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 Automobilindustrie 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 Schraubenverbindungen.

Aluminium und Magnesium haben sich als innovative und multi-kombinierbare Konstruktionswerkstoffe in nahezu allen Bereichen der industriellen Produktion etabliert (Bild 1). Magnesium besitzt beispielsweise die geeigneten mechanischen und physikalischen Eigenschaften, um für die Herstellung dünnwandiger Druckgussteile eingesetzt zu werden. Zur sicheren Montage von Gehäuseteilen, Trägern oder Versteifungskomponenten aus Magnesium hat Arnold Umformtechnik das Alufast^®- Schraubenprogramm entwickelt. Die verwendete Legierung Al 6056 hat sich für die Verschraubung von Magnesiumkomponenten nachhaltig bewährt.

Damit reagieren die Ver­bindungsspezialisten auf die Forderung nach einer optimalen Werkstoffpaarung, die sich vor allem hinsichtlich Wärme­ausdehnung, 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 Magnesiumelementen stellt besondere Herausforderungen an das Verbindungselement. 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 Vorspannkraftverlusten führen. Kontakt­korrosionen belasten die Qualität der Verbindung.

Hochfeste Aluminiumschrauben aus dem Arnold-Alufast^® Programm sind die bewährte Antwort auf die genannten Herausforderungen. Alufast^®-Verbindungselemente zeichnen sich durch die Wahl der geeigneten Aluminiumlegierung in Verbindung mit einer exakt abgestimmten Wärmebehandlung der Schrauben aus. Besonders für die Verschraubung von Magnesiumkomponenten 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 Magnesium­verbindungen benötigen, reicht bei Alufast^® ein Standarddesign.

Die Arnold-Gruppe ist eine 100prozentige Tochter des global agierenden Würth-Konzerns, der mit über 65.000 Mitarbeitern und mit 42 Gesellschaften weltweit über 8 Milliarden Euro erwirtschaftet.

Stabile mechanische Eigenschaften
Zusätzlich überzeugt Alufast^® durch gute Kontaktkorrosions­eigenschaften gegen Magnesium. Geringere Potential­differenzen 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 üblichen 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 Vorspannkraftverlusten 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 Objekttemperaturen von - 30°C bis zu 150 Grad Celsius führen bei der Schraubenverbindung zu Temperaturunterschieden 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 Stahlschraubelänge. 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 wärmebelasteten Bereichen auszeichnet (Bild 3).

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 Versteifungskomponenten 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 erreichen prozesssicher hohe Festigkeits- und Dehnungseigenschaften bei gleichzeitig guten Korrosionseigenschaften. Der Gewichtsvorteil führt vor allem bei großen Mengengerüsten – wie beispielsweise bei der Getriebefertigung – zu Einsparpotentialen mehrerer Tonnen Stahl pro Jahr.