DE4431769A1 - Stanzniet aus rostfreiem Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stanzniet aus rostfreiem Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Vergleich zu anderen Fügeverfahren zum Verbinden von Ble­ chen liegen die Vorteile des Stanznietens vor allem darin, daß keine Vorarbeiten, wie das Lachen der Bleche, vorgenom­ men werden müssen. Der als Hohlniet ausgebildete Stanzniet mit einer als Schneidkante ausgebildeten Bohrungsansenkung durchstanzt das obere Blech, um sich dann im zweiten Blech durch Aufspreizen plastisch zu verformen. Insbesondere von dem bei der Spreizung erzielten Hinterschnitt hängt die Festigkeit der Nietverbindung ab. Ein weiterer Vorteil ist das nicht gelochte zweite Blech, so daß eine weitgehend dichte Verbindung und eine nicht beschädigte Schutzschicht des matrizenseitigen, also des zweiten Bleches, erzielt wird. Im Gegensatz zu thermischen Fügeverfahren stellt sich beim Stanznieten kein Verzug ein. Auch werden keine schäd­ lichen Emissionen freigesetzt. Schließlich lassen sich mit Stanznieten zwei unterschiedliche Werkstoffe problemlos mit­ einander verbinden.

Bisher sind Nieten aus V2A-Stahl zum Fügen von nicht rosten­ den Blechen, wie beispielsweise Aluminium oder Zinkblechen bekannt. Sollen aber Bleche höherer Festigkeit, also aus legierten Stählen wie V2A-Stahl mit Stanznieten gefügt wer­ den, so reicht die Festigkeit der aus V2A-Stahl hergestell­ ten Stanznieten nicht mehr aus, das obere Blech einwandfrei zu lochen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Werkstoff für Stanznieten zu verwenden, der die für das Stanznieten erforderliche Eigenschaftskombination erfüllt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei den metastabilen, austenitischen Stählen handelt es sich um bestimmte Stähle mit einem Mangananteil von mindestens 10%, die bei der Verformung eine Umwandlung von Austenit in Martensit erfahren, also eine martensitische Härtung er­ folgt. Damit ergeben sich die erfindungsgemäßen vorteilhaf­ ten Eigenschaften für Stanzniete, nämlich einerseits beim Durchstanzen des ersten Bleches eine Umwandlung von Austenit in Martensit zur Erzielung einer großen Härte an der Schneidkante und andererseits eine hohe Verformbarkeit im oberen Bereich des Niets, also im Schaftbereich, zum plasti­ schen Umformen im zweiten Blech.

Metastabile austenitische Stähle sind bekannt. Sie enthalten üblicherweise einen Zusatz von 10% Mangan sowie ferner einen Zusatz von etwa 13% Chrom, um Korrosionsfreiheit zu gewähr­ leisten. In diesem Zusammenhang wird auf folgende Disserta­ tion hingewiesen: Dipl.-Ing. Isabella-Maria Gdynia-Zylla "Gefügeoptimierung von metastabilen austenitischen Cr-Mn-Stählen zur Erhöhung der Kavitationsbeständigkeit durch verformungsinduzierte martensitische Umwandlung" in FORT­ SCHRITT-BERICHTE VDI-Verlag, Reihe 5: Grund und Werkstoffe Nr. 217, 1991. Hier ist insbesondere ein metastabiler Auste­ nit-Stahl X 35 Cr-Mn 1310 untersucht. Es wird vorgeschlagen, die metastabilen austenitischen Cr-Mn-Stähle dank ihres gu­ ten Kavitationsverhaltens als kavitationsbelastete Teile von Wasserturbinen und Pumpen anzuwenden oder auch beim Ver­ schleiß in korrosiven Medien wie z. B. für Schaufelradbagger.

Beim Stanznieten werden die besonderen Eigenschaften des metastabilen Austenits jedoch insofern ausgenützt, als sich durch die Umwandlung beim Durchstanzen des ersten Bleches eine große Härte an der Schneidkante ergibt, mit der Edel­ stahlbleche durchschnitten werden können, während im Schaft­ bereich des Niets die hohe Verformbarkeit erhalten bleibt, die zum plastischen Umformen des Stanzniets im zweiten Blech zur Erzielung einer hohen Fügefestigkeit erforderlich ist.

Durch die Zugabe von mindestens 10 bis 12%, vorzugsweise 13% Mangan wird bei einer Legierung ein austenitischer Zustand erreicht. Wie bereits erläutert, hat das metastabile auste­ nitische Gefüge die Eigenschaft, sich bei starker Verformung in Martensit umzuwandeln. Diese Verformung erfolgt, wenn beim Stanznieten die Schneidkante der Niet auf das stempel­ seitige Blech trifft. Hierbei erhält die Schneidkante die notwendige Festigkeit und kann somit das obere Blech durch­ stanzen.

Die mechanischen Eigenschaften der Cr-Mn-Stähle sind be­ kannt, wie je nach Verformung Zugfestigkeiten von 800 bis 1700 MPa, Dehngrenzen von 400 bis 1500 MPa und Bruchdehnun­ gen von 15 bis 30%.

Durch Chromgehalte von mindestens 13% wird eine Korrosions­ beständigkeit der stähle durch die Bildung einer sogenannten Passivschicht erzielt.

Die Herstellung der Niete kann durch eine spanende Bearbei­ tung erfolgen, bei der der Nietwerkstoff nicht aushärten kann. Ein Beispiel eines bekannten Stanznietes ist in Fig. 1 dargestellt. Der Stanzniet besitzt einen Nietkopf 1, der als Senkkopf ausgebildet ist, an den sich ein Nietschaft 2 an­ schließt, in dem eine Sackbohrung 3 eingebracht ist. Die Stirnseite des Nietschaftes 2 ist mit einer Ansenkung 4 ver­ sehen, die mit der Längsachse des Stanznietes einen Winkel einschließt, so daß sich eine Schneidkante 5 bildet. Dieser Winkel beträgt in Fig. 1 90°. Der in Fig. 1 dargestellte Stanzniet wird auch als Halbhohlniet bezeichnet.

Die Umformung des Stanznietes ist in Fig. 2 dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß das erste Blech 6 von der Schneidkante 5 am Nietfuß durchschnitten worden ist und die Schneidkante teilweise in das zweite Blech 7 eingetreten ist, ohne dieses zu durchschneiden und daß der Nietschaft 2 eine Aufspreizung erfahren hat. Der sich dabei einstellende Hinterschnitt S_H führt den Formschluß der Nietung und damit die Fügefestigkeit herbei.

Durch die Herstellung im kalten Zustand behält der meta­ stabile Austenit sein austenitisches Gefüge und somit die Elastizität, die für die Spreizung des Nietschaftes notwen­ dig ist. Der gut ausgebildete Hinterschnitt führt zu hohen Scherzugfestigkeiten der Verbindungen. Die gute Verformbar­ keit zeigt sich ebenfalls in einem ideal ausgebildeten Niet­ fuß und einem guten Formschluß. Sehr gute Ergebnisse ließen sich mit Ansenkungen von 60° bis 90° sowie mit Nietlängen von 5 bis 8 mm erzielen. Die Nietlänge richtet sich nach den verwendeten Blechsorten und Stärken. Es zeigt sich, daß der nicht vorverformte metastabile Austenit ein universell ein­ setzbarer Nietwerkstoff ist.

Die erfindungsgemäße Stanzniete lassen sich auch durch Kalt­ verformung herstellen, wie dies bekannt ist. Beim Kaltver­ fahren bzw. Kaltschlagen tritt jedoch eine Verfestigung des austenitischen Gefüges auf, die im Bereich der Schneidkante vorteilhaft, aber zum Umformen des Nietschaftes zur Ausbil­ dung des Hinterschnitts beim Nietvorgang nachteilig ist.

Abhilfe läßt sich dadurch schaffen, daß der kaltverformte Stanzniet einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um das austenitische Gefüge wiederherzustellen oder, daß die Preß­ formung der Stanzniete in einer beheizten Form vorgenommen wird, so daß beim Ausformen der Niete der metastabile Zu­ stand erhalten bleibt.

Es hat sich aber auch gezeigt, daß sich auch mit durch Kalt­ verformung hergestellten Stanznieten annehmbare Ergebnisse erzielen lassen, insbesondere wenn der Winkel der Ansenkung gemäß Fig. 1 90° und die Nietlänge 5 mm betrug. Jedenfalls lassen sich mit durch Kaltverformung hergestellten Stanznie­ ten weichere Blechwerkstoffe und Blechkombinationen aus V2A-Stahl und beispielsweise Aluminium einwandfrei nieten.

Claims (8)

1. Stanzniet aus rostfreiem Stahl mit einer an der Stirnseite des Nietschaftes ausgebildeten Schneidkante, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stahl ein metastabiler auste­ nitischer Stahl ist, der die erforderliche Härte an der Schneidkante durch das Stanzen beim Nietvorgang erhält und der im Schaftbereich eine hohe Verformbarkeit zum Umformen beim Nietvorgang aufweist.

2. Stanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zum Erzielen des metastabilen Verhaltens einen Zusatz von mindestens 10% Mn erhält.

3. Stanzniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zusatz mindestens 10%, insbesondere 13% Mn beträgt.

4. Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zum Erzielen von Kor­ rosionsbeständigkeit einen Zusatz von etwa 13% Cr erhält.

5. Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stanzniet aus Stahl X 35 Cr-Mn 1310 besteht.

6. Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Stanzniets durch spanende Bearbeitung erfolgt.

7. Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Stanzniets durch Preßformung erfolgt.

8. Stanzniet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßformung im warmen bzw. halbwarmen Zustand er­ folgt.