ARNOLD Umformtechnik: Alufast^® sichert Leichtbau

Leichtbau gewinnt in der Industrie – Magnesium und Aluminium präsentieren sich als optimale Werkstoffpaarung - Alufast^®-Schrauben spielen ihre Vorteile aus

(Forchtenberg) Leichtbauwerkstoffe erfordern bei bewegten Massen deutlich weniger Energie und Material, als die konventionellen Alternativen. Deshalb setzt vor allem die Auto- mobilindustrie seit rund zehn Jahren

auch in der Serienfertigung auf „schlanke“ Bauteilkonstruktionen. Die Werkstoffe Aluminium und Magnesium haben sich im Fahrzeugbau besonders als Innovationstreiber bewährt, da sie eine deutliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Systeme gewährleisten. Damit einhergehend steigen auch die Anforderungen an die einzusetzenden Verbindungselemente und der Auslegung von Schrauben- verbindungen.

Die Arnold-Gruppe ist eine 100-prozentige Tochter des global agierenden Würth-Konzerns, der mit über 65.000 Mitarbeitern und mit 420 Gesellschaften weltweit über 8 Milliarden Euro erwirtschaftet.

Aluminium und Magnesium haben sich als innovative und multi-kombinierbare Konstruktionserkstoffe in nahezu allen Bereichen der industriellen Produktion etabliert. Magnesium besitzt beispiels- weise die geeigneten mechanischen und physikalischen Eigenschaften, um für die Herstellung dünnwandiger Druckgussteile eingesetzt zu werden. Zur sicheren Montage von Gehäuseteilen, Trägern oder Versteifungs- komponenten aus Magnesium hat Arnold Umformtechnik das Alufast^®- Schraubenprogramm entwickelt. Die verwendete Legierung Al 6056 hat sich für die Verschraubung von Magnesium- komponenten nachhaltig bewährt.

Damit reagieren die Verbindungs- spezialisten auf die Forderung nach einer optimalen Werkstoffpaarung, die sich vor allem hinsichtlich Wärme- ausdehnung, Korrosionsverhalten und Recycling auszeichnet. Gleichzeitig erfüllen die Alufast^® -Produkte die hohen Anforderungen an den Erhalt der Vorspannkraft, der Temperaturstabilität sowie der Gewichtsersparnis. Umfassende Versuchsreihen weisen nach, dass Alufast^® in vollem Umfang die Bedürfnisse des Marktes andeckt.

Alufast^® statt Stahl
Die Verschraubung von Magnesium- elementen stellt besondere Herausforderungen an das Verbin- dungselement. Die geringe Festigkeit von Gegenlage und Mutterngewinde erfordert beim Einsatz von Stahlschrauben große Einschraubtiefen oder großen Kopfauflageflächen. Damit verbunden sind Schraubenlängen, die den Gewichtsvorteil des Werkstoffes schnell kompensieren können. Stark unterschiedliche Ausprägungen der Wärmeausdehnung der kombinierten Materialien kann schnell zu funktionsgefährdenden Vorspannkraft- verlusten führen. Kontaktkorrosionen belasten die Qualität der Verbindung.

Hochfeste Aluminiumschrauben aus dem Arnold-Alufast^® Programm sind die bewährte Antwort auf die genannten Herausforderungen. Alufast^®-Verbin- dungselemente zeichnen sich durch die Wahl der geeigneten Aluminium- legierung in Verbindung mit einer exakt abgestimmten Wärmebehandlung der Schrauben aus. Besonders für die Verschraubung von Magnesium- komponenten unter korrosiver und thermischer Belastung eignen sich Alufast^®-Produkte. Die Al 6056-Legierung und eine angepasste Wärmebehandlung gewährleisten die prozesssicheren Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der Schraube. Während Stahlschrauben extrem große Kopfauflagen bei Magnesiumver- bindungen benötigen, reicht bei Alufast^® ein Standarddesign.

Stabile mechanische Eigenschaften
Zusätzlich überzeugt Alufast^® durch gute Kontaktkorrosionseigenschaften gegen Magnesium. Geringere Potential- differenzen bieten deutlich reduzierte Korrosionspotentiale gegenüber der Stahlvariante (Bild 2). Die mechanischen Eigenschaften der Schrauben sind bei Langzeitbelastung bis zu einer Temperatur von ca. 150 Grad Celsius nahezu stabil. Kurzfristig höhere Temperaturen bis ca. 180 Grad Celsius sind ebenfalls unkritisch. Alufast^®- Schrauben können in Verbindung mit üb- lichen Magnesiumdruckgusslegierungen

- wie beispielsweise Az91 HP – blank eingesetzt werden. Sie benötigen keine weitere Oberflächenbeschichtung. Die Korrosionsbeständigkeit der Teile bleibt über die gesamte Betriebsdauer stabil.

Geringe Vorspannkraftverluste
Relaxationsvorgänge insbesondere in den verschraubten Magnesiumteilen können speziell an temperaturbelasteten Verbindungsstellen zu Vorspannkraft- verlusten führen. Das Risiko resultiert aus dem um den Faktor zwei höheren Ausdehnungskoeffizienten von Magnesium gegenüber Stahl. Vor allem die in Einsatzbereichen wie Motor und Getriebe herrschenden Objekttempe- raturen von - 30°C bis zu 150 Grad Celsius führen bei der Schrauben- verbindung zu Temperatur unter- schieden bis zu 180°C Grad Celsius.

Daraus resultiert bei den hohen Temperaturen bei Verwendung von Stahlschrauben zunächst eine thermisch induzierte Zusatzbelastung der Schraubenverbindung, welche dann i. d. R. zur Relaxation (bis hin zu Plastifizierungen) des Magnesiums führen. Diese Relaxationserscheinungen im Magnesium (insbes. Gewinde, Schraubenkopfauflage) führen dann bereits zu einem Vorspannkraftabfall während höherer Betriebstemperaturen. Jedoch bei Abkühlung (z.B. Fahrtbeginn im Winter) ändert sich die Dicke des geklemmten Magnesiumteiles thermisch bedingt stärker, als die Stahlschraube- länge. Dies hat zur Konsequenz, dass bei Verwendung von Stahlschrauben eklatante Vorspannkraftverluste auftreten können, die u. U. dann zum Versagen der Verbindung führen können.

Alufast^®-Schrauben weisen bedingt durch das ähnliche thermische Ausdehnungsverhalten einen deutlich geringeren Vorspannkraftverlust bei Temperaturschwankungen auf, als herkömmliche Stahlschrauben, was sie speziell für den Einsatz in wärme- belasteten Bereichen auszeichnen.

Aluminiumschrauben des Typs Alufast^® sind dreimal leichter, als die Stahl-Alternative. Die Gewichtsersparnis bei einer Getriebeapplikation von 20 Schrauben pro Getriebe kann bis zu 340 Gramm betragen. Die Gewichtsreduktion kann zusätzlich gesteigert werden, da bei der Verwendung der Alufast^®- Verschraubung eine deutlich geringere Dimensionierung der Schraube gewählt werden kann, ohne qualitative Verluste hinnehmen zu müssen.

Fazit:
Vor allem bei der Verbindung von Gehäuseteilen, Trägern und Versteif- ungskomponenten aus Magnesium spielen die Alufast^®-Schrauben von Arnold ihre Vorteile aus. Die Verschraubungssicherheit ist vor allem bei optimalen Werkstoffpaaren vor allem unter Wärmeeinfluss deutlich höher. Unter thermischer und korrosiver

Belastung haben sich die Alufast^®- Schrauben besonders bewährt. Sie er- reichen prozesssicher hohe Festigkeits- und Dehnungseigen- schaften bei gleichzeitig guten Korrosionseigen- schaften. Der Gewichtsvorteil führt vor allem bei großen Mengengerüsten – wie beispielsweise bei der Getriebefertigung – zu Einsparpotentialen mehrerer Tonnen Stahl pro Jahr.