WO2016055480A1 - Verfahren zur herstellung eines verbindungselements, verbindungselement sowie verwendung des verbindungselements - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines verbindungselements, verbindungselement sowie verwendung des verbindungselements Download PDF

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WO2016055480A1
WO2016055480A1 PCT/EP2015/073054 EP2015073054W WO2016055480A1 WO 2016055480 A1 WO2016055480 A1 WO 2016055480A1 EP 2015073054 W EP2015073054 W EP 2015073054W WO 2016055480 A1 WO2016055480 A1 WO 2016055480A1
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WO
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connecting element
core
alloy
aluminum
sheath
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/073054
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English (en)
French (fr)
Inventor
Katharina Neuerer
Ralf Jenning
Original Assignee
Richard Bergner Holding GmbH & Co. KG
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B33/00—Features common to bolt and nut

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a connecting element, in particular a screw and a connecting element produced in particular by the method and the use of such a connecting element as a motor screw or as a contact element.
  • the connecting element is, in particular, a connecting element for connecting two components to one another.
  • it is a screw.
  • DE 10 2009 032 990 A1 discloses a screw which comprises a hollow metal shell element provided with an external thread and a core element made of a plastic-containing composite material incorporated therein.
  • JP 2001214915 A discloses a self-tapping screw which consists of aluminum on which a nickel-containing hard coating is applied.
  • JP 1 1210728 A discloses an aluminum screw with an applied nickel coating.
  • the present invention seeks to provide a connecting element, in particular made of light metal, which is reliably suitable for highly stressed areas and in particular has a high strength and is suitable for high temperatures.
  • the object is achieved by a method for producing a connecting element, in particular a screw, with the features of claim 1.
  • the object is further achieved according to the invention by a connecting element produced in particular by such a method having the features of claim 12.
  • Preferred embodiments and advantageous developments of both the method and the connecting element are included in the subclaims.
  • the advantages and preferred embodiments cited with regard to the method are also to be transferred analogously to the connecting element and vice versa.
  • the connecting element is in particular a screw, but is not limited thereto.
  • the connecting element is also a rivet or so-called technical spring, with the aid of which at least indirectly components are connected to one another.
  • screws and rivets are bolt-shaped fasteners.
  • the connecting element generally has a longitudinally varying cross-sectional geometry, in particular a varying diameter.
  • the provision of a connecting element is provided as a lightweight connecting element according to a first variant, which meets high stresses, in particular high tensile stresses and at the same time withstands high temperatures.
  • the provision of a connecting element with good electrical conductivity is provided.
  • the connecting element in both cases basically has a hybrid structure, comprising a core of a core material, which is surrounded by a jacket of a jacket material.
  • the core material in turn consists of a base material, or an alloy of this base material.
  • the base material of the core material is selected from aluminum, magnesium or iron.
  • the core material therefore consists of one of these materials or alloys of these materials.
  • the base material is in particular a light metal such as aluminum or magnesium.
  • the base material is aluminum,
  • a high-strength aluminum alloy is used for the core material.
  • the sheath material is further selected from aluminum, an aluminum alloy, magnesium, a magnesium alloy, copper or a copper alloys. If the same base material is used for the core material and the sheath material, different alloys are used for the core material and the sheath material. In the case of the use of aluminum or else magnesium for the core material, an aluminum or magnesium alloy which differs from the core material is therefore used for the jacket material. It is also possible to use magnesium as the base material and aluminum or an aluminum alloy for the sheath material.
  • the sheath material is a so-called self-passivating material, which thus automatically forms a protective layer (oxide layer), so that a corrosion resistance is achieved.
  • This hybrid construction has the particular advantage that the different materials can be optimized for functionally different requirements.
  • the sheath material can also be optimized with regard to electrical properties.
  • a cost-effective contact connection element can be provided, in which only the jacket material consists of a usually expensive material with good electrical properties, in particular copper.
  • a high strength can be achieved here by the choice of a suitable core material, for example, an iron alloy or a high-strength aluminum or magnesium alloy.
  • the starting material provided is a jacketed blank made of the core material and the jacket material, from which only then the connecting element is formed. The jacket material is therefore not first applied to a finished molded connecting element as a coating. As a result, the production is simplified and in particular, large wall thicknesses of the jacket material can be produced.
  • the base material of the core material is aluminum, so that therefore the core consists of aluminum or an aluminum alloy.
  • the shell material it is expediently also in the shell material to an aluminum alloy, so that the connecting element is made entirely of aluminum, but of different aluminum alloys. Both the core and the cladding material therefore have the same base material, but are available as different alloys.
  • the sheath material is generally a material having lower stress crack sensitivity than the core material.
  • an aluminum alloy of the 6000 series and in particular the alloy according to EN AW 6056 or also according to EN AW 6082 is preferably used for the jacket material. These alloys have only a low stress cracking sensitivity.
  • this consists of magnesium or a magnesium alloy and for the formation of a contact connection element, in particular made of copper or a copper alloy.
  • the core material preferably has a higher strength than the shell material.
  • an aluminum alloy an aluminum alloy having a high strength is used.
  • a high-strength alloy for example, the 7000er or the 2000er series used. Therefore, the mechanical properties such as tensile strength, yield strength at room temperature as well as at elevated temperatures are significantly determined by this core material.
  • the outer sheath material is responsible for the interaction of the surface with the environment, for example, in terms of corrosion resistance and insensitivity to stress corrosion cracking.
  • the sheath material in an expedient embodiment compared to the core material has a higher electrical conductivity.
  • the jacket material here is in particular copper or a copper alloy, which is applied to a steel core or on a light metal core.
  • a sheathed raw wire or a sheathed preform is generally provided in an expedient embodiment generally as the sheathed blank, which just has a core of the core material and a sheath of the sheath material.
  • the blank will be subjected to the formation of the connecting element at least one or more transformations. These can be drag operations. In particular, however, there is a forming process with a radial force, so that in this way the radial extent and shape is changed.
  • a strong deformation is preferably provided, in which the cross section of the blank is changed by 25% to 75%, in particular by at least 50%.
  • a sheathed raw wire is preferably provided, which is then reshaped to form the connecting element.
  • several Umformvor suitse may be provided.
  • To form this sheathed raw wire is resorted to a conventional, known manufacturing method, as is known for example in copper-plated electrical conductor wires, for example, so-called “Copper Clad aluminum wires. "In this case, for example, a Aluminiumausrohdraht is provided with a jacket, and the composite thus formed is then pulled by, for example, a drawing process to a desired final diameter, which is then processed for the blank by cutting this first and then later is also repeatedly formed.
  • the core is formed as an insert, which is inserted in an example, preformed sleeve member of the shell material, in particular pressed.
  • the sleeve member is preferably either tubular or pot-shaped or cup-shaped, thus has on one side a closed end face.
  • the insert and / or the sleeve member preferably have a preform and are provided, for example in the case of a screw with a head and shaft part.
  • the sleeve member is correspondingly preformed complementary, so that the insert rests accurately fit in the sleeve member.
  • a preform is produced by cutting this sheathed raw wire to length and shaping the cut-to-length section into a first deformation process for forming the head region and the shank region.
  • the jacket is generally applied in particular solely by mechanical processes and forming processes.
  • a composite for example, a composite
  • an example of a local cohesive connection can be formed, for example, by a heat generated during a press-fitting process in the manner of friction welding or diffusion welding.
  • the active formation of a cohesive connection by active supply of a substance or of heat is not provided.
  • the connection between the core and the jacket is ultimately preferably formed exclusively by the at least one forming operation. In this case, forces are exerted on the sheathed blank, which also act in the radial direction, so that the sheath is pressed firmly against the core and an intimate connection is formed.
  • a curable material is usually used for the core material, which was subjected in a conventional manner to a temperature treatment for curing.
  • the curing preferably takes place before the application of the sheath material.
  • curing takes place after the sheathed blank is drawn to a desired final diameter.
  • no heat treatment is carried out for hardening purposes. By forming a cold work hardening is achieved.
  • a heat treatment is still carried out for curing purposes.
  • the finished connecting element 16 is preferably a final heating element. act, in particular a suitable aging treatment, namely in particular a solution annealing and tempering.
  • a thread is preferably formed in the exemplary embodiment of a screw in the sheathed preform.
  • the connecting element is in particular a screw, but is not limited thereto.
  • the connecting element is also a rivet or so-called technical springs, with the aid of which at least indirectly components are connected to one another.
  • screws and rivets are bolt-shaped fasteners.
  • the connecting element in the finished state has a varying depending on a degree of deformation wall thickness of the sheath material over the length of the connecting element in a preferred embodiment.
  • the degree of deformation is understood to be the logarithm of the ratio of the initial geometry (length, thickness) to the transformed final geometry.
  • the logarithm of the initial diameter to the converted final diameter Basically, fasteners have areas with different degrees of deformation.
  • the head region in particular in the transition to a shaft region, has a very high degree of deformation.
  • the connecting element in contrast, a lower degree of deformation and thus also a different wall thickness of the sheath material.
  • the shell has in the finished state, ie when manufactured connecting element to a wall thickness, which is preferably in the range of 0.1 to 3 mm.
  • a wall thickness which is preferably in the range of 0.1 to 3 mm.
  • a high wall thickness for example, up to 25% of the diameter of a shaft portion in the finished state.
  • the wall thickness is for example wise at least 10% of the diameter of the shaft area in the finished state.
  • the connecting element is designed as a lightweight connecting element and is particularly suitable for the connection of lightweight components, in particular those which are subjected to high thermal loads.
  • a connecting element is therefore particularly suitable for use in an internal combustion engine, preferably for fastening a cylinder head to an engine block and is also used there.
  • the connecting element is therefore in particular an engine screw, in particular a cylinder head bolt, which is installed in the installed state in an internal combustion engine, for example of a motor vehicle.
  • the connecting element is used as an electrical contact element, in particular as an electrical contact screw.
  • the sheath material consists of a material with high conductivity, in particular with an increased conductivity compared to the core material.
  • the sheath material is copper or a copper alloy.
  • a copper contact screw is formed, via which two components can be electrically contacted with each other.
  • These parts are, for example, on one side to an electrical conductor wire or an attached terminal and an electrical component, such as an electrical load or an electrical power source, such as a (vehicle) battery.
  • an electrical component such as an electrical load or an electrical power source, such as a (vehicle) battery.
  • this also achieves a lightweight contact screw, due to the lower specific weight of the aluminum.
  • the good electrical properties of the copper are maintained because the contact resistance to a clamping part is kept low by the use of copper.
  • the current conductivity is provided by the copper shell.
  • the mechanical properties are largely determined by the aluminum core.
  • This hybrid contact screw therefore combines the advantages of a pure aluminum contact screw with the advantages of a pure copper contact screw.
  • Fig. 1 illustrates a manufacturing method for producing the connecting element starting from a coated raw wire
  • Fig. 2 shows an alternative manufacturing method with the use of an insert.
  • a raw wire 2 made of a core material, in particular a high-strength aluminum alloy is provided.
  • This is a massive wire, as can be seen from the cross-sectional view.
  • this raw wire 2 is surrounded by a sheath 4 of a sheath material, in particular an aluminum alloy of the 6000 series, preferably with the alloy EN AW 6056 or the alloy EN AW 6082.
  • a sheathed raw wire 6 is obtained with a through the raw wire. 2 formed core 3 and the jacket 4. This is preferably still drawn to a desired diameter.
  • the core 3 is generally formed as a solid core 3.
  • temperature treatments for hardening the alloys are also carried out in an expedient embodiment.
  • the core material and / or the base material is a curable material to achieve the desired strengths.
  • the temperature treatments are already carried out on the raw wire 2 or alternatively only on the coated raw wire 6, preferably after this is drawn to the desired final diameter.
  • a temperature treatment for curing takes place at most on an intermediate product, for example, only on the raw wire 2 of the core material or on the sheathed raw wire 6, preferably after this is drawn to the desired final diameter.
  • a solidification of the jacket material is carried out by at least one subsequent forming process, ie by cold work hardening.
  • a temperature treatment for curing therefore preferably does not take place on the finished connecting element.
  • a sheathed blank 8 is then produced by cutting first, which is formed by a first coarse-forming process to a sheathed preform 10.
  • a head portion 12 and a shaft portion 14 is formed.
  • a sleeve element 20 made of the jacket material is provided, which overall is preferably approximately pot-shaped, that is to say preferably has a bottom. However, this is not mandatory. Alternatively, it is also tubular, as shown on the left half of the picture, thus has no jacket material on its two opposite end faces. According to the variant shown in the figure, the sleeve member 20 is formed generally cylindrical. Alternatively, it may also be preformed with a head portion and a shaft portion.
  • the bottom is formed at the opposite end, so that the
  • an insert 22 is inserted, in particular pressed.
  • an example of a local cohesive connection can be formed, for example, by a heat generated during the press-fitting process in the manner of friction welding or diffusion welding.
  • the active formation of a cohesive connection by active supply of a substance or of heat is not provided.
  • the insert 22 forms the later core 3 of the core material and the sleeve member 20 from the jacket 4 of the sheath material.
  • This combined component of approximately cylindrical sleeve element 20 and insertion part 22 inserted therein is then subjected to a first forming process for forming the head region 12 and the shaft region 14.
  • the thread 18 is then applied - not shown in detail in FIG. 2 - to the shaft region 14.
  • the core material on the bottom side end face not out at the surface.
  • an optional tool holder 24 is still shown in the head area 12, for example, an internal Mehrkantauf would take. Alternatively, this is also designed as external polygon.
  • the embodiment of the tool engagement is carried out in a variant by a forming process subsequent to pressing the insert 22 into the sleeve member 20. If the head portion 12 is closed with a bottom of the shell material, then in this preferred embodiment of the tool attack with a layer of the shell material Mistake.
  • both the core material and the shell material is first homogenized prior to bringing into a composite element in order to achieve a uniform distribution of the various alloying elements, which are responsible for a mixed crystal formation and precipitation phases for the mechanical properties.
  • the composite is deformed together after assembly, in particular pulled to a desired final diameter.
  • a close connection between the core and sheath material is generally formed so that they are preferably directly connected to each other solely by the deformation.
  • a chemical connection for example, a targeted alloying by diffusion of the alloy constituents of the shell on the core and vice versa is possible.
  • a predetermined temperature profile is subjected to the heat treatment to set a desired strength. Curing by thermal treatment of the entire finished connecting element 16, so after the forming is preferably not.
  • non-similar materials so for example in copper or copper alloys for the sheath material and aluminum or an aluminum alloy
  • a diffusion of copper into aluminum is specifically made possible in the heat treatment, so that it is alloyed.
  • a hardness gradient in the radial direction is preferably achieved by targeted alloying.
  • magnesium is used as the base material and aluminum alloy is used for the sheath material.
  • such composites are referred to as composite composites in which various materials are used for the core material and the jacket material, in which case the base materials differ on the one hand for the core material and on the other hand for the jacket material.
  • similar materials are bonded together in an AI-AI composite of two different Al alloys.
  • the cladding layer is already applied before the forming, in particular the formation of the head region 12.
  • the formation of the head area is carried out by cold forming and is also referred to as cold mass forming due to the high degree of deformation.
  • a change in cross section preferably takes place in the range of 25% to 75%, in particular of at least 50%.
  • the jacket 4 has for this purpose a sufficiently thick wind force d.
  • the sheath material also has sufficient ductility to prevent cracking of the sheath material.
  • the minimum wall thickness d is here at some 100 ⁇ .
  • the wall thickness d is general, especially in the shank region between the thread 18 and head region 12 or in the region of the thread 18 at least 10% of a diameter D of the shank part 14 in the finished state.
  • the wall thickness d varies over the extent of the connecting element 1 6 depending on the degree of deformation, which is position-dependent.
  • the jacket 4 generally has a lower wall thickness d in regions of high degrees of deformation than in regions of low degrees of deformation.
  • the final strength of the finished connecting element 16 is expediently achieved by a final heat treatment, a suitable aging treatment, in particular solution heat treatment and tempering. This is preferably done only with similar materials for the core material and the sheath material, ie in particular for Al-Al composites. In particular, in the case of similar material composites (Al-Al composite), this heat treatment alternatively also takes place beforehand, for example, on the sheathed blank, the preform or even the individual parts, namely the sleeve element and the insert.
  • connecting elements 16 are preferably used in lightweight components with high temperature stress, in particular cylinder head glands. Since the density of the overall composite is not changed by the same material class (light metal), the advantages of lightweight construction, reduction of the clamping length in aluminum and magnesium nut threads, low corrosion potential as well as low additional stresses in combination with aluminum or magnesium components are completely retained.
  • Such connecting elements 1 6 have the advantage that they do not lead to additional costs, in spite of the improved properties, especially because proven and proven process technologies can be used.
  • the known conventional processes of (heat) treatment of the wire e.g., drawing and annealing
  • the cold massive forming of multi-stage presses is comparable to the previously known series processes for the production of aluminum screws. At the same time, however, a significant increase in the mechanical properties is achieved without reducing the interactions determined by the surface (stress corrosion cracking).
  • the outer region of the connecting element can be customized with, depending on the application Properties are provided.
  • a screw is designed as a contact screw, preferably with a copper sheath material.

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, wird ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt, der einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs. Auf den Kernwerkstoff ist ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, Verbindungselement sowie Verwendung des Verbindungselements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, insbesondere eine Schraube sowie ein insbesondere nach dem Verfahren hergestelltes Verbindungselement sowie die Verwendung eines solchen Verbindungselementes als Motorschraube oder als Kontaktelement.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um ein Verbindungselement zur Verbindung von zwei Bauteilen miteinander. Insbesondere handelt es sich um eine Schraube.
Auf dem Gebiet der Verbindungselemente sind für spezielle Anwendungsgebiete Aluminiumverbindungselemente bekannt. Deren Einsatz ist in der Regel durch die erzielbaren Festigkeiten des Materials und der Temperaturstabilität beispielsweise im Vergleich zu Verbindungselementen aus Stahl begrenzt. Durch diese materialspezifischen Begrenzungen ist der Einsatz von derartigen Leichtmetall- oder Aluminiumverbindungselementen beispielsweise bei Verbrennungsmotoren begrenzt. Insbesondere wird hierbei auch eine möglichst hohe Endfestigkeit angestrebt, um die bei der Montage erforderlichen großen Klemmkräfte zu ermöglichen.
Leichtmetall-Schrauben aus Aluminium werden heutzutage bereits für Kraftfahrzeuge in der Automobilindustrie eingesetzt. Gegenwärtig werden hierzu ausnahmslos Aluminiumschrauben der Legierung EN AW 6056 eingesetzt. Mit dieser Aluminiumlegierung werden an der fertigen Schraube Festigkeiten von maximal 460 MPa erreicht. Die Begrenzung auf diese erprobte Legierung ist durch deren spezielle Eigenschaften im Hinblick auf Korrosion und Spannungsriss-Empfind- lichkeit entstanden. Grundsätzlich gibt es Aluminiumlegierungen, welche höhere Festigkeiten erreichen, beispielsweise die Legierung EN AW 7075, mit der eine Zugfestigkeit von 550 MPa erreicht werden kann. Diese Legierung besitzt jedoch eine starke Spannungsriss-Empfindlichkeit unter Zugbelastung, sodass deren Ein- satz in Bereichen, wo hohe Klemmkräfte erforderlich sind, beispielsweise im Motorbereich, zur Befestigung eines Zylinderkopfs an einem Motorblock, nicht geeignet ist. Zwar könnte eine Überalterung des Gefüges der Legierung die Span- nungsriss-Empfindlichkeit senken, dabei sinkt jedoch zugleich auch die Festigkeit. Vor dem Hintergrund dieser Probleme werden daher heutzutage auch für höher beanspruchte Verbindungen, bei denen also eine Kombination aus hoher Klemmkraft und hoher Temperaturbelastung auftritt, anstelle von Aluminium- Verbindungselementen weiterhin auch Stahl-Verbindungselemente, insbesondere Stahlschrauben, verwendet.
Aus der DE 10 2009 032 990 A1 ist eine Schraube zu entnehmen, welche ein hohles mit einem Außengewinde versehenes Mantelelement aus Metall und ein darin eingebrachtes Kernelement aus einem Kunststoff enthaltenden Verbundwerkstoff umfasst.
Weiterhin sind beschichtete Verbindungselemente bekannt, um die Oberflächeneigenschaften einzustellen. So ist beispielsweise aus der JP 2001214915 A eine selbstfurchende Schraube zu entnehmen, die aus Aluminium besteht, auf der eine nickelhaltige Hartbeschichtung aufgebracht ist. In ähnlicher Weise ist auch aus der JP 1 1210728 A eine Aluminiumschraube mit einer aufgebrachten Nickel- Beschichtung zu entnehmen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement insbesondere aus Leichtmetall bereitzustellen, welches für hoch beanspruchte Bereiche zuverlässig geeignet ist und insbesondere eine hohe Festigkeit aufweist sowie für hohe Temperaturen geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, insbesondere eine Schraube, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein insbesondere nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sowohl des Verfahrens als auch des Verbindungselements sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungen sind sinngemäß auch auf das Verbindungselement zu übertragen und umgekehrt.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um Nieten oder auch um sogenannte technische Federn, mit deren Hilfe zumindest mittelbar Bauteile miteinander verbunden werden. Insbesondere im Falle von Schrauben und Nieten handelt es sich um bolzenförmige Verbindungselemente. Das Verbindungselement weist allgemein eine in Längsrichtung variierende Querschnittsgeometrie, insbesondere einen variierenden Durchmesser auf.
Erfindungsgemäß ist gemäß einer ersten Variante die Bereitstellung eines Verbindungselements als Leichtbau-Verbindungselement vorgesehen, welches hohen Beanspruchungen genügt, insbesondere hohen Zugbeanspruchungen widersteht und zugleich hohen Temperaturen. Gemäß einer zweiten Variante ist die Bereitstellung eines Verbindungselements mit guter elektrischer Leitfähigkeit vorgesehen. Hierzu weist das Verbindungselement in beiden Fällen grundsätzlich einen Hybrid-Aufbau auf, umfassend einen Kern aus einem Kernwerkstoff, welcher von einem Mantel aus einem Mantelwerkstoff umgeben ist. Der Kernwerkstoff wiederum besteht aus einem Basiswerkstoff, oder einer Legierung dieses Basiswerkstoffes.
Der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ist ausgewählt aus Aluminium, Magnesium oder Eisen. Der Kernwerkstoff besteht also aus einem dieser Werkstoffe oder aus Legierungen dieser Werkstoffe. Im Falle eines Leichtbau-Verbindungselements ist der Basiswerkstoff insbesondere ein Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium. Insbesondere handelt es sich bei dem Basiswerkstoff um Aluminium,
zweckdienlicherweise wird für den Kernwerkstoff dabei eine hochfeste Aluminiumlegierung eingesetzt. Der Mantelwerkstoff ist weiterhin ausgewählt aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierungen. Falls für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff der gleiche Basiswerkstoff verwendet wird, so werden für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff unterschiedliche Legierungen eingesetzt. I m Falle der Verwendung von Aluminium oder auch Magnesium für den Kernwerkstoff ist daher für den Mantelwerkstoff eine zum Kernwerkstoff unterschiedliche Aluminium- oder Magnesium Legierung verwendet. Es besteht auch die Möglichkeit, als Basiswerkstoff Magnesium und für den Mantelwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zu verwenden. Bei dem Mantelwerkstoff handelt es sich insbesondere um einen sogenannten selbst passivierenden Werkstoff, der also selbsttätig eine Schutzschicht (Oxidschicht) ausbildet, so dass eine Korrosionsbeständigkeit erreicht wird.
Durch diesen Hybrid-Aufbau wird der besondere Vorteil erzielt, dass durch die unterschiedlichen Werkstoffe diese für funktional unterschiedliche Anforderungen optimiert werden können.
So besteht insbesondere die Möglichkeit, den einen Werkstoff im Hinblick auf eine möglichst hohe Festigkeit zu optimieren und den anderen Werkstoff beispielsweise im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit zu optimieren und insbesondere auf eine möglichst geringe Spannungsrissempfindlichkeit. Dadurch ist ein Leichtmetall-Verbindungselement geschaffen, welches den hohen Anforderungen im Motorraum genügt.
Alternativ kann der Mantelwerkstoff auch im Hinblick auf elektrische Eigenschaften optimiert werden. Dadurch kann ein kostengünstiges Kontakt-Verbindungselement bereitgestellt werden, bei dem nur der Mantelwerkstoff aus einem üblicherweise teuren Werkstoff mit guten elektrischen Eigenschaften, insbesondere Kupfer besteht. Gleichzeitig kann auch hier durch die Wahl eines geeigneten Kernmaterials beispielsweise eine Eisenlegierung oder auch eine hochfeste Aluminium- oder Magnesiumlegierung insgesamt eine hohe Festigkeit erreicht werden. Ein gemeinsamer Grundgedanke für das Herstellungsverfahren besteht darüber hinaus darin, dass als Ausgangsmaterial eine ummantelter Rohling aus dem Kernwerkstoff und dem Mantelwerkstoff bereitgestellt wird, aus dem dann erst das Verbindungselement ausgebildet wird. Der Mantelwerkstoff wird daher nicht erst auf ein fertig ausgeformtes Verbindungselement als Beschichtung aufgebracht. Hierdurch ist die Herstellung vereinfacht und insbesondere können auch große Wandstärken des Mantelwerkstoffes erzeugt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs um Aluminium, sodass also der Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Weiterhin handelt es sich zweckdienlicherweise auch bei dem Mantelwerkstoff um eine Aluminiumlegierung, sodass das Verbindungselement insgesamt aus Aluminium besteht, jedoch aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen. Sowohl der Kern- als auch der Mantelwerkstoff weisen daher den gleichen Basiswerkstoff auf, liegen jedoch als unterschiedliche Legierungen vor.
Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Mantelwerkstoff allgemein um einen Werkstoff mit im Vergleich zum Kernwerkstoff geringerer Spannungsrissempfindlichkeit. Für den Mantelwerkstoff wird dabei im Falle der Verwendung einer Aluminiumlegierung bevorzugt eine Aluminiumlegierung der 6000er Reihe und insbesondere die Legierung gemäß EN AW 6056 oder auch gemäß EN AW 6082 verwendet. Diese Legierungen weisen nur eine geringe Spannungsriss- Empfindlichkeit auf.
Alternativ zu einem Mantelwerkstoff mit dem Basiswerkstoff Aluminium besteht dieser aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung und für die Ausbildung eines Kontakt-Verbindungselements insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Im Hinblick auf die mechanischen weiteren Eigenschaften weist der Kernwerkstoff vorzugsweise eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff auf. Im Falle einer Aluminiumlegierung wird dabei eine Aluminiumlegierung mit einer hohen Festigkeit eingesetzt. Vorzugsweise wird eine hochfeste Legierung beispielsweise der 7000er oder der 2000er Reihe eingesetzt. Über diesen Kernwerkstoff werden daher die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen maßgeblich bestimmt.
Demgegenüber ist der äußere Mantelwerkstoff für die Wechselwirkung der Oberfläche mit der Umgebung zum Beispiel im Hinblick auf die Korrosionsstabilität sowie die Unempfindlichkeit im Hinblick auf eine Spannungsrisskorrosion verantwortlich.
Insbesondere bei der Variante für das Kontakt-Verbindungselement weist der Mantelwerkstoff in zweckdienlicher Ausgestaltung im Vergleich zum Kernwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf. Der Mantelwerkstoff ist hierbei insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung, der auf einen Stahlkern oder auch auf einen Leichtmetall-Kern aufgebracht ist.
Zur Herstellung des Verbindungselements wird in zweckdienlicher Ausgestaltung allgemein als der ummantelte Rohling ein ummantelter Rohdraht oder auch ein ummantelter Vorformling bereitgestellt, welcher eben einen Kern aus dem Kernwerkstoff und einen Mantel aus dem Mantelwerkstoff aufweist. Der Rohling wird zur Ausbildung des Verbindungselements zumindest einer oder auch mehreren Umformungen unterzogen werden. Hierbei kann es sich um Ziehoperationen handeln. Insbesondere erfolgt jedoch ein Umformvorgang mit radialer Krafteinwirkung, so dass hierdurch die radiale Ausdehnung und Form verändert wird.
Dabei ist insgesamt bevorzugt eine starke Umformung vorgesehen, bei der der Querschnitt des Rohlings um 25% bis 75%, insbesondere um zumindest 50% verändert wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante wird vorzugsweise ein ummantelter Rohdraht bereitgestellt, der anschließend zur Ausbildung des Verbindungselements umgeformt wird. Hierbei können mehrere Umformvorschritte vorgesehen sein. Zur Ausbildung dieses ummantelten Rohdrahts wird auf ein herkömmliches, bekanntes Herstellverfahren zurückgegriffen, wie es beispielsweise bei Kupferplattierten elektrischen Leiterdrähten bekannt ist, beispielsweise so genannte„Copper Clad Aluminium-Drähte". Hierbei wird beispielsweise ein Aluminium- Ausgangsrohdraht mit einem Mantel versehen, und der so gebildete Verbund wird anschließend durch beispielsweise einen Ziehprozess auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen, welcher dann für den Rohling weiterverarbeitet wird, indem dieser zunächst abgelängt und später dann auch mehrfach umgeformt wird.
Alternativ hierzu ist in bevorzugter Ausgestaltung der Kern als ein Einlegeteil ausgebildet, welches in ein beispielsweise vorgeformtes Hülsenelement aus dem Mantelwerkstoff eingelegt, insbesondere eingepresst wird. Das Hülsenelement ist dabei vorzugsweise wahlweise Rohrförmig oder auch topf- oder napfförmig ausgebildet, weist also an einer Seite eine geschlossene Stirnseite auf.
Das Einlegeteil und/oder das Hülsenelement weisen vorzugsweise eine Vorform auf und sind beispielsweise im Falle einer Schraube mit einem Kopf und Schaftteil versehen. Das Hülsenelement ist entsprechend komplementär vorgeformt, so dass das Einlegeteil im Hülsenelement passgenau einliegt.
Auch bei der erstgenannten Ausführungsvariante, bei der zunächst ein ummantelter Rohdraht bereitgestellt wird, wird ein Vorformling erzeugt, indem dieser ummantelter Rohdraht abgelängt und das abgelängte Teilstück einem ersten Um- formprozess zur Ausbildung des Kopfbereichs sowie des Schaftbereichs umgeformt wird.
Der Mantel wird allgemein insbesondere allein durch mechanische Prozesse und Umformvorgänge aufgebracht. Hierzu wird beispielsweise ein Verbund aus
Rohdraht mit darauf angebrachtem Mantel durch einen Ziehprozess auf ein gewünschtes Endmaß gezogen, wobei hierbei der gewünschte ummantelte Rohling ausgebildet wird. Auch durch die im Laufe des Herstellungsprozesses erfolgenden weiteren Umformvorgänge erfolgt eine feste unlösbare Verbindung. Zur Herstellung des Verbunds wird beispielsweise der Rohdraht aus Aluminium in ein Mantelrohr eingeführt oder der Rohdraht wird mit dem Mantelmaterial umwickelt etc.. Es erfolgt kein aktives stoffschlüssiges Verbinden beispielsweise durch ein bewusstes Verschweißen. Auch erfolgt kein Beschichten mit einem Beschichtungsverfahren, bei dem das Mantel material durch ein Sprüh- Streich- oder (galvanisches) Überzugsverfahren aufgebracht wird. Je nach gewähltem mechanischem Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei einem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen. Die Verbindung zwischen dem Kern und dem Mantel wird letztendlich vorzugsweise ausschließlich durch den zumindest einen Umformvorgang ausgebildet. Hierbei werden auf den ummantelten Rohling Kräfte ausgeübt, die auch in radialer Richtung wirken, so dass der Mantel fest gegen den Kern gepresst wird und eine innige Verbindung ausgebildet wird.
Im Hinblick auf die Einstellung einer gewünschten Festigkeit wird üblicherweise für den Kernwerkstoff ein aushärtbarer Werkstoff verwendet, welcher in an sich bekannter Weise einer Temperaturbehandlung zur Härtung unterzogen wurde. Bevorzugt erfolgt dabei die Härtung vor dem Aufbringen des Mantelwerkstoffes. Alternativ erfolgt eine Härtung nachdem der ummantelte Rohling auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen wird. Nach der Ausbildung des Verbindungselements, insbesondere nach einer Grobumformung, beispielsweise ein Fließpressen des Schaftes oder ein Stauchen des Kopfes zu der Ausbildung des Kopf- sowie Schaftbereiches, erfolgt vorzugsweise keine Wärmebehandlung zu Härtungszwecken. Durch die Umformung wird eine Kaltverfestigung erzielt. Alternativ wird nach einer solchen Grobumformung noch eine Wärmebehandlung zu Härtungszwecken durchgeführt. Grundsätzlich wird jedoch bei einer Schraube nach einem Gewindeformvorgang (Gewindewalzvorgang) keine Härtung mehr vorgenommen. Nach dem letzten Formvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie des Verbindungselements erfolgt also vorzugsweise keine Härtung mehr, um die im letzten Umformschritt aufgebrachte Kaltverfestigung aufrecht zu erhalten
Alternativ wird das endgefertigte Verbindungselement 1 6 in speziellen Fällen, beispielsweise bei denen sowohl der Kern 3 als auch der Mantel 4 aus einer Aluminiumlegierung besteht, in bevorzugter Weise einer abschließenden Wärmebe- handlung unterzogen, insbesondere eine geeignete Auslagerungsbehandlung, nämlich insbesondere einem Lösungsglühen und Anlassen.
In beiden Fällen wird im Ausführungsbeispiel einer Schraube in den ummantelten Vorformling vorzugsweise ein Gewinde eingeformt.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um einen Nieten oder auch um sogenannte technische Federn, mit deren Hilfe zumindest mittelbar Bauteile miteinander verbunden werden. Insbesondere im Falle von Schrauben und Nieten handelt es sich um bolzenförmige Verbindungselemente.
Aufgrund der Umformung des Rohlings mit dem Mantelwerkstoff weist in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement im endgefertigten Zustand eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke des Mantelwerkstoffes über die Länge des Verbindungselements auf. Allgemein wird mit dem Umformgrad der Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsgeometrie (Länge, Dicke) zur umgeformten Endgeometrie verstanden. Insbesondere beispielsweise der Logarithmus des Anfangsdurchmessers zum umgeformten Enddurchmesser. Grundsätzlich weisen Verbindungselemente Bereiche mit unterschiedlichen Umformgraden auf. So weist allgemein der Kopfbereich, insbesondere im Übergang zu einem Schaftbereich einen sehr hohen Umformgrad auf. In einem Gewindebereich einer Schraube, also in Folge des Einbringens des Gewindes, weist das Verbindungselement demgegenüber einen geringeren Umformgrad und damit auch eine andere Wandstärke des Mantelwerkstoffs auf.
Der Mantel weist im endgefertigten Zustand, also beim fertigten Verbindungselement eine Wandstärke auf, die vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 3 mm liegt. Insbesondere lässt sich durch das hier beschriebene Verfahren eine hohe Wandstärke einstellen, die beispielsweise bis zu 25% des Durchmessers eines Schaftbereichs im endgefertigten Zustand beträgt. Die Wandstärke liegt dabei beispiels- weise bei mindestens 10% des Durchmessers des Schaftbereiches im endgefertigten Zustand.
Ein derartiges Verbindungselement zeigt eine hohe Festigkeit kombiniert mit einer hohen Spannungsriss-Unempfindlichkeit und einer guten Korrosionsstabilität. Gleichzeitig ist das Verbindungselement dabei als Leichtbau-Verbindungselement ausgebildet und eignet sich dabei insbesondere für die Verbindung von Leichtbau- Bauteilen, insbesondere solche, welche thermisch hoch beansprucht sind. Durch die Verwendung von zumindest ähnlichen Leichtmetall-Werkstoffen einerseits für das Verbindungselement und andererseits für die zu verbindenden Bauteile ist insbesondere auch bei wiederkehrenden Temperaturwechseln gewährleistet, dass die von der Schraube ausgeübte Klemmkraft zuverlässig aufrechterhalten wird. Ein derartiges Verbindungselement eignet sich daher insbesondere zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise zur Befestigung eines Zylinderkopfes an einem Motorblock und wird auch dort eingesetzt. Bei dem Verbindungselement handelt es sich also insbesondere um eine Motorschraube, insbesondere Zylinderkopfschraube, die im montierten Zustand in einem Verbrennungsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbaut ist.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren und dem hier beschriebenen Verbindungselement lassen sich darüber hinaus auch weitere spezielle Anwendungsbereiche durch Anpassung einer geeigneten Materialkombination erschließen. Insbesondere wird in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement als ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere als elektrische Kontaktschraube, verwendet. Hierzu besteht der Mantelwerkstoff aus einem Werkstoff mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere mit einer im Vergleich zu dem Kernwerkstoff erhöhter Leitfähigkeit.
Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Mantelwerkstoff um Kupfer oder um eine Kupferlegierung. Hierdurch wird daher eine Kupfer-Kontaktschraube ausgebildet, über die zwei Bauteile elektrisch miteinander kontaktiert werden können. Bei diesen Teilen handelt es sich beispielsweise auf der einen Seite um einen elektrischen Leiterdraht bzw. eine daran befestigte Klemme und einem elektrischen Bauteil, beispielsweise ein elektrischer Verbraucher oder auch eine elektrische Stromquelle, wie beispielsweise eine (Fahrzeug-) Batterie. Durch den Hybrid-Aufbau, bestehend insbesondere aus einem Aluminiumkern und einem Kupfermantel, wird zum einen das vergleichsweise teurere Kuper im Kernbereich durch das günstigere Aluminium ersetzt. Zudem wird dadurch auch eine Leichtbau-Kontaktschraube erzielt, aufgrund des geringeren spezifischen Gewichts des Aluminiums. Zugleich werden die guten elektrischen Eigenschaften des Kupfers beibehalten, da der Übergangswiderstand zu einem Klemmteil durch die Verwendung des Kupfers gering gehalten ist. Auch ist die Stromleitfähigkeit durch die Kupferhülle bereitgestellt. Die mechanischen Eigenschaften demgegenüber werden dabei maßgeblich durch den Aluminiumkern bestimmt.
Diese Hybrid-Kontaktschraube vereint daher die Vorteile einer reinen Aluminium- Kontaktschraube mit den Vorteilen einer reinen Kupferkontaktschraube.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 illustriert ein Herstellverfahren zur Herstellung des Verbindungselements ausgehend von einem ummantelten Rohdraht und
Fig. 2 zeigt eine alternative Herstellungsmethode mit der Verwendung eines Einlegeteils.
Bei einer ersten in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante wird zunächst ein Rohdraht 2 aus einem Kernwerkstoff, insbesondere einer hochfesten Aluminiumlegierung bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um einen massiven Draht, wie anhand der Querschnittsdarstellung zu erkennen ist. Im anschließenden Schritt wird dieser Rohdraht 2 mit einem Mantel 4 aus einem Mantelwerkstoff umgeben, insbesondere einer Aluminiumlegierung der 6000er Reihe, bevorzugt mit der Legierung EN AW 6056 oder der Legierung EN AW 6082. Dadurch wird ein ummantelter Rohdraht 6 erhalten mit einem durch den Rohdraht 2 gebildeten Kern 3 und dem Mantel 4. Dieser wird bevorzugt noch auf einen gewünschten Durchmesser gezogen werden. Der Kern 3 ist allgemein als massiver Kern 3 ausgebildet. Auch werden je nach Anwendung und Materialwahl in zweckdienlicher Ausgestaltung Temperaturbehandlungen zur Härtung der Legierungen durchgeführt. Allgemein handelt es sich bei dem Kernwerkstoff und / oder dem Basiswerkstoff um einen aushärtbaren Werkstoff, um die gewünschte Festigkeiten zu erreichen. Die Temperaturbehandlungen werden dabei bereits am Rohdraht 2 durchgeführt oder alternativ erst am ummantelten Rohdraht 6, vorzugsweise nachdem dieser auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen ist.
Bevorzugt erfolgt eine Temperaturbehandlung zur Härtung allenfalls an einem Zwischenprodukt, beispielsweise nur an dem Rohdraht 2 aus dem Kernwerkstoff oder auch an dem ummantelten Rohdraht 6, vorzugsweise nachdem dieser auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen ist. Eine Verfestigung des Mantelwerkstoffes erfolgt durch zumindest einen nachfolgenden Umformvorgang, also durch eine Kaltverfestigung. Eine Temperaturbehandlung zur Härtung erfolgt daher vorzugsweise nicht am endgefertigten Verbindungselement.
Aus diesem ummantelten Rohdraht 6 wird dann durch Ablängen zunächst ein ummantelter Rohling 8 hergestellt, welcher durch einen ersten Grob- Umformprozess zu einem ummantelten Vorformling 10 ausgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel einer Schraube wird hierbei ein Kopfbereich 12 sowie ein Schaftbereich 14 ausgebildet.
Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Kernwerkstoff und / oder als Mantelwerkstoff erfolgt die Grobumformung durch ein Fließpressen und / oder Stauchen, um die gewünschten hohen Umformgrade erreichen zu können.
In einem anschließenden Umformprozess wird dann - im Falle einer Schraube - ein Gewinde 18 in den Schaftbereich 14 zur Ausbildung des endgefertigten Verbindungselements 1 6 eingebracht. Dies erfolgt üblicherweise durch einen Walz- prozess. Bei dieser Herstellungsvariante zeigen die gegenüberliegenden Stirnseiten des Verbindungselements 1 6 jeweils den Kern 3 mit einer freien Stirnseite, welcher konzentrisch von dem Mantel 4 umgeben ist. Dieser nachfolgende Um- formprozess weist dabei üblicherweise geringere Umformgrade als die Grobumformung auf.
Bei der in Fig. 2 dargestellten alternativen Variante (rechte Bildhälfte) wird zunächst ein Hülsenelement 20 aus dem Mantelwerkstoff bereitgestellt, welches insgesamt vorzugsweise in etwa topfförmig ausgebildet ist, also vorzugsweise einen Boden aufweist. Diese ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ ist es auch rohrförmig ausgebildet, wie auf der linken Bildhälfte dargestellt ist, weist also an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten keinen Mantelwerkstoff auf. Gemäß der in der Figur dargestellten Variante ist das Hülsenelement 20 insgesamt zylindrisch ausgebildet. Alternativ hierzu kann es auch bereits vorgeformt sein mit einem Kopfbereich und einem Schaftbereich.
Alternativ zu der Anordnung des Bodens am stirnseitigen Ende des Schaftes ist der Boden am gegenüberliegenden Ende ausgebildet, so dass also der
Kobbereich 12 von dem Mantel 4 überdeckt ist.
In den freien Innenraum dieses Hülsenelements 20 wird ein Einlegeteil 22 eingesetzt, insbesondere eingepresst. Je nach gewähltem mechanischen Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei dem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen.
Das Einlegeteil 22 bildet den späteren Kern 3 aus dem Kernwerkstoff und das Hülsenelement 20 den Mantel 4 aus dem Mantelwerkstoff aus. Dieses kombinierte Bauteil aus etwa zylindrischen Hülsenelement 20 und darin eingesetztem Einlegeteil 22 wird anschließend einem ersten Umformungsprozess zur Ausbildung des Kopfbereichs 12 und des Schaftbereichs 14 unterzogen. Anschließend wird dann noch - in Fig. 2 nicht näher dargestellt - auf den Schaftbereich 14 das Gewinde 18 aufgebracht. Durch das Bodenteil des Hülsenelements 20 tritt im Unterschied zu der vorher beschriebenen Herstellungsvariante das Kernmaterial an der bo- denseitigen Stirnfläche nicht an der Oberfläche heraus.
In den Querschnittsdarstellungen der Fig. 2 ist jeweils noch im Kopfbereich 12 eine fakultative Werkzeugaufnahme 24 dargestellt, beispielsweise eine Innen- Mehrkantauf nähme. Alternativ ist diese auch als Außenmehrkant ausgebildet. Die Ausgestaltung des Werkzeugangriffes erfolgt in einer Variante durch einen Um- formprozess nachfolgend zum Einpressen des Einlegeteils 22 in das Hülsenelement 20. Ist der Kopfbereich 12 mit einem Boden aus dem Mantelwerkstoff verschlossen, so ist in dieser bevorzugten Ausführungsvariante der Werkzeugangriff mit einer Schicht aus dem Mantelwerkstoff versehen.
Allgemein ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass sowohl der Kernwerkstoff als auch der Mantelwerkstoff vor dem Zusammenbringen zu einem Verbundelement zunächst homogenisiert wird, um eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente, welche für eine Mischkristallbildung und Ausscheidungsphasen für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, zu erreichen. Wie bereits erwähnt, wird nach dem Zusammenfügen der Verbund gemeinsam verformt, insbesondere auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen. Durch die Umformung wird allgemein eine enge Verbindung zwischen Kern- und Mantel Werkstoff ausgebildet, sodass diese vorzugsweise allein durch die Umformung unmittelbar miteinander verbunden sind. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung zum Zweck des Aushärtens nach Ausbildung des Verbunds, insbesondere nach dem Ziehprozess, ist darüber hinaus eine chemische Anbin- dung, beispielsweise ein gezieltes Legieren durch Diffusion der Legierungsbestandteile des Mantels auf dem Kern und umgekehrt möglich. Bei diesem Aushärten wird ein vorgegebenes Temperaturprofil bei der Wärmebehandlung durchlaufen, um eine gewünschte Festigkeit einzustellen. Eine Härtung durch thermische Behandlung des gesamten endgefertigten Verbindungselements 16, also nach der Umformung erfolgt vorzugsweise nicht.
Bei nicht gleichartigen Werkstoffen, also beispielsweise bei Kupfer oder Kupferlegierungen für den Mantelwerkstoff und Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für den Kernwerkstoff ist bei der Wärmebehandlung ein Eindiffundieren von Kupfer in Aluminium gezielt ermöglicht, sodass dieses auflegiert wird. Dadurch wird bevorzugt ein Härtegradient in radialer Richtung durch ein gezieltes Auflegieren erreicht. Insgesamt besteht neben reinen Aluminiumverbunden eben die Möglichkeit, durch Mischverbunde die äußere Schicht auch aus Kupferlegierungen auszubilden, sodass insgesamt die Oberflächeneigenschaften verbreitert werden. Auch wird beispielsweise als Basiswerkstoff für den Kern Magnesium und für den Mantelwerkstoff eine Aluminiumlegierung verwendet. Als Mischverbunde werden dabei vorliegend derartige Verbünde bezeichnet, bei denen für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff verschiedenartige Werkstoffe verwendet werden, bei denen sich also die Basiswerkstoffe einerseits für den Kernwerkstoff und andererseits für den Mantelwerkstoff unterscheiden. Demgegenüber werden bei einem AI-AI- Verbund aus zwei unterschiedlichen AI-Legierungen gleichartige Werkstoffe miteinander verbunden.
Wie sich aus der vorgehenden Beschreibung ergibt, ist die Mantelschicht bereits vor der Umformung, insbesondere der Ausbildung des Kopfbereichs 12, aufgebracht. Die Ausbildung des Kopfbereichs erfolgt durch eine Kaltumformung und wird aufgrund des hohen Umformgrads auch als Kaltmassivumformung bezeichnet. Bei der Umformung erfolgt eine Querschnittsänderung vorzugsweise im Bereich von 25% bis 75%, insbesondere von zumindest 50%. Der Mantel 4 weist hierfür eine ausreichend dicke Windstärke d auf. Zudem weist der Mantelwerkstoff auch eine ausreichende Duktilität auf, um ein Reißen des Mantelwerkstoffs zu vermeiden. Die minimale Wandstärke d liegt hier bei einigen 100 μηι. Bevorzugt liegt die Wandstärke d allgemein, speziell im Schaftbereich zwischen Gewinde 18 und Kopfbereich 12 oder auch im Bereich des Gewindes 18 bei mindestens 10% eines Durchmessers D des Schaftteils 14 im endgefertigten Zustand.
Die Wandstärke d variiert dabei über die Ausdehnung des Verbindungselements 1 6 in Abhängigkeit des Umformgrades, welcher positionsabhängig ist. So zeigt der Mantel 4 allgemein in Bereichen hoher Umformgrade eine geringere Wandstärke d als in Bereichen geringer Umformgrade. Die Endfestigkeit des endgefertigten Verbindungselements 1 6 wird zweckdienlicherweise durch eine abschließende Wärmebehandlung, eine geeignete Auslagerungsbehandlung, nämlich insbesondere Lösungsglühen und Anlassen, erzielt. Dies erfolgt bevorzugt lediglich bei gleichartigen Werkstoffen für den Kernwerkstoff und den Mantelwerkstoff, also insbesondere bei Al-Al-Verbunden. Insbesondere bei gleichartigen Werkstoff-Verbünden (AI-AL-Verbund) erfolgt diese Wärmebehandlung alternativ auch zuvor beispielsweise am ummantelten Rohling dem Vorformling oder auch den Einzelteilen, nämlich dem Hülsenelement und dem Einlegeteil.
Derartige Verbindungselemente 1 6 werden wie bereits erwähnt vorzugsweise in Leichtbauteilen mit hoher Temperaturbeanspruchung, insbesondere Zylinderkopf- verschraubungen, eingesetzt. Da die Dichte des Gesamtverbundes durch die gleiche Materi alklasse (Leichtmetall) nicht verändert wird, bleiben die Vorteile Leichtbau, Verringerung der Klemmlänge in Aluminium- und Magnesiummutterngewinde, geringes Korrosionspotential sowie bei Temperaturbeaufschlagung geringe Zusatzspannungen im Verbund mit Aluminium- oder Magnesiumbauteilen vollständig erhalten.
Derartige Verbindungselemente 1 6 haben den Vorteil, dass sie trotz der verbesserten Eigenschaften nicht zu Mehrkosten führen, insbesondere da auf erprobte und bewährte Prozesstechnologien zurückgegriffen werden können. Insbesondere kann auf die bekannten herkömmlichen Prozesse der (Wärme-) Behandlung des Drahtes (z.B. Ziehen und Weichglühen) zurückgegriffen werden. Auch die Kaltmassivumformung an Mehrstufenpressen ist vergleichbar zu den bisher bekannten Serienprozessen für die Herstellung von Aluminiumschrauben. Gleichzeitig wird jedoch eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften ohne Verringerung der durch die Oberfläche bestimmten Wechselwirkungen (Spannungs- riss-Korrosion) erreicht.
Durch gezielte Wahl der Legierung für den Außenmantel kann der äußere Bereich des Verbindungselements je nach Anwendungsgebiet mit maßgeschneiderten Eigenschaften versehen werden. Insbesondere wird eine derartige Schraube als Kontaktschraube, vorzugsweise mit einem Kupfer-Mantelwerkstoff ausgebildet.
Bezugszeichenliste
2 Rohdraht
3- Kern
4 Mantel
6 ummantelter Rohdraht
8 ummantelter Rohling
10 ummantelter Vorformling
12 Kopfbereich
14 Schaftteil
1 6 Verbindungselement
18 Gewinde
20 Hülsenelement
22 Einlegeteil
24 Werkzeugaufnahme d Wandstärke
D Durchmesser

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (1 6), insbesondere eine Schraube, wobei ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt wird, der einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs, wobei auf den Kernwerkstoff ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht ist, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem als Mantelwerkstoff eine Aluminiumlegierung der 6000er Reihe, insbesondere die Legierung gemäß EN AW 6056 oder EN AW 6082 verwendet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kernwerkstoff eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantelwerkstoff im Vergleich zum Kernwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein ummantelter Rohdraht (6) als eine Meterware bereitgestellt wird, der zur Ausbildung des Verbindungselements (1 6) abgelängt und umgeformt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kern (3) als ein Einlegeteil (22) ausgebildet ist und der Mantelwerkstoff durch ein Hülsenelement (20) gebildet ist.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Vorformling mit dem Einlegeteil (22) bereitgestellt wird, aus dem durch einen Umformvorgang eine gewünschte Endgeometrie des Verbindungselements (1 6) ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das endgefertigte Verbindungselement (16) keiner Wärmebehandlung zur Verbesserung der Festigkeit unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein ummantelter Vorformling (10) ausgebildet wird, in den ein Gewinde (18) eingeformt wird.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Mantel (4) beim endgefertigen Verbindungselement (1 6) eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke (d) aufweist.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel (4) im endgefertigten Zustand in der Endgeometrie eine mittlere Wandstärke (d) im Bereich von 0,1 bis 3 mm aufweist.
12. Verbindungselement (1 6), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff, bestehend aus einem Basiswerkstoff oder einer Legierung des Basiswerkstoffs, wobei auf den Kernwerkstoff ein Mantel (4) aus einem Mantelwerkstoff aufgebracht ist, wobei der Basiswerkstoff des Kernwerkstoffs ausgewählt ist aus Aluminium, Magnesium oder Eisen und der Mantelwerkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, einer Magnesiumlegierung, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
13. Verbindungselement (1 6) nach Anspruch 12, bei dem der Kernwerkstoff eine höhere Festigkeit als der Mantelwerkstoff aufweist.
14. Verbindungselement (1 6) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Mantelwerkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der Kernwerkstoff aufweist.
15. Verbindungselement (1 6) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welches einen Schaftteil (14) aufweist und bei dem der Mantelwerkstoff eine Wandstärke (d) aufweist, die zumindest 10% eines Durchmessers (D) des Schaftteils (14) ist.
1 6. Verwendung eines Verbindungselements (1 6) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 als Motorschraube, welche in einem Bauteil eines Verbrennungsmotors eingesetzt ist.
17. Verwendung eines Verbindungselements (1 6) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 als elektrisches Kontaktelement für eine elektrische Kontaktverbindung.
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