Neueste Versuchsergebnisse zu höchstfesten Aluminiumlegierungen und anschließenden Hartbeschichtungen

Der weltweite Trend zur Entwicklung von energie- und ressourcensparenden Konstruktionen ist ungebrochen und forciert das Thema Leichtbau und damit den Einsatz von Aluminium. Dies führt zu der Erkenntnis, dass bekannte Stahl- oder Edelstahl-Verbindungselemente die Anforderungen an zukünftige Neukonstruktionen nicht mehr gänzlich erfüllen können – vor allem nicht aus Sicht einer signifikanten Gewichtseinsparung.

Aus diesem Grund hat sich Schürmann & Hilleke in Kooperation mit dem Drahtwerk Elisental mit hochfesten Aluminiumlegierungen befasst, die bei einer guten Korrosionsbeständigkeit durch ausgewählte Legierungen und angepasste Werkstoffzustände und unter Einbeziehung spezieller Beschichtungen die notwendigen Festigkeitseigenschaften und Kerbschlagzähigkeiten für die beschriebene Verschraubungsaufgabe erreichen können.

Bekannte Legierungen aus der Luft- und Raumfahrt, die diese Anforderungen festigkeitsseitig erfüllen, sind nach wie vor sehr hochpreisig. Edelstähle, die die Korrosionseigenschaften erfüllen, sind sehr schwer und in der Verarbeitung aufwendig und teuer (Kaltmassivumformung). Einen hervorragenden Kompromiss bei dieser Herausforderung dürfte eine modifizierte, kupferfreie Aluminiumlegierung aus der 7000er-Gruppe bieten, die die Ansprüche an die gewünschten Eigenschaften für den beschrieben Anwendungsfall hervorragend abdeckt. Nur durch die Kombination aus einer erhöhten Härte gegenüber bereits in der Automobiltechnik eingeführten hochlegierten 6000er Legierungen, bei gleichzeitig kontrollierter Sprödigkeit, ist es möglich, selbstformende Verbindungen komplett aus Aluminium zu erstellen.
  
In den Bildern ist dargestellt, wie eine Gewinde furchende Schraube ihr Gewinde selbst in ein Aluminiumprofil formt, ohne Vorbohren zu müssen. In dem gezeigten Beispiel werden Solarmodule mittels Klemmen an eine Unterkonstruktion verschraubt, und zwar direkt in einen speziellen Schraubkanal der Aluminiumprofile ohne Verwendung weiterer Nutensteine, Scheiben, Muttern oder anderer Kleinteile.

Diese Funktion wurde bis heute von einer Schraube aus Edelstahl erfüllt, mit erheblichen Nachteilen in der Anwendung. Zum einen zeigt sich bei Salzsprühnebeltests nach DIN EN 9227, dass die Schraube umgebendes Aluminium bereits nach einer Zeit unter 200 h zu korrodieren beginnt, zum anderen erfährt die Schraubverbindung im Dauereinsatz ein verstärktes Setzverhalten, da sich bei Temperaturschwankungen die verschiedenartigen Materialien unterschiedlich ausdehnen und sich die Schraube hierdurch lockert. Ferner ist der Werkstoff Edelstahl nicht nur in der Beschaffung kostspielig, sondern auch in der Bearbeitung stark werkzeugverschleißend und eingeschränkt umformbar, was in der Summe zu hohen Kosten führt.

Durch spezielle thermomechanische Behandlungen des Vorprodukts (Aluminiumdraht), der angepassten Wärmebehandlung der fertigen Schrauben und einer Spezialbeschichtung des Endproduktes ist die hochfeste Aluminiumschraube Bär-Siso+ entstanden, die alle Anforderungen an die Verbindungsaufgabe erfüllt, aber die Nachteile der Edelstahlversion umgeht und in der Herstellung um ca. 30 % günstiger ist.

Die Festigkeit des Verbindungselements in Verbindung mit der Beschichtung ist hoch genug, sich im Aluminiumschraubkanal sein eigenes Gewinde zu formen und dabei sogar Wandungen zu durchdringen. Die ausreichende Kerbschlagzähigkeit stellt sicher, dass es bei den schwankenden Belastungen nicht zum Bruch der Schraube kommt. Die 8-mm-Schraube kann mit einem maximalen Drehmoment von 7 Nm eingeschraubt werden. Dies ist eine Grundvoraussetzung um die beschriebene Schraubverbindung mittels Akkuschrauber sicher ausführen zu können.

Weitere Details über die Entwicklungsgeschichte und die Anwendungen enthält ein Vortrag beim diesjährigen VDI-Jahrestreffen der Kaltmassivumformer (10.-11. Februar 2010 in Düsseldorf). Diese können abgerufen werden bei:
Dipl. Wirtsch. Ing. Stefan Hilleke, +49-2392-69431, s.hilleke@baer-original.de.

Schlagworte: Aluminium, Oberflächentechnik

http://www.baer-original.de

Quelle: Schürmann & Hilleke Umformtechnik GmbH, D-58809 Neuenrade

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