EP0863220B2 - Schraube oder Niet aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP0863220B2
EP0863220B2 EP97810129A EP97810129A EP0863220B2 EP 0863220 B2 EP0863220 B2 EP 0863220B2 EP 97810129 A EP97810129 A EP 97810129A EP 97810129 A EP97810129 A EP 97810129A EP 0863220 B2 EP0863220 B2 EP 0863220B2
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max
weight
screw
rivet according
alloy contains
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Pius Schwellinger
Dietmar Schröder
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3A Composites International AG
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Alcan Technology and Management Ltd
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/053—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a screw or rivet made of an aluminum alloy of the AlZnMgCu type for connecting components made of aluminum, magnesium or their alloys.
  • a self-punching fastening device for making a riveted joint under The use of semi-hollow rivets is known for example from WO-A-95/09307.
  • screws and punch rivets from aluminum materials are technically possible.
  • screws are made from the well-known material AA7075, with one Tensile strength of about 500 to 600 MPa is achieved.
  • An expansion of the possible uses would only be possible if the named connecting elements are manufactured economically from materials with higher strength could.
  • Well-known materials with higher strength are the alloys AA7049, 7049A, 7149, 7249, 7349, 7449 and 7055, but their manufacture is not easy.
  • WO-A-96/34993 also describes the manufacture of rivets Alloy AA7050 in the composition called 6.2% Zn, 2.2% Mg, 2.3% Cu and 0.12% Zr.
  • the object of the invention is therefore to provide an alloy with which screws or rivets can be used of the type mentioned at the outset can be manufactured easily and economically with high strength.
  • the alloy is made of 6.0 to 8.0 % By weight zinc 2.0 to 3.5 % By weight magnesium 1.6 to 1.9 % By weight copper 0.05 to 0.30 % By weight zirconium Max. 0.10 Wt% chromium Max. 0.50 Wt% manganese Max. 0.10 % By weight titanium Max. 0.20 % By weight silicon Max. 0.20 Wt% iron others individually max. 0.05% by weight, total max. 0.15 wt .-%, and the balance is aluminum and unavoidable impurities.
  • the material used according to the invention is compared to comparable high-strength materials of the group AA7xxx easier to cast and easier to process warm by pressing and rolling.
  • the corrosion resistance is also significantly better than comparable alloys according to the prior art.
  • Suitable starting materials for the production of screws and rivets are extruded rods, whereby as Pre-material for punch rivets, for example, the use of sheet metal is also conceivable.
  • the alloy When producing screws or rivets over bar stock, the alloy first becomes one Cast press bolts and the bolt after a homogenization annealing to a rod-shaped primary material pressed. After solution annealing and quenching of the primary material, this is usually caused by cold tumors processed into screws or rivets, which are then used to achieve the desired strength with sufficient Elongation can be subjected to heat curing.
  • a particularly preferred production variant which allows a higher degree of cold forming with a correspondingly increased strength and also a better one Corrosion resistance leads to a regression annealing before cold forming of the primary material into a screw or rivet at a temperature of about 180 to 260 ° C for a period of about 5 seconds to 120 minutes carried out. A short treatment time applies to a high heat treatment temperature.
  • Both screws or rivets according to the invention can be thermoset to the state T 6 or T 7 strengths up to 740 MPa can be achieved.
  • the finished heat-treated screws or rivets can be anodized, coated, painted or further protected against corrosion in another way.
  • screws can also be sealed, for example, with a Teflon or Ormocere layer.
  • sealing and gluing in accordance with the known sped-cap method is also advantageous.
  • the continuous casting was carried out for all alloys under the following conditions: lowering 6.5 to 7 m / min cooling water 75 l / min meniscus state 42 mm water level 40 cm under the mold
  • annealing was carried out at 460 ° for 6 h. This was followed by a high-temperature anneal at 470 ° / 3h + 480 ° / 18h.
  • the solution was carried out at a temperature of 470 ⁇ 3 ° C for a period of 0.5 h.
  • Table 2 shows the data of all alloys obtained on the 10 x 50 mm flat profile.
  • the heat treatment was carried out in each case as follows: solution annealing 470 ° C / 0.5 h stretch ⁇ 1% fertilizlagem ⁇ 1 day Harden Condition T 651: 130 ° C / 14h Condition T 7351: 105 ° C / 5h + 175 ° C / 7h

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube oder ein Niet aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu zur Verbindung von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen.
Bei der Verbindung von Bauteilen werden häufig Schrauben und Stanznieten in der Form von Voll- oder Halbhohlnieten eingesetzt. Eine selbststanzende Befestigungsvorrichtung zur Herstellung einer Nietverbindung unter Verwendung von Halbhohlnieten ist beispielsweise aus der WO-A-95/09307 bekannt.
Ein wichtiges Einsatzgebiet derartiger Verbindungselemente ist der Fahrzeugbau. Mit zunehmenden Einsatz von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen in diesem Bereich gewinnt auch der Einsatz von Schrauben und Stanznieten aus Aluminiumwerkstoffen an Bedeutung. Bisher wurden überwiegend Stahlschrauben und Stahlstanznieten verwendet, die aus Gründen der galvanischen Korrosion und der Spaitkorrosion aus Edelstahl gefertigt werden mussten. Die Unterschiede zwischen Aluminium und Stahl bezüglich der physikalischen Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Elastizitätsmodul u.a. können, insbesondere bei einem Temperaturwechsel, zu zusätzlichen Spannungen oder zu einer Lockerung der Verbindung führen. Der Einsatz eines Werkstoffs mit ähnlichen chemischen, elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften für die Verbindungselemente wäre daher von grossem Nutzen.
Die Herstellung von Schrauben und Stanznieten aus Aluminiumwerkstoffen ist technisch möglich. In beschränktem Umfang werden beispielsweise Schrauben aus dem bekannten Werkstoff AA7075 gefertigt, wobei eine Zugfestigkeit von etwa 500 bis 600 MPa erreicht wird. Eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten wäre nur dann möglich, wenn die genannten Verbindungselemente aus Werkstoffen mit höherer Festigkeit wirtschaftlich gefertigt werden könnten. Bekannte Werkstoffe mit höherer Festigkeit sind die Legierungen AA7049, 7049A, 7149, 7249, 7349, 7449 und 7055, deren Herstellung jedoch nicht einfach ist. In der WO-A-96/34993 ist zudem zur Herstellung von Nieten die Legierung AA7050 in der Zusammensetzung 6.2% Zn, 2.2% Mg, 2.3% Cu und 0.12% Zr genannt. Wegen ihrer Neigung zu Rissen bei der Erstarrung sind diese Werkstoffe nicht einfach zu giessen und die Herstellung grosser Barren und Bolzen als Ausgangsmaterial zum Walzen oder Pressen gestaltet sich sehr aufwendig und ist damit unwirtschaftlich. Hinzu kommt, dass diese Werkstoffe in allen Wärmebehandlungszuständen empfindlich auf Spannungsrisskorrosion und Schichtkorrosion sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Legierung bereitzustellen, mit der sich Schrauben oder Nieten der eingangs genannten Art mit hoher Festigkeit einfach und wirtschaftlich herstellen lassen.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung aus
6,0 bis 8,0 Gew.-% Zink
2,0 bis 3,5 Gew. -% Magnesium
1,6 bis 1.9 Gew.-% Kupter
0,05 bis 0,30 Gew.% Zirkonium
max. 0,10 Gew.-% Chrom
max. 0,50 Gew.-% Mangan
max. 0,10 Gew.-% Titan
max. 0,20 Gew.-% Silizium
max. 0,20 Gew.-% Eisen
andere einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%, und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Der erfindungsgemäss eingesetzte Werkstoff ist gegenüber vergleichbaren hochfesten Werkstoffen der Gruppe AA7xxx leichter giessbar und durch Pressen und Walzen auch leichter warm zu verarbeiten. Die Korrosionsbeständigkeit ist ebenfalls wesentlich besser als bei vergleichbaren Legierungen nach dem Stand der Technik.
Aufgrund der ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen wird die Verbindung von Bauteilen aus Magnesiumwerkstoffen oder aus Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen bevorzugt mit dem erfindungsgemässen Element aus einer Aluminiumtegierung durchgeführt.
Für die einzelnen Legierungselemente gelten die folgenden Vorzugsbereiche (Gew.-%):
Zink 6,6 bis 7,3, insbesondere 6,7 bis 7,1
Magnesium 2,3 bis 3,2, insbesondere 2,6 bis 2,9
Zirkonium max. 0,20, insbesondere 0,13 bis 0,18
Chrom max. 0.05,
Mangan max. 0,25, insbesondere max. 0,15
Titan max. 0,05
Silizium max. 0,15, insbesondere max. 0,12
Eisen max. 0,15, insbesondere max. 0,12.
Geeignetes Vormaterial zur Fertigung von Schrauben und Nieten sind stranggepresste Stangen, wobei als Vormaterial für Stanznieten beispielsweise auch der Einsatz von Blech denkbar ist.
Bei der Herstellung von Schrauben oder Nieten über Stangenmaterial wird zunächst die Legierung zu einem Pressbolzen vergossen und der Bolzen nach einer Homogenisierungsglühung zu einem stangenförmigen Vormaterial verpresst. Nach einem Lösungsglühen und Abschrecken des Vormaterials wird dieses in der Regel durch Kaltumlormen zu den Schrauben oder Nieten verarbeitet, die anschliessend zur Erzielung der gewünschten Festigkeit bei ausreichender Dehnung einer Warmaushärtung unterworfen werden. Bei einer besonders bevorzugten Fertigungsvariante, die einen höheren Kaltumformungsgrad mit entsprechend erhöhter Festigkeit zulässt und zudem zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit führt, wird vor dem Kaltumformen des Vormaterials zur Schraube oder zum Niet eine Rückbildungsglühung bei einer Temperatur von etwa 180 bis 260° C während einer Zeitdauer von etwa 5 sec bis 120 min durchgeführt. Hierbei gilt eine kurze Behandlungszeit für eine hohe Wärmebehandlungstemperatur.
Beiden erfindungsgemässen Schrauben oder Nieten können mit einer Warmaushärtung zum Zustand T 6 oder T 7 Festigkeiten bis zu 740 MPa erzielt werden.
Die fertig wärmebehandelten Schrauben oder Nieten können je nach Anwendungsbereich eloxiert, beschichtet, lackiert oder auf andere Weise gegen Korrosionseinflüsse weiter geschützt werden. Zur verbesserten Lösbarkeit der Verbindung können Schrauben beispielsweise auch mit einer Teflon- oder einer Ormocere-Schicht versiegelt sein. In gewissen Fällen ist auch eine Dichtung und Verklebung entsprechend dem bekannten Sped-Cap-Verfahren vorteilhaft.
Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemässen eingesetzten Legierungen ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Beispiele
5 Legierungen mit einer Zusammensetzung gemäss Tabelle 1 wurden zu je einem Stranggussbolzen von 220 mm  und einer Länge von etwa 1500 mm vergossen. Eine Kornfeinung mit Ti5B1-Draht wurde direkt in der Giessrinne durchgeführt.
Der Strangguss wurde bei allen Legierungen unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Absenkgeschwindigkeit 6,5 bis 7 m/min
Kühlwasser 75 l/min
Meniskusstand 42 mm
Wasserstand 40 cm unter der Kokille
Vor dem Aufteilen zu je zwei 660 mm langen Bolzen wurde eine Glühung bei 460° während 6 h durchgeführt. Anschliessend erfolgte eine Hochglühung bei 470°/3h + 480°/18h.
In jeder Legierung wurde ein Flachprofil 10 x 50 mm und eine Rundstange 40 mm Durchmesser indirekt gepresst. Die Bolzentemperatur betrug ca. 230 bis 260°C, die Rezipiententemperatur lag bei etwa 300°C. Die Pressgeschwindigkeit betrug etwa 2 bis 2,8 m/min.
Die Lösungsgfühung erfolgte bei einer Temperatur von 470 ± 3°C während einer Zeitspanne von 0,5 h.
In Tabelle 2 sind die Daten aller Legierungen, die am Flachprofil 10 x 50 mm gewonnen wurden, wiedergegeben. Die Wärmebehandlung wurd in jedem Fall wie folgt durchgeführt:
Lösungsglühen 470°C/0,5 h
Recken ≤ 1%
Zwischenlagem ≤ 1 Tag
Aushärten Zustand T 651: 130°C/14h
Zustand T 7351: 105°C/5h + 175°C/7h
Von allen Legierungen wurden Zugversuche und Kerbzugversuche in Längsrichtung durchgeführt. Die bruchmechanischen Kennwerte wurden bei allen Legierungen in Querrichtung gemessen.
Bei den in Tabelle 2 angegebenen Festigkeitswerten ist zu bedenken, dass die Zugfestigkeit am Verbindungselement höhere Werte erreicht, da eine Kaltverfestigung hinzukommt.
Alle Legierungen in den beiden Wärmebehandlungszuständen wurden einem Spannungsrisskorrosionstest unterzogen. Alle Proben überstanden die Prüfung ohne Spannungskorrosionsrisse.
Leg. Nr. Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr
1 0.008 0.02 1.8 - 2.7 - 6.9 0.14
2 0.10 0.06 1.8 - 2.7 - 6.9 0.15
3 0.10 0.19 1.7 - 2.7 - 6.9 0.15
4 0.10 0.20 1.9 0.20 2.7 - 6.9 0.14
5 0.04 0.06 1.8 0.20 2.7 - 6.8 0.14
Leg.Nr. Zustand Zugrichtung Rm (MPa) Rp0.2 (MPa) A5 (%) Ag (%) RmK/ Rp0.2 Kc MPa m½
1 T651 L 708 680 10.5 6.6 1.06
Q 654 532 12.7 7.6 - 23.0
T7351 L 614 578 10.0 4.77 1.15
Q 578 524 12.5 6.5 - 27.4
2 T651 L 698 670 10.2 5.40 1.05
Q 644 584 12.7 8.5 - 20.7
T7351 L 610 576 9.4 4.28 0.81
Q 556 494 12.7 6.8 - 33.4
3 T651 L 700 676 10.4 4.54 0.857
Q 634 585 11.5 6.1 - 19.8
T7351 L 602 559 9.9 5.03 1.04
Q 550 491 12.3 7.6 - 33.0
4 T651 L 702 671 10.3 5.99 0.88
Q 642 583 10.8 6.9 - 22.2
T7351 L 614 585 8.1 4.07 0.92
Q 570 498 11.5 6.8 - 30.8
5 T651 L 713 686 11.0 5.77 1.03 (37)
Q 653 589 12.2 7.1 - 28
T7351 L 624 592 9.1 4.37 1.10 (60)
Q 582 524 12.6 7.2 - 32.1

Claims (10)

  1. Schraube oder Niet aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu zur Verbindung von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Legierung aus 6,0 bis 8,0 Gew.-% Zink 2,0 bis 3,5 Gew.-% Magnesium 1,6 bis 1,9 Gew.-% Kupfer 0,05 bis 0,30 Gew.% Zirkonium max. 0,10 Gew.-% Chrom max. 0,50 Gew.-% Mangan max. 0,10 Gew.-% Titan max. 0,20 Gew.-% Silizium max. 0,20 Gew.-% Eisen
    andere einzeln max. 0.05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%, und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
  2. Schraube oder Niet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 6,6 bis 7,3, vorzugsweise 6, 7 bis 7,1 Gew.-% Zink enthält.
  3. Schraube oder Niet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,3 bis 3,2, vorzugsweise 2,6 bis 2,9 Gew.-% Magnesium enthält.
  4. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,20, vorzugsweise 0,13 bis 0,18 Gew.-% Zirkonium enthält.
  5. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,05 Gew.-% Chrom enthält.
  6. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,25, vorzugsweise max. 0,15 Gew.-% Mangan enthält.
  7. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,05 Gew.-% Titan enthält.
  8. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15, vorzugsweise max. 0,12 Gew.-% Silizium enthält.
  9. Schraube oder Niet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15, vorzugsweise max. 0,12 Gew.-% Eisen enthält.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Schraube oder eines Niets nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durch Giessen der Legierung zu einem Pressbolzen, Homogenisierungsglühen des Bolzens und Verpressen des Bolzens zu einem Vormaterial, Lösungsglühen und Abschrecken des Vormaterials, Verarbeitung des Vormaterials zu Schrauben der Nieten durch Kaltumformen und Warmaushärten der Schrauben oder Nieten, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kaltumformen eine Rückbildungsglühung bei einer Temperatur von 180 bis 260°C während 5 sec bis 120 min durchgeführt wird.
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