DE202006000606U1 - Screw or bolt used for cylinder heads comprises a head made from a first material which is welded to a large part of the shaft made from a second material - Google Patents

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Abstract

Screw (10) or bolt comprises a head (12) made from a first material which is welded to a large part of the shaft (14) made from a second material. Preferred Features: The first material is made from steel and the second material is made from titanium, dilavar or other material and the second material is a steel having a high carbon content or a light metal or the first material is titanium or stainless steel and the second material is quenched or tempered steel, steel having a low carbon content or steel having a high carbon content.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bolzen oder Schrauben, die aus zwei Teilen durch Schweißen zusammengesetzt sind, wobei die Teile aus verschiedenen Materialien bestehen können.The The present invention relates to bolts or screws consisting of two Parts by welding are composed, the parts of different materials can exist.

Ein wichtiges Anmeldungsfeld der vorliegenden Erfindung sind Zylinderkopfschrauben. Bei diesen handelt es sich normalerweise um sehr lange Teile. Insbesondere Motoren mit Aluminiumgehäuse weisen extrem lange Zylinderkopfschrauben auf. Darüber hinaus existieren in einem Vier-Zylindermotor zehn Zylinderkopfschrauben und in einem Sechs-Zylindermotor vierzehn Zylinderkopfschrauben. Das Gewicht der Schrauben ist daher bedeutsam. In der Automobilindustrie wird ständig eine Gewichtsreduktion angestrebt. Aus diesem Grund haben die Entwickler versucht, Zylinderkopfschrauben aus Titan zu verwenden. Die Herstellung der erforderlichen Schraubenköpfe aus Titan ist jedoch dann extrem schwierig und erfordert sehr viel Erfahrung.One important application field of the present invention are cylinder head bolts. These are usually very long parts. Especially Motors with aluminum housing point extremely long cylinder head bolts on. In addition, exist in one Four-cylinder engine ten cylinder head bolts and in a six-cylinder engine fourteen cylinder head bolts. The weight of the screws is therefore significant. In the automotive industry is constantly losing weight sought. Because of this, the developers have tried out cylinder head bolts To use titanium. The preparation of the required screw heads However, titanium is extremely difficult and requires a lot of experience.

Außerdem sucht die Automobilindustrie Schrauben mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nahe dem von Aluminium liegt, wenn ein Zylinderkopf aus Aluminium Verwendung findet.Also looking for the automotive industry screws with a thermal expansion coefficient, which is close to that of aluminum, if an aluminum cylinder head Use finds.

Die vorliegende Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gesetzt, die folgenden Probleme einzeln oder in Verbindung miteinander einer besseren Lösung zuzuführen: The The present invention has therefore set itself the task, the following problems individually or in conjunction with each other better solution supply:

1. Gewichtsreduktion:1. Weight reduction:

Es ist unproblematisch, den Kopf einer Schraube oder eines Bolzens oder den Kopf und ein kurzes Stück vom Schaft aus Stahl herzustellen. Andererseits ist es ebenfalls problemlos möglich, ein Gewinde auf eine Stange aus Metall mit geringem spezifischem Gewicht zu walzen.It is not a problem, the head of a screw or a bolt or the head and a short piece from the steel stem. On the other hand it is also easily possible, a thread on a rod of metal with low specific To roll weight.

Erfindungsgemäß wird die Gewichtsreduktion dann dadurch erreicht, dass die beiden Teile, beispielsweise der Kopf der Schraube aus Stahl und der Schaft beispielsweise aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder Titan, durch Reibschweißen verbunden werden. Aufgrund der Länge von Zylinderkopfschrauben kann eine erfindungsgemäß hergestellte Schraube erheblich leichter sein als eine Schraube aus Stahl.According to the invention Weight reduction is achieved by the fact that the two parts, For example, the head of the screw made of steel and the shaft, for example made of a light metal such as aluminum or titanium, joined by friction welding become. Due to the length of cylinder head bolts, a screw made according to the invention be considerably lighter than a steel screw.

2. Vermeidung eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schraube und der verbundenen Materialien:2. Avoiding a different one coefficient of thermal expansion of the screw and the connected Materials:

Erfindungsgemäß können nicht nur Titan und Stahl, sondern auch viele andere verschiedene Metalle kombiniert werden. Es kann beispielsweise ein Kopf aus Stahl und ein Schaft aus Dilavar (Ni 13 (X 68 NiMnCrV Nb 12 5) – Werkstoff Nr. 1.3937) verbunden werden. Der entscheidende Vorteil von Dilavar ist der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient, der dem von Aluminium gleicht. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass weder die Schraube noch die verbundenen Teile aufgrund der Wärmeeinflüsse in einem Motor zusätzliche Last aufnehmen müssen. In diesem Falle (bei der Kombination von Stahlkopf und Dilavar-Schaft) kann die Schweißverbindung durch Reibschweißen, Widerstandsschweißen, Lichtbogenschweißen oder einem anderen Schweißprozess hergestellt sein.According to the invention can not only titanium and steel, but also many other different metals be combined. For example, it can be a head of steel and a shaft made of Dilavar (Ni 13 (X 68 NiMnCrV Nb 12 5) material No. 1.3937). The key advantage of Dilavar is the high thermal expansion coefficient, that of aluminum like. In this way it can be achieved according to the invention that neither the screw still the connected parts due to the heat influences in one Engine additional Have to absorb load. In this case (with the combination of steel head and Dilavar shaft) can the welded joint by friction welding, Resistance welding, Arc welding or another welding process be prepared.

3. Erleichterung der Herstellung von Schrauben aus Materialien, die kaum oder gar nicht kaltverformbar sind:3. Facilitate the production of screws made of materials that are barely or not at all cold-workable:

Eine Schraube mit einem Stahlkopf kann mit einem Gewindeschaft durch Reibschweißen oder einem anderen Schweißprozess erfindungsgemäß verbunden werden. Der mit einem Gewinde versehene Schaft kann aus einem Stahl hergestellt sein, der kaum oder gar nicht kaltverformbar ist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt handeln. Der Schraubenkopf hingegen kann entsprechend umgeformt werden oder er kann aus einer Profilstange des nicht oder schwer kaltverformbaren Materials geschnitten sein und dann durch den erfindungsgemäßen Schweißprozess mit dem Schaft verbunden werden, so dass gar keine Kaltumformung erforderlich ist.A Screw with a steel head can be threaded through with a threaded shaft friction welding or another welding process connected according to the invention become. The threaded shaft can be made of a steel be made, which is barely or not cold-formable. For example it can be a high carbon steel. The screw head, however, can be reshaped or he can from a profile bar of the not or hard cold-formed Be cut material and then through the welding process of the invention be connected to the shaft, so that no cold forming is required.

4. Herstellung von Bolzen oder Schrauben für Anwendungen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern:4. Production of bolts or screws for Applications requiring high corrosion resistance:

Bolzen oder Schrauben, die ein hervorragendes Aussehen behalten müssen und gleichzeitig hoch korrosionsbeständige Köpfe aufweisen müssen, können erfindungsgemäß aus zwei Teilen hergestellt werden, wobei die Teile durch Reibschweißen oder ein anderes Schweißverfahren verbunden sind.bolt or screws that need to keep an excellent appearance and at the same time highly corrosion resistant Have heads have to, can according to the invention of two Parts are produced by friction welding or another welding process are connected.

Dabei kann der Schraubenkopf beispielsweise aus Leichtmetall wie Titan oder Edelstahl hergestellt sein, während der Schaft aus abgeschrecktem und angelassenem Stahl oder Stahl mit niedrigem oder hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt sein kann.there For example, the screw head may be made of light metal such as titanium or stainless steel, while the shank is quenched and tempered tempered steel or low or high carbon steel can be made.

Insbesondere bei Schrauben mit einem langen Schaft kann auf diese Weise erfindungsgemäß eine ganz erhebliche Reduktion der Materialkosten erreicht werden, wenn der Schaft aus nor malem (preisgünstigem) Stahl an Stelle des sehr teuren Titans oder Edelstahls hergestellt wird.Especially in screws with a long shaft can in this way according to the invention a whole substantial reduction of material costs can be achieved if the Stock of normal (low-priced) Steel made in place of very expensive titanium or stainless steel becomes.

5. Schrauben für Hochtemperaturanwendungen:5. Screws for high temperature applications:

Für Anwendungsfälle mit extrem hohen Temperaturen, wie in Verbrennungskammern, Auspuffanlagen oder Turboladern, werden Schrauben aus hochtemperaturbeständigem Material, beispielsweise hochtemperaturfesten Stählen, wie Hastelloy® oder Nimonic, erforderlich. Auch diese Materialien sind nicht oder kaum kaltverformbar.For applications with extremely high Tem temperatures, such as in combustion chambers, exhaust or turbochargers are screws of high temperature resistant material such as high temperature resistant steels such as Hastelloy ® or Nimonic required. These materials are not or hardly cold formable.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die entsprechenden Schrauben durch Schweißen eines Kopfes an einen Schaft mit eingewalztem Gewinde herzustellen, wenn eine Herstellung einer Schraube durch Kaltverformung, beispielsweise Schmieden, aus diesen Materialien nicht möglich ist. Dabei können Kopf und Schaft aus dem gleichen hochtemperaturbeständigen Stahl hergestellt werden. Der Kopf kann dabei erfindungsgemäß gefräst oder aus einem profiliertem Stangenmaterial geschnitten sein. Erfindungsgemäß wird dieser dann durch ein Schweißverfahren mit dem Schaft verbunden. Auf diese Weise kann eine Schraube aus hochtemperaturbeständigem Material ganz ohne Kaltumformung und dennoch auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden.Therefore, according to the invention proposed to weld the appropriate screws by welding Head to produce a shaft with rolled thread, if a production of a screw by cold forming, for example, forging, not possible from these materials is. It can Head and shaft made of the same high temperature resistant steel getting produced. The head can be milled according to the invention or be cut from a profiled bar stock. According to the invention this then by a welding process connected to the shaft. That way a screw can out high temperature Material without cold forming and yet economical Be made way.

Erfindungsgemäß wurde auch erstmals erkannt, dass es möglich ist, Stahl und Titan durch einen Reibschweißvorgang haltbar zu verbinden.According to the invention was also first recognized that it is possible is to connect steel and titanium durable by a friction welding process.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings Drawings illustrated embodiments explained in more detail. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Schraube links der Rotationsachse mit z. B. durch eine Drehoperation entferntem Schweißgut und rechts der Rotationsachse nach dem Verschweißen mit Schweißgut dargestellt; 1 a screw according to the invention left of the axis of rotation with z. B. represented by a rotary operation remote weld metal and right of the axis of rotation after welding with weld metal;

2 eine teilweise geschnittene Darstellung der 1, und 2 a partially sectioned view of 1 , and

3 eine weitere erfindungsgemäße Schraube von der Seite in gleicher Weise dargestellt, wie in 1. 3 a further inventive screw from the side in the same way as shown in FIG 1 ,

1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraube 10, bei der der Kopf 12 aus Stahl und der Schaft 14 aus Titan besteht. Der Schaft 14 kann dabei auch aus Dilavar oder einem anderen nicht oder kaum kaltverformbaren Stahl bestehen. Links der Rotationsachse der Schraube ist der Zustand nach dem Entfernen des Schweißguts dargestellt, rechts ist der verschweißte Zustand dargestellt, wobei die Schweißnaht 16 ersichtlich ist. 1 shows a screw according to the invention 10 in which the head 12 made of steel and the shaft 14 made of titanium. The shaft 14 can also be made of Dilavar or another steel that can not be cold formed or hardly deformed. On the left of the axis of rotation of the screw, the state after removal of the weld metal is shown, right, the welded state is shown, with the weld 16 is apparent.

2 zeigt eine Schnittdarstellung der Schraube der 1, hier ist deutlich sichtbar, wie in dem Schraubenkopf 12 eine Ausnehmung zur Aufnahme des Schaftes 14 vorgesehen ist, um auf diese Weise eine bessere und haltbarere Verschweißung zu erzielen. 2 shows a sectional view of the screw of 1 , here is clearly visible, as in the screw head 12 a recess for receiving the shaft 14 is intended to achieve in this way a better and more durable weld.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Kopf 22 der erfindungsgemäßen Schraube 20 zusammen mit einem kurzen Stück 23 des Schaftes aus Stahl hergestellt ist. Der Rest 24 des Schaftes ist aus Titan hergestellt. In der linken Hälfte der Zeichnung ist wieder der Zustand nach dem Entfernen des Schweißguts dargestellt, rechts der Zustand nach dem Verschweißen, verdeutlicht durch die Schweißnaht 26. 3 shows a further embodiment of the present invention, in which the head 22 the screw according to the invention 20 along with a short piece 23 of the shank is made of steel. The rest 24 The shaft is made of titanium. In the left half of the drawing, the state after the removal of the weld metal is shown again, on the right the state after welding, illustrated by the weld 26 ,

Die Verbindung kann dabei vorzugsweise durch Reibschweißen, aber auch durch Widerstandsschweißen oder Lichtbogenschweißen oder anderes Schweißverfahren hergestellt sein.The Connection can preferably be by friction welding, but also by resistance welding or arc welding or other welding process be prepared.

Claims (9)

Schrauben (10; 20) oder Bolzen aus zwei verschiedenen Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kopf (12; 22) aus dem ersten Material und zumindest ein großer Teil des Schaftes (14; 24) aus dem zweiten Material hergestellt ist und das Teil (12; 22) aus dem ersten Material durch Schweißen mit dem Teil (14; 24) aus dem zweiten Material verbunden ist.Screws ( 10 ; 20 ) or bolts of two different materials, characterized in that at least the head ( 12 ; 22 ) of the first material and at least a large part of the shaft ( 14 ; 24 ) is made of the second material and the part ( 12 ; 22 ) of the first material by welding to the part ( 14 ; 24 ) is connected from the second material. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Stahl und das zweite Material Titan oder Dilavar oder ein anderer Werkstoff ist.Screws or bolts according to claim 1, characterized in that that the first material is steel and the second material is titanium or Dilavar or another material is. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material hoch-kohlenstoffhaltiger Stahl oder ein Leichtmetall ist.Screws or bolts according to claim 2, characterized in that that the second material is high-carbon steel or a Alloy is. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Titan oder Edelstahl ist, während das zweite Material abgeschreckter und angelassener Stahl oder niedrig-kohlenstoffhaltiger Stahl oder hoch-kohlenstoffhaltiger Stahl ist.Screws or bolts according to claim 1, characterized in that that the first material is titanium or stainless steel, while the second material quenched and tempered steel or low-carbon Steel or high-carbon steel is. Schrauben oder Bolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißung mittels Reibschweißen, Widerstandsschweißen oder Lichtbogenschweißen hergestellt ist.Screws or bolts according to one of claims 1 to 4, characterized in that the weld by means of friction welding, resistance welding or Arc welding is made. Schrauben oder Bolzen, dadurch gekennzeichnet, dass Kopf (12) und Schaft (14) getrennt hergestellt und durch Schweißen verbunden sind.Screws or bolts, characterized in that head ( 12 ) and shank ( 14 ) are manufactured separately and connected by welding. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch Reibschweißen hergestellt ist.Screws or bolts according to claim 6, characterized in that that the connection is made by friction welding. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material hochtemperaturfester Stahl ist.Screws or bolts according to claim 6 or 7, characterized in that the material is high temperature resistant steel. Schrauben oder Bolzen nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (12) gefräst oder aus profiliertem Stangenmaterial geschnitten ist, während der Schaft (14) mit dem Gewinde gewalzt ist.Screws or bolts according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the head ( 12 ) or cut from profiled bar stock while the stock ( 14 ) is rolled with the thread.
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