Aluminiumschrauben sorgen für sichere Verbindungen im Leichtbau

Leichtbauwerkstoffe erfordern bei bewegten Massen deutlich weniger Energie und Material als die konventionellen Alternativen. Deshalb setzt vor allem die Automobilindustrie auch in der Serienfertigung auf leichte Bauteilkonstruktionen. Die Werkstoffe Aluminium und Magnesium haben sich dabei als Innovationstreiber besonders bewährt. Damit einhergehend steigen auch die Anforderungen an die einzusetzenden Verbindungselemente und die Auslegung von Schraubenverbindungen.

Kontaktkorrosionen belasten die Qualität der Verbindung von Magnesiumelementen

Aluminium und Magnesium haben sich als multi-kombinierbare Konstruktionswerkstoffe in nahezu allen Bereichen der industriellen Produktion etabliert. Zur sicheren Montage von Gehäuseteilen, Trägern oder Versteifungskomponenten aus Magnesium hat Arnold Umformtechnik das Alufast-Schraubenprogramm entwickelt. 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.

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 große Kopfauflageflächen. Damit verbunden sind Schraubenlängen, die den Gewichtsvorteil des Werkstoffes schnell zunichte machen können. Stark unterschiedliche Ausprägungen der Wärmeausdehnung der kombinierten Materialien können außerdem zu funktionsgefährdenden Vorspannkraftverlusten führen. Kontaktkorrosionen belasten die Qualität der Verbindung.

Hochfeste Aluminiumschrauben aus dem Arnold-Alufast-Programm sind die Antwort auf diese Herausforderungen. Die Verbindungselemente eignen sich besonders für die Verschraubung von Magnesiumkomponenten unter korrosiver und thermischer Belastung. Die verwendete Al6056-Legierung und eine angepasste Wärmebehandlung gewährleisten die prozesssicheren Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der Schraube. Während Stahlschrauben große Kopfauflagen bei Magnesiumverbindungen benötigen, reicht bei Alufast ein Standarddesign.

Alufast-Schrauben können blank eingesetzt werden

Zusätzlich überzeugen die Aluminiumschrauben durch gute Kontaktkorrosionseigenschaften gegen Magnesium. Geringere Potenzialdifferenzen bieten deutlich reduzierte Korrosionspotenziale im Vergleich zur Stahlvariante. Die mechanischen Eigenschaften der Schrauben sind bei Langzeitbelastung bis zu einer Temperatur von etwa 150 °C nahezu stabil. Kurzfristig höhere Temperaturen bis etwa 180 °C sind ebenfalls unkritisch. Alufast-Schrauben können in Verbindung mit üblichen Magnesiumdruckgusslegierungen – beispielsweise Az91 HP – blank eingesetzt werden. Sie benötigen keine weitere Oberflächenbeschichtung.

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 von Motor und Getriebe herrschenden Objekttemperaturen von —30 bis 150 °C führen bei der Schraubenverbindung zu Temperaturunterschieden bis zu 180 °C.

Relaxationserscheinungen im Magnesium führen zu Vorspannkraftabfall

Daraus resultiert bei Verwendung von Stahlschrauben bei hohen Temperaturen zunächst eine thermisch induzierte Zusatzbelastung der Schraubenverbindung, die dann in der Regel zur Relaxation des Magnesiums führt. Diese Relaxationserscheinungen im Magnesium führen dann bereits zu einem Vorspannkraftabfall während höherer Betriebstemperaturen.

Jedoch bei Abkühlung ändert sich die Dicke des geklemmten Magnesiumteiles thermisch bedingt stärker als die Stahlschraubenlänge. Dies hat zur Konsequenz, dass bei Verwendung von Stahlschrauben eklatante Vorspannkraftverluste auftreten können, die unter Umständen dann zum Versagen der Verbindung führen können. Alufast-Schrauben weisen, bedingt durch das ähnliche thermische Ausdehnungsverhalten, einen deutlich geringeren Vorspannkraftverlust bei Temperaturschwankungen auf, was sie speziell für den Einsatz in wärmebelasteten Bereichen auszeichnet.

Aluminiumschrauben des Typs Alufast dreimal leichter als die Stahl-Alternative

Die Aluminiumschrauben des Typs Alufast sind dreimal leichter als die Stahl-Alternative. Die Gewichtsersparnis bei einem Getriebe mit 20 Schrauben kann bis zu 340 g betragen. Die Gewichtsreduktion kann zusätzlich gesteigert werden, weil eine deutlich geringere Dimensionierung der Schraube gewählt werden kann, ohne qualitative Verluste hinnehmen zu müssen.

Vor allem bei der Verbindung von Gehäuseteilen, Trägern und Versteifungskomponenten aus Magnesium spielen die Alufast-Schrauben ihre Vorteile aus. Die Verschraubungssicherheit ist bei optimalen Werkstoffpaaren vor allem unter Wärmeeinfluss deutlich höher. Unter thermischer und korrosiver Belastung haben sich die Aluminiumschrauben besonders bewährt. Der Gewichtsvorteil führt vor allem bei großen Mengengerüsten – beispielsweise bei der Getriebefertigung – zu Einsparpotenzialen mehrerer Tonnen Stahl pro Jahr.

Michael Pult ist Leiter Marketing & Communications bei der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG in 74670 Forchtenberg-Ernsbach.