Schrauben Leichtbauwerkstoffe mit Aluminiumschrauben verbinden

Die Automobilindustrie setzt seit rund zehn Jahren auch in der Serienfertigung auf die schlanken Werkstoffe Magnesium und Aluminium. Bisher nutzte man Stahlschrauben zum Verbinden der Leichtmetalle, doch jetzt werden auch Aluminiumschrauben den Anforderungen im Fahrzeugbau gerecht.

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Im Fahrzeugbau haben sich Aluminium und Magnesium als Werkstoffe etabliert. Damit stiegen auch die Anforderungen an die verwendeten Verbindungselemente und die Auslegung von Schraubenverbindungen. Um die Leichtbauwerkstoffe prozesssicher zu verbinden, entwickelte Arnold Umformtechnik das Alufast-Schraubenprogramm, das die hohen Anforderungen an den Erhalt der Vorspannkraft, der Temperaturstabilität sowie der Gewichtsersparnis erfüllt. Die verwendete Legierung Al 6056 eignet sich besonders zur sicheren Montage von Gehäuseteilen, Trägern oder Versteifungskomponenten aus Magnesium.

Magnesiumbauteile bisher mit Stahlschrauben verbunden

Bisher wurden Magnesiumbauteile mit Stahlschrauben verbunden, was besondere Herausforderungen an das Verbindungselement stellte. Aufgrund der geringen Festigkeit von Gegenlage und Mutterngewinde sind große Kopfauflageflächen nötig und lange Stahlschrauben müssen tief eingeschraubt werden. Schnell ist so der Gewichtsvorteil des Leichtbauwerkstoffs aufgewogen. Nachteilig wirkt sich die unterschiedliche Wärmeausdehnung der zu verbindenden Materialien auf die Stahlschrauben aus, denn dies kann zu Vorspannungsverlusten und Kontaktkorrosionen führen.

Hochfeste Aluminiumschrauben sind die Antwort

Mit den Alufast-Verbindungselementen erfüllt Arnold die Anforderungen an die Verschraubung von Magnesiumkomponenten unter korrosiver und thermischer Belastung. Die geeignete Al 6056-Legierung und eine angepasste Wärmebehandlung, gewährleisten die prozesssicheren Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der Schraube. Zudem reicht bei den Aluminiumschrauben, im Gegensatz zu Stahlschrauben, eine Kopfauflage im Standarddesign aus.

Stabile mechanische Eigenschaften für Langzeitbelastungen

Die Aluminiumschrauben schonen zudem das Material, denn durch die geringen Potentialdifferenzen zwischen Aluminium und Magnesium tritt gegenüber der Stahlvariante selten Korrosion auf. Bei Langzeitbelastung bis zu einer Temperatur von etwa 150 °C sind die mechanischen Eigenschaften der Schrauben nahezu stabil. Auch kurzfristig höhere Temperaturen bis 180 °C überstehen sie ebenfalls unkritisch.

In Verbindung mit üblichen Magnesiumdruckgusslegierungen, wie beispielsweise Az91 HP, lassen sich die Verbindungselemente blank einsetzten. Ohne die Oberfläche der Schrauben zu beschichten bleibt die Korrosionsbeständigkeit der Teile über die gesamte Betriebsdauer erhalten.

Geringe Vorspannkraftverluste bei Temperaturschwankungen

Im Motor und Getriebe herrschen Temperaturen von –30 °C bis zu 150 °C, die bei der Schraubenverbindung zu Temperaturunterschieden bis zu 180 °C führen können. Wenn Stahlschrauben verwendet werden, kann es bei den hohen Temperaturen zu einer thermisch induzierten Zusatzbelastung der Schraubenverbindung kommen. Diese führt meist zur Relaxation des Magnesiums bis hin zu Plastifizierungen. Durch diese Relaxationserscheinungen fällt die Vorspannkraft bereits während höherer Betriebstemperaturen ab. Kühlt sich das Magnesiumbauteil ab, ändert sich dessen Dicke thermisch bedingt stärker, als die Länge der Stahlschraube. Deshalb kann beim Einsatz der herkömmlichen Stahlschraube die Verbindung versagen.

Alufast-Schrauben hingegen verlieren durch ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten wie das Magnesiumbauteil weniger Vorspannkraft. Somit eignen sie sich besonders für den Einsatz in wärmebelasteten Bereichen.

Bei Aluminiumschrauben bis zu 340 Gramm einsparen

Aluminiumschrauben des Typs Alufast sind dreimal leichter, als die Stahl-Alternative. Bei einer Getriebeapplikation von 20 Schrauben pro Getriebe können so bis zu 340 Gramm Gewicht eingespart werden - rund 35 Tonnen Stahl bei 100 000 Getrieben. Da für eine Alufast-Verschraubung kleinere Schrauben gewählt werden können, lässt sich das Gesamtgewicht zusätzlich reduzieren.

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