Leichtbauprodukte aus Aluminium, Magnesium und Kunststoff werden heute verstärkt eingesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Leichtmetallverbindungen mit konventionellen Stahlschrauben massive Probleme verursachen können. Ein fränkisches Unternehmen hat daher eine Aluminiumschraube entwickelt, welche die Nachteile vermeidet und weitere Vorteile bietet.
Die Autoren: Dr. Christoph Friedrich ist Entwicklungsleiter der Aluform-Schrauben der Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co. KG (Ribe), Schwabach. Dipl.-Ing. Robert Ruthenberg ist PR-Referent von Ribe mit eigenem PR-Büro in Nürnberg
Obwohl konventionelles Verschrauben von Leichtbauwerkstoffen oft Probleme schafft, werden nach wie vor viele Baugruppen aus Aluminium (Al), Magne-sium (Mg) und Kunststoff mit Stahlschrauben versehen. „Vorspannkraftverlust durch unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten von Stahl und Leichtmetall sowie durch massive Relaxation tragen zum frühen Lockern der Verbindung bei. Hinzu kommt oft eine falsch ausgelegte Einschraubtiefe sowie Kontaktkorrosion, so dass Stahlschrauben in Alu- und Magne-siumbauteilen versagen“, erklärt Frank A. Bergner, Geschäftsführender Gesellschafter von Ribe. Relaxation ist der Vorspannkraftverlust durch Plastifizierung der Werkstoffe. Sie wird oft erst durch Klappern, Undichtigkeit oder Versagen einer Verbindung erkannt.
Alu schlägt Stahl
Deshalb entwickelten die fränkischen Ingenieure die Aluform-Schrauben. Versuche von Dr. Christoph Friedrich, zuständig für deren Entwicklung, und seinem Team ergaben, dass diese besonders beim Verbinden von Mg-Komponenten gegenüber der Stahlschraube schon nach kurzer Zeit mit einer größeren Rest-Vorspannkraft deutlich überlegen ist – trotz anfänglich niedrigerer Montagevorspannkraft. Alu-Schrauben dehnen sich durch ihren niedrigen E-Modul und ihren höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten mit, so dass weniger plastische Verformungen im System entstehen. Damit mindern sie die Relaxation insbesondere bei Mg-Bauteilen und Produkten, die bei 120 °C oder mehr betrieben werden. Problematisch bei Stahlschrauben in Leichtmetallen ist auch Kontaktkorrosion. „Vor allem bei der Verbindung von Schrauben aus Vergütungsstählen und den Leichtbauwerkstoffen kommt es leicht zu dieser Erscheinung“, meint Dr. Friedrich. „Neben starker Eigenkorrosion reagieren vor allem Mg-Legierungen sehr empfindlich auf den Kontakt mit anderen Metallen.“ Der Einsatz von Alu-Schrauben vermeidet die funktionsgefährdende Kontaktkorrosion vollständig. Selbst blanke Produkte sind auch besonders geschützten Stahlausführungen weit überlegen. In der Regel benötigen sie keine Beschichtung, was für die Kostenbilanz positiv ist. Zudem lässt sich mit Aluform-Schrauben die Mindesteinschraubtiefe teilweise um bis zu 50 % reduzieren. Bei niedrigfesten Mg-Bauteilen beispielsweise beträgt die Mindesteinschraubtiefe einer Stahlschraube mit der Festigkeitsklasse 8.8 mindestens 3 x Schraubendurchmesser. Eine Aluform-Schraube mit einer Festigkeit von 400 MPa benötigt dagegen nur 1,5 x Schraubendurchmesser. Extreme Materialanhäufungen im Bereich der Schraubverbindung sind also nicht erforderlich – Gewicht und Kosten lassen sich weiter reduzieren. Die Anwendungen dieses Maschinenelements reichen von der Automobil- über die Elektrik- und Elektronikindustrie bis hin zum Rohr- und Leitungsbau. Interessant ist auch die Gewichtsein-sparung bei bewegten Teilen von Robotern oder Handhabungssys-temen.
Ausführliche Informationen
Aluform-Schrauben
Anwendung bei ZF
Dem Getriebehersteller ZF Friedrichshafen waren die teils mangelhaften Verbindungen der Stahlschrauben in den Leichmetallgetrieben lange ein Dorn im Auge. Man stellte fest, dass Al-Schrauben in Verbindung mit Al-Bauteilen noch eine Restvorspannkraft von 85 % bzw. 70 % bei Mg-Bauteilen aufweisen. Im Vergleich dazu lagen diese bei Stahlschrauben mit Alu bei nur 50 % und bei Mg-Bauteilen sogar bei nur 10 %. Obwohl die Al-Schrauben schon von Haus aus Korrosionsvorteile bieten, legte sich ZF auf die ganz sichere Seite: „Wir haben eine Kopfkapselung entwickelt, die das Restrisiko von Kontaktkorrosion fast völlig ausschließt,“ erklärt Hubert Friedrich, verantwortlicher Ingenieur in der Zentralen Forschung und Entwicklung. Friedrichs Fazit: „Rund 40 Tonnen Stahl spart ein Autohersteller, wenn er unser neues CVT-Automatikgetriebe 100 000mal pro Jahr einsetzt. Pro Getriebe spart er 400 Gramm allein durch Alu-Schrauben.“
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