DE4431769C2 - Stanzniet aus rostfreiem Stahl - Google Patents
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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 Lochen 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 hergestellten
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 guten
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 SH 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein metastabi
ler austenitischer Stahl ist, der die erforderliche Härte an der Schneidkante durch
das Stanzen beim Nietvorgang erhält und der im Schaftbereich eine hohe Verform
barkeit 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
aufweist.
3. Stanzniet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz 13%
Mn beträgt.
4. Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stahl zum Erzielen von Korrosionsbeständigkeit einen Zusatz von etwa 13% Cr
aufweist.
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 Pressfor
mung im warmen bzw. halbwarmen Zustand erfolgt.
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