DE2062187C3 - Niet und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Niet gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Niets.

In den letzten Jahren sind in zunehmendem Maße Niete verwendet worden, die aus Speziallegierungen und besonderen Metallen hergestellt worden sind. Solche Niete werden vor allem dort verwendet, wo hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist, z. B. in der Flugzeug- und Raumfahrttechnik. Für diese Verwendungszwecke spielt auch stets das Streben nach Gewichtsersparnis eine große Rolle. Titan und Titanlegierungen werden deshalb vielfach verwendet. Auch andere Legierungen werden für diesen Zweck benutzt. Bei all diesen Materialien, einschl. der Titanlegierungen tritt jedoch eine gemeinsame Schwierigkeit auf. Ein Material, das ausreichende Festigkeitseigenschaften zeigt, ist gewöhnlich schwierig durch übliche Verfahren zu nieten. Diese Materialien

haben keine ausreichende Ziehfähigkeit und lassen sich nicht ohne weiteres zu einem Schließkopf verformen. Das führt vielfach zur Bildung einer schlechten Nietung oder zum Splittern oder Spalten des Kopfes während des Nietens.

Durch die FR-PS 1506430 ist bereits ein einteilig aus einem einzigen metallischen Werkstoff bestehender Niet bekannt, bei welchem der Endabschnitt des Schaftes einer besonderen Wärmebehandlung uaterworfen wird, um dem behandelten Bereich eine bessere Ziehfähigkeit und Verformbarkeit zu verleihen. Nachteilig ist dabei der allmähliche Übergang der mechanischen Eigenschaften zwischen den unterschiedlich behandelten Abschnitten des Nietes, auf Grund dessen eine gleichförmige Anstauchung des Schaftes und vollständige Ausfüllung der Nietbohrung beim Nietvorgang verhindert wird.

Bei Versuchen zur Vermeidung dieses Mißstandes wurde eine Unterlegscheibe zwischen die Platte und den Schließkopf eingefügt, um die Bildung des Kopfes bei schwierig zu verformenden Nietschäften zu erleichtern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und einen Niet zu schaffen, der aus einer hochfesten Legierung, wie etwa einer titanhaltigen Legierung besteht, und der die Bildung eines zuverlässigen Schließkopfes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Niets sind in den Ansprüchen 2 bis 4 besti\nmt.

Der erfindungsgemäße Niet, der aus zwei an einer Grenzfläche miteinander zu einem Stück verbundenen Abschnitten aus unterschiedlich beanspruchbaren Werkstoffen besteht, zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine plötzliche oder stufenartige Änderung der mechanischen Eigenschaften zwischen dem Schaft und dessen Endabschnitt aus, und er gewähneistet deshalb eine gleichförmige Anstauchung des Schaftes und damit eine zufriedenstellende Ausfüllung der Nietbohrung und die Formung eines einwandfreien Schließkopfes. Die Verwendung einer zusätzlichen Unterlegscheibe ist bei Verwendung erfindungsgemäßer Niete überflüssig.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen hochfesten Nietes ist im Anspruch 5 angegeben.

Die Verbindung der beiden Abschnitte wird beispielsweise durch Reibschweißen, ein metallurgisches Verbindungsverfahren nach dem Druck-, Vakuumoder Diffusionsprinzip oder auch durch Fusionsschweißen mittels Elektronen- oder Laser-Strahlen hergestellt. In den weiteren Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens und bevorzugte Verfahrensabläufe bestimmt.

Niete, bei denen die einzelnen Abschnitte aus Materialien mit im wesentlichen verschiedener chemischer Zusammensetzung Hergestellt sind, können einer Wärmebehandlung unterworfen werden, nachdem die Abschnitte zusammengeschweißt worden sind. Dabei wird das M?' >■ ■' -on Kopf und Schaft auf eine verhältnismäßig hohe Scherfestigkeit gehärtet, während das Material des Endabschnittes unverändert bleibt oder mit einer merklich geringeren Scherfestigkeit und ausreichender Ziehfähigkeit versehen wird, so daß es gut verformt oder angestaucht werden kann, ohne zu brechen.

Die erforderliche Verbindung kann auch hergestellt werden, wenn der Kopf- und Schaftabschnitt und auch der Endabschnitt gesondert voneinander Wärmebehandlungen vor dem Schweißvorgang unterworfen werden, so daß der Kopf- und Schaftabschnitt auf eine verhältnismäßig hohe Scherfestigkeit gebracht und der Endabschnitt so vorbehandelt wird, daß er eine merklich geringere Scherfestigkeit und eine ausreichende Ziehfähigkeit zeigt, damit er ohne zu zerbrechen verformt oder angestaucht werden kann. Wenn

ίο die Abschnitte getrennt voneinander vor dem Verschweißen wärmebehandelt werden, ist es möglich, Materialien derselben Zusammensetzung für beide Abschnitte oder auch für die zwei Abschnitte Materialien mit im wesentlichen verschiedener Zusammensetzung zu verwenden.

Für den Schaftabschnitt des Niets wird Material mit einer Scherfestigkeit von bis zu 12656 kg/cm², einer Dehnungsfestigkeit bis zu 21090 kg/cm² bei Raumtemperatur und einer ausreichenden Festigkeit bei Temperaturen in der Größenordnung bis 537,8° C verwendet.

Materialien, die für den Endabschnitt benutzt werden, sollen nicht nur ziehfähig und verformbar sein, sondern auch mit dem Material verträglich, das für den Schaftabschnitt benutzt wird. Die beiden Teile müssen miteinander an der Grenzfläche durch Reibschweißung oder ein anderes bekanntes Verbindungsverfahren zu einem Stück zusammengefügt werden. Materialien, die in dieser Weise kombiniert werden können, um einen erfindungsgemäßen Niet herzustellen, sind in der nachstehenden Tabelle angegeben:

Tabelle 1

Kopf- und
Schaftabschnitt

Endabschnitt

Reines Titan
Niob-Legierung Nb-IZr
Niob-Legierung Nb-10W-10Ta Niob-Legierung Nb-752

Ti-6A1-4V Tantal-

Legierung FS 60

Zirkonium-Legierung Zirkonium 2

P.eines Vanadium

Reines Molybdän

Ti-SAl-IMo-IV Wie oben für alle Materialien

Ti-6Al-6V-2Sn

Wie oben für alle Materialien

Ti-13V-11 Cr-3Al Wie oben für alle Materialien

H-Il

A-286 Rostfreier Stahl-Monel

VascoMax 300

A-286 Rostfreier Stahl-Monel

Vasco-Max 300 ist eine Legierung, die aus etwa 18% Nickel, 9% Kobalt, 0,5% Molybdän, 0,6% Titan, 0,1% Aluminium und 0,02% Kohlenstoff besteht.

Die chemische Zusammensetzung der weiteren in der Tabelle 1 angeführten Materialien ist im einzelnen erläutert in der Veröffentlichung DMIC Memorandum 232 vom 1. Februar 1968 unter dem Titel »Designations of Alloys for the Aerospace Industry (Reviseo}«. Die Schrift ist veröffentlicht durch das Defense Metals Information Center, Batelle Memorial institute, Columbus, Ohio, U.S.A.

Beispiele für Materialien, die die Benutzung desselben Materials für beide Abschnitte mit der zuerst

erläuterten Wärmebehandlung gestatten, sind: Ti-6A1-4V, Beta III (Ti-ll.SMo-öZr-^SSn), T1-8M0-8V-2Fe-3Al und Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr).

Beispiele für die Herstellung der zwei Abschnitte aus verschiedenen Materialien bei Behandlung vor dem Schweißen sind: Ti-6Ak4V für den Kopf- und Schaftabschnitt und reines Titan Ti-3A1-2,5V Beta III (Τΐ-11,5Μο-6ΖΓ-4,58η), Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al oder Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr) für den Endabschnitt.

Weitere Beispiele für Materialien gleicher oder nahezu gleicher chemischer Zusammensetzung, die unter verschiedenen Bedingungen als getrennte Teile vor dem Schweißen wärmebehandelt werden, sind nachstehend gegeben:

Kopf- und Schaftabschnitt Endabschnitt

6-A1-4V Titan Lösungsbehandlung
885°C, IStd. ΙΟ"⁴
WA-Alterung 538° C
4Std. 10"",LK

Beta III Titan (nominelle

Zusammensetzung

ll,5Mo-6Zr-4,5Sn)

Lösungsbehandlung

718,3-732,2⁰C₁SmInIO"⁴

WA-Alterung 482,2° C

4 Std. 1(H, LK

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan
Lösungsbehandlung
763,9⁰CSmInIO"⁴
WA-Alterung 482,2° C
4 Std. ΙΟ"⁴, LK

Beta C Titan (nominelle
Zusammensetzung
3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)
815,6°C, kalt gezogen
39% und Alterung
482,2°C,4Std.,LK

6A1-4V Titan Ausglühen 718,3°C 1 Std. ΙΟ"⁴ LK

Beta III Titan Lösungsbehandlung 690,5-704,4° C, 5 min 10-⁴ WA-Alterung 593,3°C, 4SId-IO-⁴, gesteigertauf 63 5° C, IV₂ Std. 10-⁴, LK

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan warm gewalzt, gerichtet und angeschliffen

Beta C Titan Lösungsbehandlung 815,6° C, 15 min 1(H, LK

Die vorstehend angeführten Wärmebehandlungsbedingungen würden sich nicht erreichen lassen, wenn die angegebenen Metalle nach dem Schweißen wärmebehandelt wurden.

Weitere Beispiele für Metalle und ihre Wärmebehandlung vor dem Zusammenschweißen zu einem Nietkörper werden nachstehend gegegen:

Kopf- und Schaftsabschnitt Endabschnitt

6A1-4V Titan Lösungsbehandlung, 885° C, 1 Std.
V^ WA-Alterung, 538° C,
4 Std. 1(H, LK

Keines Titan

Beta ΠΙ Titan Lösungsbehandlung, 690.5-704,4° C 5 min 1(H WA-Alterung, 593,3° C, 4 Std. 10 , gesteigert auf 635⁰C, IV₂ Std. 1(H, LK

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan warm gewalzt, gerichtet und angeschliffen Beta C Titan Lösungsbehandlung 815,6° C, 15 min ΙΟ"⁴, LK

In diesen Beispielen bedeutet: LK Luftkühlung, WA Wasserabschreckung, 1O~⁴ den Grad des Vakuums, ausgedrückt in Torr.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine genietete Verbindung mit einem Zweistoff-Niet vor und nach dem Festschlagen,

Fig. 2-5 der Fig. 1 entsprechende Darstellungen von Nietverbindungen mit Nieten verschiedener Auslührungsforrncn.

In den Fig. 1-5 sind Platten 1 und 2 gezeigt, die durch Niete verbunden werden sollen. Bei dem Beispiel nach Fig. 1 wird ejin Niet mit einem versenkten Setzkopf 3 und in den Fig. 2 bis 5 Niete mit halbrundem Setzkopf verwendet. Es können jedoch auch Setzköpfe verschiedenster Formen angewendet werden.

Der Niet weist einen unteren Abschnitt, bestehend aus dem Endabschnitt 5 und einen oberen Abschnitt, der durch den Setzkopf 3 und den Schaft 4 gebildet wird, auf. Der Schaft 4 ist an einer Grenzfläche 6 mit dem Endabschnitt 5 verbunden. (Nach dem Setzen des Niets ist die Grenzfläche mit 6a bezeichnet).

Durch das Festschlagen wird ein Schließkopf 7 gebildet.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen sind die beiden Abschnitte entlang einer ebenen Grenzfläche verbunden, während bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 bis 5 ein unebener und daher größerer Grenzflächenbereich zwischen dem Schaftabschnitt 4 und dem Endabschnitt 5 vorgesehen ist, so daß sich eine stärkere Verbindung zwischen diesen Abschnitten ergibt. Neben der Bildung eines zuverlässigen Schließkopfes 7 und dem Eintreiben des Materials des Endabschnittes 5 in die Bohrung der Platte 2 wird bei diesen Ausfünrungsforrnen das Anstauchen des Schaftes 4 verbessert.

Fig. 3 zeigt eine kugelförmig gekrümmte Grenzflä-

ehe 6, die zum Schaftabschnitt 4 konvex und zum Endabschnitt 5 konkav ist. Bei dieser Ausführungsform bildet sich ein verbesserter Schließkopf 7; außerdem werden die Bohrungen in den Platten 1 und 2 durch die Ausdehnung des Schaftes 4 besser ausgefüllt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird die Grenzfläche dadurch weiter vergrößert, daß der Schaftabschnitt 4 wesentlich tiefer in den Endabschnitt 5 vorspringt als nach Fig. 3 vorgesehen. Der Schaftabschnitt steht dabei ein merkliches Stück über die Außenfläche der Platte 2 vor, so daß beim Nieten eine größere Anstauchwirkung auf dem Schaftabschnitt 4 erzeugt und dadurch eine bessere Ausfüllung der Bohrungen in den Platten 1 und 2 durch den Nietschaft gewährleistet wird.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ringform erstreckt sich der Schaftabschnitt über die gesamte Länge des Niets. Der Endabschnitt liegt konzentrisch an der Außenseite des Schaftabschnittes an und erstreckt sich auch bei dieser Ausführungsform in die Platte 2 hinein. Beim Nietvorgang wird der Schaftabschnitt 4 bereits außerhalb der Platte 2 angestaucht, wodurch infolge dessen Ausdehnung die Bohrlöcher in den Plat-

ten 1 und 2 vollständig ausgefüllt werden. Der in dem Endabschnitt ausgebildete Schließkopf umgibt diesen angestauchten Teil des Endes des Schaftabschnittes und dringt auch in den freien Raum des Bohrlochs der Platte 2 ein, wodurch sich ein besonders zuverlässiger Schließkopf bildet.

Es ist zu beachten, daß in allen Fällen die Grenzfläche zu den Platten 1 und 2 eine bestimmte Lagebeziehung haben muß. Für die ebene Grenzfläche nach Fig. 1 und 2 ist es wesentlich, daß sie innerhalb der durch die Außenflächen der zu verbindenden Bleche gegebenen Grenzen liegt, welche die Klemmlänge des Niets bestimmen. Im Fall der Ausführungsformen

nach Fig. 3,4 und 5 muß die Grenzfläche im wesentlichen innerhalb der Klemmlänge des Nietes liegen. Von den hier in den F i g. 3 bis 5 beschriebenen drei Ausführungsformen zeigt die Fig. 3 die einfachste und die am billigsten herzustellende, während die nach Fig. 5 am schwierigsten ist. Die Entscheidung, welche Ausführungsform gewählt werden soll, ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit, verbunden mit der Beachtung der durch die Anwendung gegebenen Erfordernisse sowie des Ausmaßes an Widerstand, den das Material des Schaftes dem Anstauchen entgegensetzt. Alle hier beschriebenen Ausführungsformen haben besondere Vorteile.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Niet, aus Metallen oder Metail-Legierungen, mit einem Setzkopf, einem Schaft hoher Scher- und Zugfestigkeit und einem ziehfähigen, zur Schließkopfbildung verformbaren Endabschnitt des Schaftes, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei ursprünglich getrennten, an einer Grenzfläche stoffschlüssig zu einem Stück miteinander verbundenen Abschnitten zusammengesetzt ist, die einerseits aus dem durch den Setzkcpf und den Schaft gebildeten Abschnitt (3, 4) und andererseits aus dem Endabschnitt (5) aus entsprechend unterschiedlich beanspruchbaren metallischen Werkstoffen bestehen.

2. Niet, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf- und Schaftabschnitt (3, 4) mit dem Endabschnit (5) an der Grenzfläche (6) verschweißt ist.

3. Niet, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf- und Schaftabschnitt (3,4) und der Endabschnitt (5) aus unterschiedlich behandelten Metall-Werkstoffen mit im wesentlichen derselben chemischen Zusammensetzung bestehen.

4. Niet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf- und Schaftabschnitt (3, 4) und der Endabschnitt (S) aus Metallwerkstoffen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung eines Niets nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den Setzkopf (3) und den Schaft (4) bildende Abschnitt durch Wärmebehandlung auf hohe Scher- und Zugfestigkeit gebracht wird, daß ein Endabschnitt durch Wärmebehandlung ziehfähig und leicht formbar gemacht wird, und daß sodann die Abschnitte miteinander an einer Grenzfläche stoffschlüssig verbunden werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kopf- und Schaftabschnitt eine der folgenden Legierungen verwendet und wie folgt behandelt wird:

6A1-4V Titan lösungsgeglüht 885° C 1 Std. ΙΟ"⁴

WA-Alterung 538° C

4 Std. 10Λ LK

Beta III Titan (nominelle Zusammensetzung 11,5 Mo-6Zr-4,5 Sn lösungsgeglüht 718,3-732,2° C 5 min 10"⁴ WA-Alterung 482,2° C

4 Std. ICK⁴, LK

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan lösungsgeglüht 763,9° C 5 min 10 "⁴

WA-Alterung 482,2° C

4 Std. 10 ⁴, LK

Beta C Titan (nominelle Zusammensetzung 3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)

815,6° C kalt gezogen,

39% und Alterung 482,2° C 4 Std., LK

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Endabschnitt eine der folgenden Legierungen verwendet und wie folgt behandelt wird:

6A1-4V Titan Ausglühen

718,3° C
1 Std. ΙΟ"⁴, LK
Beta ΠΙ Titan lösungsgeglüht
690,5-704,4° C 5 min. ΙΟ"⁴
•WA-Alterung 593,3° C
4 Std. 10"⁴, gesteigert auf 635° C
I¹Z₂ Std. 10"\ LK

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan und warm gewalzt, gerichtet und angeschliffen
Beta C Titan lösungsgeglüht
815,6° C 15 min. ΙΟ"⁴, LK

8. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kopf- und Schaftabschnitt eine der folgenden Legierungen verwendet und wie folgt behandelt wird:

Ti-6A1-4V

Beta ΠΙ (Ti-Il 5Mo-6Zr-4,5Sn)

Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al

Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)

Ti-8Al-lMo-lV oder

Ti-13V-llCr-3AI,

lösungsgeglüht,

ausgeglüht 718,3° C 1 Std. 10"⁴, LK

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Endabschnitt eines bzw. eine der folgenden Metalle oder Metall-Legierungen verwendet und wie folgt behandelt wird:

Titan, Vanadium, Molybdän, Nb-IZr, Nb-752, Nb-IOW-IOTa, Tantal FS60, Zirkonium 2, Ti-3A1-2,5V, Beta III (Ti-ll^Mo-oZr^.SSn) Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C (Ti-2Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr), 3A1-2.5V; ausgeglüht bei 704,4° C Std. ΙΟ"⁴, LK,

Beta III Titan lösungsgeglüht

690,5-704,4° C 5 min. lO"⁴ WA-Alterung 593,3° C 4 Std. 10"⁴, gesteigert auf 635° C IV₂ Std. 10"⁴, LK;

8Mo-8V-2Fe-3Al Titan warm gewalzt, gerichtet und angeschliffen oder Beta C Titan lösungsgeglüht

815,6° C 15 min. 10'⁴, LK;

In den Ansprüchen 6 bis 9 bedeuten: LK Luftkühlung, WA Wasserabschreckung, 10 "⁴ den Grad des Vakuums, ausgedrückt in Torr.