EP0136731B1

EP0136731B1 - Aluminium rivets

Info

Publication number: EP0136731B1
Application number: EP84201010A
Authority: EP
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Wincierz; Hans-Peter Dr.-Ing. Sattler
Original assignee: Sueddeutsche Metallindustrie GmbH and Co KG
Current assignee: Sueddeutsche Metallindustrie GmbH and Co KG
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1987-10-21
Also published as: ATE30341T1; US4620886A; CA1233677A; DE3466896D1; EP0136731A1; DE3328890A1; JPS6059041A

Abstract

Rivets for use in the aircraft industry are made from a wrought aluminum alloy (Material No. 3.1324 in accordance with DIN). As that alloy will precipitation-harden at room temperature, the rivets must be closed immediately after they have been annealed and quenched. The time in which the rivets can be deformed can be extended to as much as one week if the rivets are stored below -17 DEG C. In order to overcome said disadvantages in the processing of the rivets, 0.002 to 0.3% cadmium is added to the wrought aluminum alloy. The resulting modified material exhibits a delayed precipitation hardening at room temperature and even when it is fully precipitation-hardened has a very high ductility. For this reason the precipitation hardening will not impose restrictions as regards the time in which rivets made of said alloy can be closed.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf dauerschlagbare Niete aus einer Aluminium-Knetlegierung mit 0,20 bis 0,80 % Si, 0 bis 0,70 % Fe, 3,5 bis 4,5 % Cu, 0,40 bis 1,0 % Mn, 0,40 bis 1,0 % Mg, 0 bis 0,10 % Cr, 0 bis 0,25 % Zn. 0 bis 0,20 % Ti + Zr, andere Elemente einzeln 0 bis 0,05 % und gesamt 0 bis 0,15 %, Rest Aluminium.The invention relates to permanent impact rivets made of a wrought aluminum alloy with 0.20 to 0.80% Si, 0 to 0.70% Fe, 3.5 to 4.5% Cu, 0.40 to 1.0% Mn , 0.40 to 1.0% Mg, 0 to 0.10% Cr, 0 to 0.25% Zn. 0 to 0.20% Ti + Zr, other elements individually 0 to 0.05% and total 0 to 0.15%, balance aluminum.

Diese Legierung hat nach DIN die Werkstoff-Nr. 3.1324 bzw. die Nr. 2017 der Aluminium Association. Sie wird überwiegend zur Herstellung von Nieten für die Flugzeugindustrie gemäß LN 9197, 9198 und 9199 verwendet. Sie besitzt im Anlieferungszustand eine Zugfestigkeit von 215 bis 295 N/mm² und eine Scherfestigkeit quer zur Längsachse von 255 N/mm².According to DIN, this alloy has material no. 3.1324 or No. 2017 of the Aluminum Association. It is mainly used to manufacture rivets for the aircraft industry in accordance with LN 9197, 9198 and 9199. When delivered, it has a tensile strength of 215 to 295 N / mm ² and a shear strength transverse to the longitudinal axis of 255 N / mm ² .

Gemäß Beiblatt 1, Seite 4, zum Werkstoff-Legierungsblatt WL 3.1324, Ausgabe Juni 1983, müssen Niete aus der genannten Legierung unmittelbar vor der Verarbeitung lösungsgeglüht und abgeschreckt werden. Die Verarbeitung ist im sogenannten instabilen Zustand durchzuführen und muß innerhalb von 2 Stunden nach dem Abschrecken beendet sein. Falls eine Verarbeitung innerhalb von 2 Stunden nach dem Lösungsglühen nicht möglich ist, muß eine Lagerung in Tiefkühltruhen bei -17 °C erfolgen. Aber auch dann ist die Verarbeitungszeit auf eine Woche beschränkt. Bei Raumtemperatur kalt ausgelagerte Niete oder überlagerte Niete können etwa fünfmal erneut wärmebehandelt werden.According to Supplement 1, page 4, to the material alloy sheet WL 3.1324, June 1983 edition, rivets made from the alloy mentioned must be solution-annealed and quenched immediately before processing. Processing must be carried out in the so-called unstable state and must be completed within 2 hours after quenching. If processing is not possible within 2 hours after solution annealing, it must be stored in freezers at -17 ° C. But even then the processing time is limited to one week. Rivets or rivets overlaid at room temperature can be heat-treated about five times.

Bei einer Verarbeitung im kaltausgehärteten Zustand entfallen die zeitlichen Beschrärrkungen. Es muß jedoch mit erhöhter Gefahr der Rißbildung am Schließkopf und mit verminderter Schwingungsfestigkeit der Nietverbindung gerechnet werden.When processing in the cold-hardened state, there are no time restrictions. However, an increased risk of cracking at the closing head and a reduced vibration resistance of the riveted joint must be expected.

Durch die Vorschriften für die Verarbeitung der Niete im weichgeglühten und abgeschreckten Zustand, wird deren Anwendung sehr erschwert. Beim Neubau von Flugzeugen oder anderen genieteten Gegenständen, lassen sich die Verarbeitungsbedingungen durch entsprechende Einrichtungen und Organisation noch am ehesten einhalten. Aber auch hier sind Fehler und Verwechselungen nicht auszuschließen. Sehr nachteiltig sind die Bedingungen für die Bearbeitung der Niete aber bei Reparaturarbeiten, die praktisch auf jedem Flugplatz anfallen können, wo die Voraussetzungen für eine vorschriftsmäßige Verarbeitung einrichtungsmäßig und personell nicht immer gewährleistet sind.The regulations for processing the rivets in the soft annealed and quenched condition make their use very difficult. When building new aircraft or other riveted objects, the processing conditions are best met by appropriate facilities and organization. However, mistakes and confusion cannot be ruled out here either. However, the conditions for processing the rivets are very disadvantageous in the case of repair work that can occur at practically any airport, where the requirements for proper processing are not always guaranteed in terms of equipment and personnel.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die eingangs genannte Legierung durch einen sogenannten dauerschlagbaren Werkstoff zu ersetzen, bei dem also die Verarbeitung ohne Nachteile in beliebigem zeitlichen Abstand nach dem Glühen und Abschrecken der Niete erfolgen kann.There has therefore been no shortage of attempts to replace the alloy mentioned at the outset with a so-called permanent-impact material, in which the processing can therefore take place at any time after the annealing and quenching of the rivets without disadvantages.

Verarbeitet man die Legierung WL 3.1324 im kaltausgehärteten Zustand, so entfallen zwar die einschränkenden Bedingungen, es muß aber im Vergleich zu der empfohlenen Verarbeitung mit einer erhöhten Gefahr der Rißbildung. und mit verminderter Schwingungsfestigkeit der Nietverbindung gerechnet werden (vergl. Beiblatt zu WL 3.1324, Seite 4).If the alloy WL 3.1324 is processed in the cold-hardened state, the restrictive conditions do not apply, but there must be an increased risk of cracking compared to the recommended processing. and with reduced vibration resistance of the rivet connection (see supplement to WL 3.1324, page 4).

Nach einem anderen Vorschlag soll die Legierung AIZnMg AA 7050 als dauerschlagbarer Nietwerkstoff brauchbar sein. Diese Niete werden in zwei Stufen warmausgehärtet, wobei die Aushärtungstemperaturen sehr genau eingehalten werden müssen, weil sonst die vorgegebenen Festigkeitseigenschaften nicht erreicht werden. Außerdem ist dieser Werkstoff auch spannungsrißgefährdet und verhältnismäßig teuer.According to another proposal, the alloy AIZnMg AA 7050 should be usable as a permanent rivet material. These rivets are heat-cured in two stages, whereby the curing temperatures must be adhered to very precisely, otherwise the specified strength properties will not be achieved. This material is also prone to stress cracking and is relatively expensive.

Schließlich wird angestrebt, die Dauerschlagbarkeit bei einer bekannten und einschlägig verwendeten Legierung zu erreichen, weil eine neue Legierung erst dann eingesetzt werden könnte, wenn sie auch hinsichtlich aller anderen Eigenschaften den Forderungen entspricht, wozu umfangreiche technische Untersuchungen und langwierige Zulassungsverfahren nötig wären.Finally, the aim is to achieve the long-term impact on a known and used alloy because a new alloy can only be used if it also meets the requirements with regard to all other properties, which would require extensive technical investigations and lengthy approval procedures.

Es besteht somit die Aufgabe, den Werkstoff WL 3.1324 dahingehend weiterzubilden bzw. abzuwandeln, daß daraus hergestellte Niete dauerschlagbar sind, d. h. daß die Verarbeitung nicht auf eine kurze Zeit nach dem Glühen und Abschrecken beschränkt ist bzw., daß die umständliche und fehlerträchtige Kühlhaltung vermieden werden kann.There is therefore the task of further developing or modifying the material WL 3.1324 in such a way that rivets made therefrom can be hit permanently, ie. H. that the processing is not limited to a short time after annealing and quenching or that the cumbersome and error-prone cooling process can be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Legierung 0,002 bis 0,30 % Cadmium zugesetzt werden. Vorzugsweise beträgt der Cadmiumzusatz 0,002 bis 0,05 %. Er kann mit gleichem Effekt aber auch im Bereich 0,05 bis 0,3 % liegen. In diesem Fall wird allerdings die in WL 3.1324 angegebene Grenze von 0,05% für tolerierbare sonstige Elemente überschritten und eine neue Legierung gebildet, für die je nach Anwendungsgebiet neue Prüf- und Zulassungsverfahren erforderlich sind: .This object is achieved in that 0.002 to 0.30% cadmium is added to the alloy. The addition of cadmium is preferably 0.002 to 0.05%. With the same effect, it can also be in the range 0.05 to 0.3%. In this case, however, the limit of 0.05% specified in WL 3.1324 for tolerable other elements is exceeded and a new alloy is formed, for which new test and approval procedures are required depending on the application:.

Die bisherigen Versuche, dauerschlagbare Niete zu schaffen, waren vor allem darauf gerichtet, das Aushärungsverhalten des Werkstoffs 3.1324 zu beeinflussen, um die Verarbeitungszeit verlängern zu können, ohne jedoch letztlich eine Aushärtung des verarbeiteten Niets zu unterdrücken. Es war schon länger bekannt, daß man durch geringe Zusätze an Cadmium, Indium oder Zinn das Aushärtungsverhalten von AICu- bzw. AICu4, 5LiMn-Legierungen verzögern kann (Hardy, H. K. lnst. Metals 80 (1951/52), S. 483/492; Anderko/Wiencierz in Z. Aluminium 37. JG (1961) H. 9, S. 493/460 und H. 10, S. 663/677). Diese Erkenntnisse konnten bisher aber zur Lösung des Problems « dauerschlagbare Niete nicht umgesetzt werden. Es stellte sich nämlich heraus, daß Zusätze an Indium und Zinn ebenso wie solche an Cadmium erwartungsgemäß zwar das Aushärten verzögern oder sogar unterdrücken können, daß die für längere Zeit aufrechterhaltene geringere Härte sich auf die Daüerschlagbarkeit aber nicht positiv auswirkt. Hierfür ist nämlich nicht die Härte, sondern das Formänderungsvermögen des Werkstoffs maßgebend. Das Formänderungsvermögen war bei Indium- und Zinn-Zusätzen nicht ausreichend, um einwandfreie Nietverbindungen herstellen zu können. Bei Cadmium-Zusätzen wurde dagegen festgestellt, daß nicht nur der Aushärtungsverlauf verzögert wird, sondern auch das Formänderungsvermögen nach dem Glühen und Abschrecken auch nach längerer Zeit auf sehr hohem Niveau erhalten bleibt. Für Nietwerkstoffe läßt sich letzteres am besten im Stauchver- . such nachweisen.The previous attempts to create permanent rivets were aimed primarily at influencing the hardening behavior of the material 3.1324 in order to be able to extend the processing time without ultimately suppressing hardening of the processed rivet. It has long been known that the hardening behavior of AICu or AICu4, 5LiMn alloys can be delayed by adding small amounts of cadmium, indium or tin (Hardy, HK lnst. Metals 80 (1951/52), pp. 483/492 ; Anderko / Wiencierz in Z. Aluminum 37. JG (1961) H. 9, pp. 493/460 and H. 10, pp. 663/677). So far, however, these findings have not been able to be implemented to solve the problem of “permanent rivets. It turned out that additions to indium and tin as well as those to cadmium may, as expected, delay or even suppress hardening, but that the lower hardness maintained for a longer period of time does not have a positive effect on the durability. This is because it is not the hardness, but the resilience of the Decisive material. The deformation capacity was not sufficient with indium and tin additives to be able to produce perfect riveted joints. In the case of cadmium additives, on the other hand, it was found that not only is the curing process delayed, but also the shape-changing capacity after annealing and quenching is retained at a very high level even after a long period of time. For rivet materials, the latter can best be done in the upsetting process. looking for evidence.

Es wurden Proben mit 4,7 mm Durchmesser .und 5,65 mm Länge in zeitlichem Abstand nach dem Glühen und Abschrecken mit konstant 1.150 N/mm² gestaucht und die Stauchung in % über der Auslagerungszeit aufgetragen (Fig. 1). Während die Cd-freie Legierung nach WL 3.1324 unter diesen Bedingungen eine Anfangsstauchfähigkeit von etwa 57 % aufweist, die nach 8,5 Stunden auf etwa 48 % und nach 35 Tagen auf 45 % absinkt, hat der erfindungsgemäß mit 0,002 bis 0,05 % Cadmium legierte Werkstoff eine Anfangsstauchfähigkeit von 58 %, nach 8,5 Stunden von 52 bis 52,5 % und nach 35 Tagen von 48 bis 50 %. Wichtig ist, daß die Cd-legierten Proben auch nach beliebig langer Zeit noch eine Stauchfähigkeit besitzen, die größer ist als die der Cdfreien Proben nach 8,5 Stunden. Nach einem Bericht der « Vereinigte flugtechnische Werke GmbH TE 245/480/82 vom 10.08.1982, ist eine Erweiterung der Verarbeitungszeit von 2 auf 8,5 Stunden für Niete aus dem Werkstoff 3.1324 möglich, ohne daß dadurch die im Wöhler-Versuch ermittelte Lebensdauer abfällt. Mit anderen Worten, der bei dem bisher üblichen Nietwerkstoff innerhalb von 8,5 Stunden eintretende Verlust an Stauchfähigkeit, wirkt sich auf die Dauerwechselfestigkeit der Nietverbindung nicht negativ aus, bzw. bei dem erfindungsgemäß mit Cd-legiertem Werkstoff ist die Stauchfähigkeit auch nach beliebig langer Zeit noch so hoch, daß eine Verschlechterung der Dauerwechselfestigkeit nicht zu befürchten ist.Samples with a diameter of 4.7 mm and a length of 5.65 mm were compressed with a constant interval of 1150 N / mm ² after annealing and quenching, and the compression was plotted in% over the aging time (FIG. 1). While the Cd-free alloy according to WL 3.1324 has an initial compressibility of about 57% under these conditions, which drops to about 48% after 8.5 hours and to 45% after 35 days, according to the invention it has 0.002 to 0.05% cadmium alloy material has an initial compressibility of 58%, after 8.5 hours from 52 to 52.5% and after 35 days from 48 to 50%. It is important that the Cd-alloyed samples have a compressibility which is greater than that of the Cd-free samples after 8.5 hours, even after an arbitrary long time. According to a report by «Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH TE 245/480/82 dated 10.08.1982, it is possible to extend the processing time from 2 to 8.5 hours for rivets made of 3.1324 material without reducing the service life determined in the Wöhler test falls off. In other words, the loss of compressibility that occurs within 8.5 hours with the previously common riveting material does not have a negative effect on the fatigue strength of the rivet connection, or with the material according to the invention with Cd-alloyed material, the compressibility is also after any length of time so high that there is no reason to fear a deterioration in the fatigue strength.

Damit ist das gesteckte Ziel, nämlich einen dauerschlagbaren Nietwerkstoff zu schaffen, erreicht, bei Cd-Zugaben bis zu 0,05 % sogar ohne daß für die Legierung 3.1324 ein neues Zulassungsverfahren erforderlich ist, denn in den Vorschriften sind sonstige Zusätze bis 0,05 % ausdrücklich zugelassen.This means that the goal, namely to create a permanent rivet material, has been achieved with Cd additions of up to 0.05% even without a new approval process being required for alloy 3.1324, because the regulations contain other additives of up to 0.05% expressly approved.

Claims

1. A rivet which retains a high ductility for a prolonged time and is made of a wrought aluminum alloy containing 0.20 to 0.80 % Si, 0 to 0.70 % Fe, 3.5 to 4.5 % Cu, 0.40 to 1.0 % Mn, 0.40 to 1.0 % Mg, 0 to 0.10 % Cr, 0 to 0.25 % Zn, 0 to 0.20 % Ti + Zr, other elements in an amount of 0 to . 0.05 % each and in a total of 0 to 0.15 %, balance aluminum, characterized in that the alloy contains 0.002 to 0.3 % cadmium.

2. A rivet according to claim 7, characterized in that the alloy contains 0.002 to 0.05 % cadmium.

3. A rivet according to claim 7, characterized in that the alloy contains 0.05 to 0.3 % cadmium.