da der Übergangswiderstand zu einem Klemmteil durch die Verwendung des Kupfers gering gehalten ist. Auch ist die Stromleitfähigkeit durch die Kupferhülle bereitgestellt. Die mechanischen Eigenschaften demgegenüber werden dabei maßgeblich durch den Aluminiumkern bestimmt.
Diese Hybrid-Kontaktschraube vereint daher die Vorteile einer reinen Aluminium-Kontaktschraube mit den Vorteilen einer reinen Kupferkontaktschraube.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
1 illustriert ein Herstellverfahren zur Herstellung des Verbindungselements ausgehend von einem ummantelten Rohdraht und
2 zeigt eine alternative Herstellungsmethode mit der Verwendung eines Einlegeteils.
Bei einer ersten in 1 dargestellten Ausführungsvariante wird zunächst ein Rohdraht 2 aus einem Kernwerkstoff, insbesondere einer hochfesten Aluminiumlegierung bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um einen massiven Draht, wie anhand der Querschnittsdarstellung zu erkennen ist. Im anschließenden Schritt wird dieser Rohdraht 2 mit einem Mantel 4 aus einem Mantelwerkstoff umgeben, insbesondere einer Aluminiumlegierung der 6000er Reihe, bevorzugt mit der Legierung EN AW 6056 oder der Legierung EN AW 6082. Dadurch wird ein ummantelter Rohdraht 6 erhalten mit einem durch den Rohdraht 2 gebildeten Kern 3 und dem Mantel 4. Dieser wird bevorzugt noch auf einen gewünschten Durchmesser gezogen werden. Der Kern 3 ist allgemein als massiver Kern 3 ausgebildet.
Auch werden je nach Anwendung und Materialwahl in zweckdienlicher Ausgestaltung Temperaturbehandlungen zur Härtung der Legierungen durchgeführt. Allgemein handelt es sich bei dem Kernwerkstoff und / oder dem Basiswerkstoff um einen aushärtbaren Werkstoff, um die gewünschte Festigkeiten zu erreichen. Die Temperaturbehandlungen werden dabei bereits am Rohdraht 2 durchgeführt oder alternativ erst am ummantelten Rohdraht 6, vorzugsweise nachdem dieser auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen ist.
Bevorzugt erfolgt eine Temperaturbehandlung zur Härtung allenfalls an einem Zwischenprodukt, beispielsweise nur an dem Rohdraht 2 aus dem Kernwerkstoff oder auch an dem ummantelten Rohdraht 6, vorzugsweise nachdem dieser auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen ist. Eine Verfestigung des Mantelwerkstoffes erfolgt durch zumindest einen nachfolgenden Umformvorgang, also durch eine Kaltverfestigung. Eine Temperaturbehandlung zur Härtung erfolgt daher vorzugsweise nicht am endgefertigten Verbindungselement.
Aus diesem ummantelten Rohdraht 6 wird dann durch Ablängen zunächst ein ummantelter Rohling 8 hergestellt, welcher durch einen ersten Grob-Umformprozess zu einem ummantelten Vorformling 10 ausgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel einer Schraube wird hierbei ein Kopfbereich 12 sowie ein Schaftbereich 14 ausgebildet.
Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Kernwerkstoff und / oder als Mantelwerkstoff erfolgt die Grobumformung durch ein Fließpressen und / oder Stauchen, um die gewünschten hohen Umformgrade erreichen zu können.
In einem anschließenden Umformprozess wird dann – im Falle einer Schraube – ein Gewinde 18 in den Schaftbereich 14 zur Ausbildung des endgefertigten Verbindungselements 16 eingebracht. Dies erfolgt üblicherweise durch einen Walzprozess. Bei dieser Herstellungsvariante zeigen die gegenüberliegenden Stirnseiten des Verbindungselements 16 jeweils den Kern 3 mit einer freien Stirnseite, welcher konzentrisch von dem Mantel 4 umgeben ist. Dieser nachfolgende Umformprozess weist dabei üblicherweise geringere Umformgrade als die Grobumformung auf.
Bei der in 2 dargestellten alternativen Variante (rechte Bildhälfte) wird zunächst ein Hülsenelement 20 aus dem Mantelwerkstoff bereitgestellt, welches insgesamt vorzugsweise in etwa topfförmig ausgebildet ist, also vorzugsweise einen Boden aufweist. Diese ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ ist es auch rohrförmig ausgebildet, wie auf der linken Bildhälfte dargestellt ist, weist also an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten keinen Mantelwerkstoff auf. Gemäß der in der Figur dargestellten Variante ist das Hülsenelement 20 insgesamt zylindrisch ausgebildet. Alternativ hierzu kann es auch bereits vorgeformt sein mit einem Kopfbereich und einem Schaftbereich.
Alternativ zu der Anordnung des Bodens am stirnseitigen Ende des Schaftes ist der Boden am gegenüberliegenden Ende ausgebildet, so dass also der Kobbereich 12 von dem Mantel 4 überdeckt ist.
In den freien Innenraum dieses Hülsenelements 20 wird ein Einlegeteil 22 eingesetzt, insbesondere eingepresst. Je nach gewähltem mechanischen Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei dem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen.
Das Einlegeteil 22 bildet den späteren Kern 3 aus dem Kernwerkstoff und das Hülsenelement 20 den Mantel 4 aus dem Mantelwerkstoff aus. Dieses kombinierte Bauteil aus etwa zylindrischen Hülsenelement 20 und darin eingesetztem Einlegeteil 22 wird anschließend einem ersten Umformungsprozess zur Ausbildung des Kopfbereichs 12 und des Schaftbereichs 14 unterzogen. Anschließend wird dann noch – in 2 nicht näher dargestellt – auf den Schaftbereich 14 das Gewinde 18 aufgebracht. Durch das Bodenteil des Hülsenelements 20 tritt im Unterschied zu der vorher beschriebenen Herstellungsvariante das Kernmaterial an der bodenseitigen Stirnfläche nicht an der Oberfläche heraus.
In den Querschnittsdarstellungen der 2 ist jeweils noch im Kopfbereich 12 eine fakultative Werkzeugaufnahme 24 dargestellt, beispielsweise eine Innen-Mehrkantaufnahme. Alternativ ist diese auch als Außenmehrkant ausgebildet. Die Ausgestaltung des Werkzeugangriffes erfolgt in einer Variante durch einen Umformprozess nachfolgend zum Einpressen des Einlegeteils 22 in das Hülsenelement 20. Ist der Kopfbereich 12 mit einem Boden aus dem Mantelwerkstoff verschlossen, so ist in dieser bevorzugten Ausführungsvariante der Werkzeugangriff mit einer Schicht aus dem Mantelwerkstoff versehen.
Allgemein ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass sowohl der Kernwerkstoff als auch der Mantelwerkstoff vor dem Zusammenbringen zu einem Verbundelement zunächst homogenisiert wird, um eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente, welche für eine Mischkristallbildung und Ausscheidungsphasen für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, zu erreichen. Wie bereits erwähnt, wird nach dem Zusammenfügen der Verbund gemeinsam verformt, insbesondere auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen. Durch die Umformung wird allgemein eine enge Verbindung zwischen Kern- und Mantelwerkstoff ausgebildet, sodass diese vorzugsweise allein durch die Umformung unmittelbar miteinander verbunden sind. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung zum Zweck des Aushärtens nach Ausbildung des Verbunds, insbesondere nach dem Ziehprozess, ist darüber hinaus eine chemische Anbindung, beispielsweise ein gezieltes Legieren durch Diffusion der Legierungsbestandteile des Mantels auf dem Kern und umgekehrt möglich. Bei diesem Aushärten wird ein vorgegebenes Temperaturprofil bei der Wärmebehandlung durchlaufen, um eine gewünschte Festigkeit einzustellen. Eine Härtung durch thermische Behandlung des gesamten endgefertigten Verbindungselements 16, also nach der Umformung erfolgt vorzugsweise nicht.
Bei nicht gleichartigen Werkstoffen, also beispielsweise bei Kupfer oder Kupferlegierungen für den Mantelwerkstoff und Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für den Kernwerkstoff ist bei der Wärmebehandlung ein Eindiffundieren von Kupfer in Aluminium gezielt ermöglicht, sodass dieses auflegiert wird. Dadurch wird bevorzugt ein Härtegradient in radialer Richtung durch ein gezieltes Auflegieren erreicht. Insgesamt besteht neben reinen Aluminiumverbunden eben die Möglichkeit, durch Mischverbunde die äußere Schicht auch aus Kupferlegierungen auszubilden, sodass insgesamt die Oberflächeneigenschaften verbreitert werden. Auch wird beispielsweise als Basiswerkstoff für den Kern Magnesium und für den Mantelwerkstoff eine Aluminiumlegierung verwendet. Als Mischverbunde werden dabei vorliegend derartige Verbunde bezeichnet, bei denen für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff verschiedenartige Werkstoffe verwendet werden, bei denen sich also die Basiswerkstoffe einerseits für den Kernwerkstoff und andererseits für den Mantelwerkstoff unterscheiden. Demgegenüber werden bei einem Al-Al-Verbund aus zwei unterschiedlichen Al-Legierungen gleichartige Werkstoffe miteinander verbunden.
Wie sich aus der vorgehenden Beschreibung ergibt, ist die Mantelschicht bereits vor der Umformung, insbesondere der Ausbildung des Kopfbereichs 12, aufgebracht. Die Ausbildung des Kopfbereichs erfolgt durch eine Kaltumformung und wird aufgrund des hohen Umformgrads auch als Kaltmassivumformung bezeichnet. Bei der Umformung erfolgt eine Querschnittsänderung vorzugsweise im Bereich von 25% bis 75%, insbesondere von zumindest 50%. Der Mantel 4 weist hierfür eine ausreichend dicke Windstärke d auf. Zudem weist der Mantelwerkstoff auch eine ausreichende Duktilität auf, um ein Reißen des Mantelwerkstoffs zu vermeiden. Die minimale Wandstärke d liegt hier bei einigen 100 µm.
Die Wandstärke d variiert dabei über die Ausdehnung des Verbindungselements 16 in Abhängigkeit des Umformgrades, welcher positionsabhängig ist. So zeigt der Mantel 4 allgemein in Bereichen hoher Umformgrade eine geringere Wandstärke d als in Bereichen geringer Umformgrade.
Die Endfestigkeit des endgefertigten Verbindungselements 16 wird zweckdienlicherweise durch eine abschließende Wärmebehandlung, eine geeignete Auslagerungsbehandlung, nämlich insbesondere Lösungsglühen und Anlassen, erzielt. Dies erfolgt bevorzugt lediglich bei gleichartigen Werkstoffen für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff, also insbesondere bei Al-Al-Verbunden. Insbesondere bei gleichartigen Werkstoff-Verbunden (Al-AL-Verbund) erfolgt diese Wärmebehandlung alternativ auch zuvor beispielsweise am ummantelten Rohling dem Vorformling oder auch den Einzelteilen, nämlich dem Hülsenelement und dem Einlegeteil.
Derartige Verbindungselemente 16 werden wie bereits erwähnt vorzugsweise in Leichtbauteilen mit hoher Temperaturbeanspruchung, insbesondere Zylinderkopfverschraubungen, eingesetzt. Da die Dichte des Gesamtverbundes durch die gleiche Materialklasse (Leichtmetall) nicht verändert wird, bleiben die Vorteile Leichtbau, Verringerung der Klemmlänge in Aluminium- und Magnesiummutterngewinde, geringes Korrosionspotential sowie bei Temperaturbeaufschlagung geringe Zusatzspannungen im Verbund mit Aluminium- oder Magnesiumbauteilen vollständig erhalten.
Derartige Verbindungselemente 16 haben den Vorteil, dass sie trotz der verbesserten Eigenschaften nicht zu Mehrkosten führen, insbesondere da auf erprobte und bewährte Prozesstechnologien zurückgegriffen werden können. Insbesondere kann auf die bekannten herkömmlichen Prozesse der (Wärme-)Behandlung des Drahtes (z.B. Ziehen und Weichglühen) zurückgegriffen werden. Auch die Kaltmassivumformung an Mehrstufenpressen ist vergleichbar zu den bisher bekannten Serienprozessen für die Herstellung von Aluminiumschrauben. Gleichzeitig wird jedoch eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften ohne Verringerung der durch die Oberfläche bestimmten Wechselwirkungen (Spannungsriss-Korrosion) erreicht.
Durch gezielte Wahl der Legierung für den Außenmantel kann der äußere Bereich des Verbindungselements je nach Anwendungsgebiet mit maßgeschneiderten Eigenschaften versehen werden. Insbesondere wird eine derartige Schraube als Kontaktschraube, vorzugsweise mit einem Kupfer-Mantelwerkstoff ausgebildet.
Bezugszeichenliste

2: Rohdraht
3: Kern
4: Mantel
6: ummantelter Rohdraht
8: ummantelter Rohling
10: ummantelter Vorformling
12: Kopfbereich
14: Schaftteil
16: Verbindungselement
18: Gewinde
20: Hülsenelement
22: Einlegeteil
24: Werkzeugaufnahme
d: Wandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032990 A1 [0005]
JP 2001214915 A [0006]
JP 11210728 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW 6056 [0004]
EN AW 7075 [0004]
EN AW 6056 [0018]
EN AW 6082 [0018]
EN AW 6056 [0042]
EN AW 6082 [0042]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, wobei ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt wird, der einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs, wobei auf den Kernwerkstoff ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht ist, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Mantelwerkstoff eine Aluminiumlegierung der 6000er Reihe, insbesondere die Legierung gemäß EN AW 6056 oder EN AW 6082 verwendet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kernwerkstoff eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantelwerkstoff im Vergleich zum Kernwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein ummantelter Rohdraht (6) als eine Meterware bereitgestellt wird, der zur Ausbildung des Verbindungselements (16) abgelängt und umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kern (3) als ein Einlegeteil (22) ausgebildet ist und der Mantelwerkstoff durch ein Hülsenelement (20) gebildet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Vorformling mit dem Einlegeteil (22) bereitgestellt wird, aus dem durch einen Umformvorgang eine gewünschte Endgeometrie des Verbindungselements (16) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das endgefertigte Verbindungselement (16) keiner Wärmebehandlung zur Verbesserung der Festigkeit unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein ummantelter Vorformling (10) ausgebildet wird, in den ein Gewinde (18) eingeformt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Mantel (4) beim endgefertigen Verbindungselement (16) eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke (d) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel (4) im endgefertigten Zustand in der Endgeometrie eine mittlere Wandstärke (d) im Bereich von 0,1 bis 3 mm aufweist.
Verbindungselement (16), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs, wobei auf den Kernwerkstoff ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht ist, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Verbindungselement (16) nach Anspruch 12, bei dem der Kernwerkstoff eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff aufweist.
Verbindungselement (16) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Mantelwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der Kernwerkstoff aufweist.
Verwendung eines Verbindungselement (16) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 als Motorschraube, welche in einem Bauteil eines Verbrennungsmotors eingesetzt ist.
Verwendung eines Verbindungselements (16) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 als elektrisches Kontaktelement für eine elektrische Kontaktverbindung.