DE102014220337A1

DE102014220337A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements sowie Verbindungselement und CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement

Info

Publication number: DE102014220337A1
Application number: DE102014220337.6A
Authority: DE
Inventors: Helene Pramschüfer
Original assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH
Current assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, ein Niet oder auch eine technische Befestigungsfeder, wird ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt, der einen Kern (3) aus einem metallischen Kernwerkstoff aufweist, auf den ein Mantel (4) aus einem metallischen Mantelwerkstoff aufgebracht ist. Der ummantelte Rohling (8) wird zur Ausbildung des Verbindungselements (16) durch zumindest einen Umformvorgang in eine gewünschte Endgeometrie mit in Längsrichtung variierender Querschnittsgeometrie gebracht, wobei der Kern (3) mit dem Mantel (4) infolge des zumindest einen Umformvorgangs miteinander verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements sowie ein Verbindungselement und ein CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um ein Verbindungselement zur Verbindung von zwei Bauteilen miteinander. Insbesondere handelt es sich um eine Schraube.
In Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzgebietes werden an Verbindungselemente unterschiedlichste Anforderungen gestellt, die zum Teil werkstofftechnisch widersprüchliche Eigenschaften der Verbindungselemente erfordern. So ist häufig eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausreichender Dehnung und hoher Korrosionsbeständigkeit gefordert. Im Kraftfahrzeugbau werden häufig Verbindungselemente aus Stahl oder Aluminium für den Leichtbau eingesetzt.
Im Bereich der Verbindung von Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) können diese üblichen Verbindungselemente nicht eingesetzt werden. Grund hierfür sind die hohen elektrochemischen Potentialdifferenzen zwischen den Verschraubungspartnern. Beim Einsatz von Befestigungs- oder Verbindungselementen wie Schrauben und Nieten aus einem metallischen Werkstoff kann es bei Kontakt des Verbindungselements zu den elektrisch leitenden Kohlenstofffasern zu einer Kontaktkorrosion kommen. Besser geeignet sind Legierungen aus Titan oder Nickel, die jedoch sehr aufwändig zu verarbeiten sind und daher zu hohen Produktionskosten führen. Auch decken diese Materialien das geforderte Eigenschaftsprofil häufig nicht ab und sind zudem auch teurer als beispielsweise Aluminium oder Stahl.
Die DE 10 2007 003 276 B4 befasst sich mit einem solchen Problem der Verbindung eines CFK-Bauteils mit einem Metallbauteil mit Hilfe eines Verbindungselementes. Um eine Kontaktkorrosion des Verbindungselementes zu verhindern, sind diese aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Daneben bestehen sie auch aus Titan oder einer Titanlegierung oder anderen Werkstoffen, die in der galvanischen Spannungsreihe neutral gegenüber Metall und CFK-Werkstoffen sind. Bei den Verbindungselementen handelt es sich dabei um Nieten, Bolzen, Stifte oder auch Schrauben.
Die Verwendung von Vollmetall-Verbindungselementen aus Titan ist vergleichsweise teuer. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, mit Titan beschichtete Verbindungselemente vorzusehen. So ist beispielsweise aus der JP 03261405 A ein Band zu entnehmen, auf dem beispielsweise eine Titanbeschichtung als Korrosion- und Verschleißschutz angebracht ist.
Aus der JP 2001214915 A ist weiterhin eine selbstfurchende Schraube zu entnehmen, die aus Aluminium besteht, auf der eine nickelhaltige Hartbeschichtung aufgebracht ist. In ähnlicher Weise ist auch aus der JP 11210728 A eine Aluminiumschraube mit einer aufgebrachten Nickel-Beschichtung zu entnehmen.
Um die unterschiedlichen z.T. werkstofftechnisch gegenläufigen Anforderungen zu erfüllen, werden zudem teilweise in den Werkstoff verstärkende Strukturen eingebracht oder die Verbindungselemente werden mit einer Beschichtung versehen. Dies ist jedoch häufig ebenfalls mit Nachteilen verbunden, beispielsweise ist eine Verarbeitung nur sehr beschränkt und aufwendig möglich.
Aus der DE 10 2009 032 990 A1 ist beispielsweise eine Schraube zu entnehmen, welche ein hohles mit einem Außengewinde versehenes Mantelelement aus Metall und ein darin eingebrachtes Kernelement aus einem Kunststoff enthaltenden Verbundwerkstoff umfasst.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Befestigungs- oder Verbindungselement insbesondere für CFK-Bauteile anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement gemäß Anspruch 15.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um Nieten oder auch um sogenannte technische Federn, mit deren Hilfe zumindest mittelbar Bauteile miteinander verbunden werden. Insbesondere im Falle von Schrauben und Nieten handelt es sich grundsätzlich um bolzenförmige Verbindungselemente. Das Verbindungselement weist also allgemein eine in Längsrichtung variierende Querschnittsgeometrie, insbesondere einen variierenden Durchmesser auf.
Die erfindungsgemäßen Verbindungselemente werden vorzugsweise zur Verbindung von CFK-Bauteilen untereinander oder an Bauteilen aus anderen Werkstoffen eingesetzt, vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich.
Zum Herstellen des Verbindungselementes wird zunächst ein ummantelter Rohling bereitgestellt, welcher einen Kern aus einem Kernwerkstoff aufweist, auf den ein Mantel aus einem metallischen zum Kernwerkstoff verschiedenen Mantelwerkstoff aufgebracht ist. Der ummantelte Rohling wird schließlich zur Ausbildung des Verbindungselements in eine gewünschte Endgeometrie gebracht. Dies erfolgt durch zumindest einen Umformvorgang des ummantelten Rohlings. Vorzugsweise erfolgen mehrere aufeinanderfolgende Umformvorgänge. Von besonderer Bedeutung ist nunmehr, dass der Mantelwerkstoff nicht als Beschichtung, also nicht mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens auf den Kernwerkstoff aufgebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Mantelwerkstoff und dem Kernwerkstoff erfolgt vielmehr durch den zumindest einen Umformvorgang. Vor der Umformung liegt der Mantel daher vorzugsweise lediglich am Kern an, ohne dass eine stoffschlüssige Verbindung infolge eines Beschichtungs- oder Auftragsverfahrens ausgebildet ist.
Der Mantel wird allein durch mechanische Prozesse und Umformvorgänge auf den Kern aufgebracht. Hierzu wird beispielsweise ein Verbund aus Rohdraht mit darauf angebrachtem Mantel durch einen Ziehprozess auf ein gewünschtes Endmaß gezogen, wobei hierbei der gewünschte ummantelte Rohling ausgebildet wird. Auch durch die im Laufe des Herstellungsprozesses erfolgenden weiteren Umformvorgänge erfolgt eine feste unlösbare Verbindung. Zur Herstellung des Verbunds wird beispielsweise der Rohdraht aus Aluminium in ein Mantelrohr eingeführt oder der Rohdraht wird mit dem Mantelmaterial umwickelt etc.. Es erfolgt kein aktives stoffschlüssiges Verbinden beispielsweise durch ein bewusstes Verschweißen. Auch erfolgt kein Beschichten mit einem Beschichtungsverfahren, bei dem Mantelmaterial durch ein Sprüh-Streich- oder (galvanisches) Überzugsverfahren aufgebracht wird. Je nach gewähltem mechanischem Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei einem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen.
Durch diese Maßnahme lassen sich prozesstechnisch in einfacher Weise dicke Wandstärken des Mantels vor dem Umformen ausbilden, die ausreichend sind, um auch hohe Umformgrade auszuführen und gleichzeitig einen homogenen durchgehenden Mantel beim endgefertigten Verbindungselement zu gewährleisten.
Die Verbindung zwischen dem Kern und dem Mantel wird letztendlich vorzugsweise ausschließlich durch den zumindest einen Umformvorgang ausgebildet. Hierbei werden auf den ummantelten Rohling Kräfte ausgeübt, die auch in radialer Richtung wirken, so dass der Mantel fest gegen den Kern gepresst wird und eine innige Verbindung ausgebildet wird.
Bei dem Kernwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um einen aushärtbaren Werkstoff, insbesondere ein Leichtmetall. Als Kernwerkstoff wird dabei vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gemäß DIN EN ISO 573 verwendet. Bevorzugt wird eine besonders hochfeste Aluminiumlegierung verwendet. Alternativ auch Magnesium oder eine Magnesiumlegierung. Grundsätzlich können auch andere Materialien, insbesondere beispielsweise Stahl oder sonstige Eisenlegierungen verwendet werden.
Bei dem Mantelwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um ein im Vergleich zum Kernwerkstoff edleres Metall, insbesondere Titan, eine Titanlegierung oder auch Nickel oder eine Nickellegierung oder auch ein Chrom-Nickel-Stahl. Der Begriff „edel“ bezieht sich hierbei auf die elektrochemische Spannungsreihe. Insgesamt wird daher ein Hybridbauteil geschaffen, welches insbesondere einen Aluminiumkern und einen edleren Metallmantel aufweist bzw. durch den Aluminiumkern und den Metallmantel gebildet ist. Aufgrund des Mantels wird dabei nur ein geringer Anteil des edleren Metalls benötigt, sodass insgesamt das Verbindungselement kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere die Kombination des für den Leichtbau vorgesehenen Aluminiums mit einem Titan-Mantel eignet sich besonders für die Verwendung in CFK-Bauteilen zur Vermeidung von Kontaktkorrosion. Bei dem Mantelmaterial handelt es sich dabei vorzugsweise um ein selbstpassivierendes Material, welches also eine Schutzschicht ausbildet.
Durch diese Maßnahme der Ummantelung des (Aluminium-)Rohlings mit einem edleren Metallmantel wird zum Einen der besondere Vorteil der Vermeidung einer Kontaktkorrosion erzielt.
Gleichzeitig wird durch die Hybridausgestaltung mit dem Aluminiumkern und dem edleren Metallmantel nur ein geringer Anteil des teureren Metalls benötigt, so dass das Verbindungselement insgesamt kostengünstig hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist weiterhin darin zu sehen, dass durch das Aluminium als Kernwerkstoff eine vergleichsweise geringe Dichte für den angestrebten Leichtbau verwirklicht ist.
Durch eine ausreichend große Wandstärke des Mantels ist ein zuverlässiger Schutz des Kerns gewährleistet. Auch lässt sich durch die Kombination dieses dicken Mantels mit dem Kern in geeigneter Weise auch das mechanische Anforderungsprofil zielgerichtet einstellen, wie beispielsweise eine angestrebte niedrige Dichte, eine hohe Festigkeit, eine ausreichende Dehnung etc. Durch den Umformvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie wird ergänzend der Vorteil erzielt, dass durch den dabei ausgeübten Druck die Mantelschicht ergänzend verfestigt wird und insbesondere auch eine Kaltverfestigung auftritt, so dass insgesamt die Festigkeit verbessert wird.
Je nach Anwendungsfall werden auch andere Werkstoffe für den Mantel verwendet. Beispielsweise wird ein Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet. Das hier beschriebene Verfahren wird daher beispielsweise auch zur Ausbildung von Kontakt-Verbindungselementen, wie beispielsweise eine Kontaktschraube herangezogen.
Bei dem ummantelten Rohling handelt es sich um einen strangförmigen Körper, insbesondere nach Art eines Rohdrahtes. Der Mantel ist daher nach Art eines Claddings auf einen Aluminium-Rohdraht aufgebracht. Zur Herstellung eines derartigen ummantelten Kerndrahtes wird auf bekannte Herstelltechnologien zurückgegriffen, wie sie beispielsweise zur Herstellung von elektrischen Leiterdrähten, beispielsweise sogenannte kupferplattierte Leiterdrähte herangezogen werden.
In Abhängigkeit der gewählten Materialien und / oder des Anforderungsprofils wird zur Erzielung von hohen Festigkeiten zweckdienlicherweise eine Wärmebehandlung durchgeführt. Insbesondere wird beispielsweise der Aluminium-Kern insbesondere vor dem Umformprozess einer Wärmebehandlung unterzogen, bevor anschließend der Mantelwerkstoff aufgebracht wird.
Der ummantelte Rohling wird üblicherweise als Meterware nach Art eines Rohdrahts bereitgestellt. Aus diesem wird durch Ablängen und Umformen das Verbindungselement hergestellt. Zur Ausbildung dieses ummantelten Rohdrahts wird auf ein herkömmliches, bekanntes Herstellverfahren zurückgegriffen, wie es beispielsweise bei Kupferplattierten elektrischen Leiterdrähten bekannt ist, beispielsweise so genannte „Copper Clad Aluminium-Drähte“. Hierbei wird beispielsweise ein Aluminium-Ausgangsrohdraht mit einem Mantel versehen, und der so gebildete Verbund wird anschließend durch beispielsweise einen Ziehprozess auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen, welcher dann für den Rohling weiterverarbeitet wird, indem dieser zunächst abgelängt und später dann auch mehrfach umgeformt wird.
Alternativ hierzu ist der Kern als ein Einlegeteil ausgebildet, welches in ein beispielsweise vorgeformtes Hülsenelement aus dem Mantelwerkstoff eingelegt, insbesondere eingepresst wird. Das Einlegeteil sowie das Hülsenelement sind dabei vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Das Hülsenelement ist dabei vorzugsweise wahlweise rohrförmig oder auch topf- oder napfförmig ausgebildet, weist also an einer Seite eine geschlossene Stirnseite auf.
Alternativ können das Einlegeteil und das Hülsenelement bereits auch eine Vorform aufweisen, und sind beispielsweise im Falle einer Schraube mit einem Kopf und Schaftteil versehen. Das Hülsenelement ist entsprechend komplementär vorgeformt, so dass das Einlegeteil im Hülsenelement passgenau einliegt.
Zweckdienlicherweise wird bei dem Umformvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie in den ummantelten Rohling ein Gewinde eingeformt. Dabei wird zweckdienlicherweise sowohl der Kern als auch der Mantel verformt.
Der Mantel weist beim ummantelten Rohling zweckdienlicherweise eine Wandstärke im Bereich von 1 bis 5 mm auf. Im endgefertigten Zustand weist der Mantel beim Verbindungselement zweckdienlicherweise noch eine Wandstärke im Bereich von 0,1 bis 3 mm auf. Insbesondere lässt sich durch das hier beschriebene Verfahren eine hohe Wandstärke einstellen, die beispielsweise bis zu 25% des Durchmessers eines Schaftbereichs im endgefertigten Zustand beträgt. Die Wandstärke liegt dabei beispielsweise bei mindestens 10% des Durchmessers des Schaftbereiches im endgefertigten Zustand.
Bei der Umformung zur Endgeometrie werden üblicherweise mehrere Umformvorgänge durchgeführt. Im Falle einer Schraube wird zum Beispiel zunächst ein Kopfbereich mit daran anschließendem Schaftbereich ausgebildet. Gleiches gilt üblicherweise beispielsweise auch bei einem Niet. Bei der Ausformung eines Kopfbereichs mit daran anschließendem Schaftbereich ist üblicherweise ein sehr großer Umformgrad erforderlich. Durch die Bereitstellung eines ummantelten Kerndrahtes mit einer hohen Mantelwandstärke ist zuverlässig sichergestellt, dass trotz dieses hohen Umformgrades der Mantel nicht reißt.
Aufgrund der Umformung des Rohlings mit dem Mantelwerkstoff weist in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement im endgefertigten Zustand eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke des Mantelwerkstoffes über die Länge des Verbindungselements auf. Allgemein wird mit dem Umformgrad der Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsgeometrie (Länge, Dicke) zur umgeformten Endgeometrie verstanden. Insbesondere beispielsweise der Logarithmus des Anfangsdurchmessers zum umgeformten Enddurchmesser. Grundsätzlich weisen Verbindungselemente Bereiche mit unterschiedlichen Umformgraden auf. So weist allgemein der Kopfbereich, insbesondere im Übergang zu einem Schaftbereich einen sehr hohen Umformgrad auf. In einem Gewindebereich einer Schraube, also in Folge des Einbringens des Gewindes, weist das Verbindungselement demgegenüber einen geringeren Umformgrad und damit auch eine andere Wandstärke des Mantelwerkstoffs auf.
Dabei ist insgesamt bevorzugt eine starke Umformung vorgesehen, bei der der Querschnitt des ummantelten Rohlings um 25% bis 75%, insbesondere um zumindest 50% verändert wird.
Das insbesondere nach diesem Verfahren hergestellte Verbindungselement weist daher einen Kern aus einem Kernwerkstoff, insbesondere Aluminium auf, mit einem darauf angebrachten, vergleichsweise dickwandigen Mantel aus einem Mantelwerkstoff, insbesondere Titan oder einer Titanlegierung. Ein kennzeichnendes Merkmal für dieses Herstellungsverfahren ist dabei darin zu sehen, dass der Mantel nicht als Beschichtung aufgebracht ist sondern durch den zumindest einen Umformvorgang, also allein durch einen mechanischen Herstellschritt, mit dem Kern verbunden ist. Hierzu wird insbesondere auf einen vorgefertigten ummantelten Rohdraht zurückgegriffen. Im endgefertigten Zustand ist daher der Kern zumindest zu einer Stirnseite und vorzugsweise zu beiden Stirnseiten hin offen. Im Kopf- und/oder im Fußbereich weist der Kern eine offene, von außen zugängliche Stirnseite ohne eine Bedeckung mit dem Mantelwerkstoff auf. Dies ist jedoch im Hinblick auf die Eingangs angesprochene Korrosionsbeständigkeit unkritisch, da in diesen Bereichen kein Kontakt mit dem CFK-Werkstück auftritt. Zudem ist durch den vergleichsweise dicken Mantelwerkstoff auch ein ausreichender Abstand eingestellt.
Ein derartiges Verbindungselement wird vorzugsweise an einem CFK-Bauteil angebracht, um beispielsweise zwei Bauteile miteinander zu verbinden, wobei zumindest eines hiervon ein CFK-Bauteil ist. Dieses CFK-Bauteil wird dabei insbesondere in ein Kraftfahrzeug eingesetzt.
Zusammenfassend wird durch das spezielle Herstellungsverfahren ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube bereitgestellt, aus der Kombination zweier Metalle aus verschiedenen Legierungssystemen. Der Mantelwerkstoff umschließt dabei nahezu vollständig den Kernwerkstoff (bis auf die Stirnseiten). Die Verbindung der beiden Materialien wird dabei vorzugsweise ausschließlich umformtechnisch hergestellt. Als Kernwerkstoff wird das vergleichsweise günstige, leichte Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt und als Mantelwerkstoff das korrosionsbeständige Titan oder eine Titanlegierung. Insgesamt ist dadurch das Verbindungselement gegenüber einer Schraube beispielsweise aus einer Titanlegierung leichter, kostengünstiger und gleichzeitig auch belastbarer im Vergleich zu einer reinen Aluminiumschraube und im Vergleich zu Aluminiumschraube auch beständig gegen eine Korrosion in CFK-Bauteilen. Durch den Mantelwerkstoff werden auch Beschädigungen an der Oberfläche durch die hohe Schichtdicke des Mantelwerkstoffes toleriert, im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungen, die üblicherweise lediglich im Mikrometerbereich aufgebracht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
1 illustriert ein Herstellverfahren zur Herstellung des Verbindungselements ausgehend von einem ummantelten Rohdraht und
2 zeigt eine alternative Herstellungsmethode mit der Verwendung eines Einlegeteils.
Bei einer ersten in 1 dargestellten Ausführungsvariante wird zunächst ein Rohdraht 2 aus einem Kernwerkstoff, insbesondere Aluminium oder einer hochfesten Aluminiumlegierung bereitgestellt. Bei dem Rohdraht 2 handelt es sich insbesondere um einen massiven Rohdraht 2, wie aus der auf der rechten Seite dargestellten Querschnittsansicht zu entnehmen ist. Anschließend wird dieser Aluminium-Rohdraht 2 von einem Mantel 4 aus einem Mantelwerkstoff ummantelt, so dass ein ummantelter Rohling 6 ausgebildet ist. Dadurch wird ein ummantelter Rohdraht 6 erhalten mit einem durch den Rohdraht 2 gebildeten Kern 3 und dem Mantel 4. Dieser wird bevorzugt noch auf einen gewünschten Durchmesser gezogen werden. Der Kern 3 ist allgemein als massiver Kern 3 ausgebildet.
Bevorzugt erfolgt eine Temperaturbehandlung zur Härtung allenfalls an einem Zwischenprodukt, beispielsweise nur an dem Rohdraht 2 aus dem Kernwerkstoff oder auch an dem ummantelten Rohdraht 6, vorzugsweise nachdem dieser auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen ist. Eine Verfestigung des Mantelwerkstoffes erfolgt durch den nachfolgenden Umformvorgang, also durch eine Kaltverfestigung. Eine Temperaturbehandlung zur Härtung erfolgt daher vorzugsweise nicht am endgefertigten Verbindungselement.
Aus diesem ummantelten Rohdraht 6 wird dann durch Ablängen zunächst ein ummantelter Rohling 8 hergestellt, welcher durch einen ersten Grob-Umformprozess zu einem ummantelten Vorformling 10 ausgebildet wird. Im Ausführungsbeispiel einer Schraube wird hierbei ein Kopfbereich 12 sowie ein Schaftbereich 14 ausgebildet.
Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Kernwerkstoff und / oder als Mantelwerkstoff erfolgt die Grobumformung durch ein Fließpressen und/ oder Stauchen, um die gewünschten hohen Umformgrade erreichen zu können.
In einem anschließenden Umformprozess wird dann – im Falle einer Schraube – ein Gewinde 18 in den Schaftbereich 14 zur Ausbildung des endgefertigten Verbindungselements 16 eingebracht. Dies erfolgt üblicherweise durch einen Walzprozess. Bei dieser Herstellungsvariante zeigen die gegenüberliegenden Stirnseiten des Verbindungselements 16 jeweils den Kern 3 mit einer freien Stirnseite, welcher konzentrisch von dem Mantel 4 umgeben ist. Dieser nachfolgende Umformprozess weist dabei üblicherweise geringere Umformgrade als die Grobumformung auf.
Bei der in 2 dargestellten alternativen Variante (rechte Bildhälfte) wird zunächst ein Hülsenelement 20 aus dem Mantelwerkstoff bereitgestellt, welches insgesamt vorzugsweise in etwa topfförmig ausgebildet ist, also vorzugsweise einen Boden aufweist. Diese ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ ist es auch rohrförmig ausgebildet, wie auf der linken Bildhälfte dargestellt ist, weist also an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten keinen Mantelwerkstoff auf. Gemäß der in der Figur dargestellten Variante ist das Hülsenelement 20 insgesamt zylindrisch ausgebildet. Alternativ hierzu kann es auch bereits vorgeformt sein mit einem Kopfbereich und einem Schaftbereich.
Alternativ zu der Anordnung des Bodens am stirnseitigen Ende des Schaftes ist der Boden am gegenüberliegenden Ende ausgebildet, so dass also der Kopfbereich 12 von dem Mantel 4 überdeckt ist.
In den freien Innenraum dieses Hülsenelements 20 wird ein Einlegeteil 22 eingesetzt, insbesondere eingepresst. Je nach gewähltem mechanischen Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei dem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen.
Das Einlegeteil 22 bildet den späteren Kern 3 aus dem Kernwerkstoff aus. Dieses kombinierte Bauteil aus etwa zylindrischen Hülsenelement 20 und darin eingesetztem Einlegeteil 22 wird anschließend einem ersten Umformungsprozess zur Ausbildung des Kopfbereichs 12 und des Schaftbereichs 14 unterzogen. Anschließend wird dann noch – in 2 nicht näher dargestellt – auf den Schaftbereich 14 das Gewinde 18 aufgebracht. Durch das Bodenteil des Hülsenelements 20 tritt im Unterschied zu der vorher beschriebenen Herstellungsvariante das Kernmaterial an der bodenseitigen Stirnfläche nicht an der Oberfläche heraus.
In den Querschnittsdarstellungen der 2 ist jeweils noch im Kopfbereich 12 eine fakultative Werkzeugaufnahme 24 dargestellt, beispielsweise eine Innen-Mehrkantaufnahme. Alternativ ist diese auch als Außenmehrkant ausgebildet. Die Ausgestaltung des Werkzeugangriffes erfolgt in einer Variante durch einen Umformprozess nachfolgend zum Einpressen des Einlegeteils 22 in das Hülsenelement 20. Ist der Kopfbereich 12 mit einem Boden aus dem Mantelwerkstoff verschlossen, so ist in dieser bevorzugten Ausführungsvariante der Werkzeugangriff mit einer Schicht aus dem Mantelwerkstoff versehen.
Allgemein ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass sowohl der Kernwerkstoff als auch der Mantelwerkstoff vor dem Zusammenbringen zu einem Verbundelement zunächst homogenisiert wird, um eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente, welche für eine Mischkristallbildung und Ausscheidungsphasen für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, zu erreichen. Wie bereits erwähnt, wird nach dem Zusammenfügen der Verbund gemeinsam verformt, insbesondere auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen. Durch die Umformung wird allgemein eine enge Verbindung zwischen Kern- und Mantelwerkstoff ausgebildet, sodass diese vorzugsweise allein durch die Umformung unmittelbar miteinander verbunden sind. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung zum Zweck des Aushärtens nach Ausbildung des Verbunds, insbesondere nach dem Ziehprozess, ist darüber hinaus eine chemische Anbindung, beispielsweise ein gezieltes Legieren durch Diffusion der Legierungsbestandteile des Mantels auf dem Kern und umgekehrt möglich. Bei diesem Aushärten wird ein vorgegebenes Temperaturprofil bei der Wärmebehandlung durchlaufen, um eine gewünschte Festigkeit einzustellen. Eine Härtung durch thermische Behandlung des gesamten endgefertigten Verbindungselements 16, also nach der Umformung erfolgt vorzugsweise nicht.
Bei nicht gleichartigen Werkstoffen für den Mantel 4 und dem Kern 3, ist bei der Wärmebehandlung ein Eindiffundieren des Mantelwerkstoffs in den Kernwerkstoff gezielt ermöglicht, sodass dieser auflegiert wird. Dadurch wird bevorzugt ein Härtegradient in radialer Richtung durch ein gezieltes Auflegieren erreicht.
Ergänzend ist allgemein in bevorzugter Ausgestaltung zwischen dem Mantel 4 und dem Kern bei Bedarf noch eine Sperrschicht angeordnet. Diese besteht bevorzugt aus einem Metall, welches nicht mit den Werkstoffen des Kerns bzw. des Mantels reagiert. Bei einem Al-Kern und einem Titanmantel wird beispielsweise eine Reaktion von Titan mit Aluminium und damit die Ausbildung einer Titanaluminid-Zwischenschicht verhindert. Eine solche kann bei einer lokalen Überspannung Risskeime ausbilden. Die Sperrschicht verhindert also beispielsweise, dass Risse im innenliegenden Kern quasi als Risskeime sich in den Mantel fortsetzen.
Wie sich aus der vorgehenden Beschreibung ergibt, ist die Mantelschicht bereits vor der Umformung, insbesondere der Ausbildung des Kopfbereichs 12, aufgebracht. Die Ausbildung des Kopfbereichs erfolgt durch eine Kaltumformung und wird aufgrund des hohen Umformgrads auch als Kaltmassivumformung bezeichnet. Bei der Umformung erfolgt eine Querschnittsreduzierung vorzugsweise im Bereich von 25% bis 75%, insbesondere von zumindest 50%. Der Mantel 4 weist hierfür eine ausreichend dicke Wandstärke d auf. Zudem weist der Mantelwerkstoff auch eine ausreichende Duktilität auf, um ein Reißen des Mantelwerkstoffs zu vermeiden. Die minimale Wandstärke d liegt hier bei einigen 100 µm.
Die Wandstärke d variiert dabei über die Ausdehnung des Verbindungselements 16 in Abhängigkeit des Umformgrades, welcher positionsabhängig ist. So zeigt der Mantel 4 allgemein in Bereichen hoher Umformgrade eine geringere Wandstärke d als in Bereichen geringer Umformgrade.
Das Verbindungselement 16 wird insbesondere zur Verbindung von CFK-Bauteilen mit weiteren CFK-Bauteilen oder auch mit metallischen oder sonstigen Bauteilen verwendet, und zwar insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Im montierten Zustand sind daher CFK-Bauteile eines Kraftfahrzeuges mit Hilfe der Verbindungselemente 16 befestigt.
Bezugszeichenliste

2: Rohdraht
3: Kern
4: Mantel
6: ummantelter Rohdraht
8: ummantelter Rohling
10: ummantelter Vorformling
12: Kopfbereich
14: Schaftbereich
16: Verbindungselement
18: Gewinde
20: Hülsenelement
22: Einlegeteil
24: Werkzeugaufnahme
d: Wandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007003276 B4 [0005]
JP 03261405 A [0006]
JP 2001214915 A [0007]
JP 11210728 A [0007]
DE 102009032990 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 573 [0018]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, ein Niet oder auch eine technische Befestigungsfeder, bei dem ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt wird, der einen Kern (3) aus einem metallischen Kernwerkstoff aufweist, auf den ein Mantel (4) aus einem metallischen Mantelwerkstoff aufgebracht ist und der ummantelte Rohling (8) zur Ausbildung des Verbindungselements (16) durch zumindest einen Umformvorgang in eine gewünschte Endgeometrie mit in Längsrichtung variierender Querschnittsgeometrie gebracht wird, wobei der Kern (3) mit dem Mantel (4) infolge des zumindest einen Umformvorgangs miteinander verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Kernwerkstoff ein aushärtbarer Werkstoff, insbesondere ein Leichtmetall verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Kernwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Mantelwerkstoff ein im Verglich zum Kernwerkstoff edleres Metall, insbesondere Titan, eine Titanlegierung, Nickel oder eine Nickellegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der ummantelte Rohling (8) als eine Meterware bereitgestellt wird, aus dem durch Ablängen und Umformen das Verbindungselement (16) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kern (3) als ein Einlegeteil (22) ausgebildet ist und der Mantelwerkstoff durch ein Hülsenelement (20) gebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Vorformling mit dem Einlegeteil (22) bereitgestellt wird, aus dem durch den Umformvorgang eine gewünschte Endgeometrie des Verbindungselements (16) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den ummantelten Rohling (8) ein Gewinde (18) eingeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel (4) beim Rohling (8) eine Wandstärke (d) im Bereich von 1 bis 5 mm und weiterhin vorzugsweise im endgefertigten Zustand in der Endgeometrie eine Wandstärke (d) im Bereich von 0,1 bis 3 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel (4) beim angefertigten Verbindungselement (16) eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke (d) aufweist.
Verbindungselement, insbesondere hergestellt nach einem der vorhergehenden Verfahren umfassend einen Kern (3) aus einem Kernwerkstoff mit einem darauf mit Hilfe eines Umformvorgangs aufgebrachten Mantel (4).
Verbindungselement nach Anspruch 10, bei dem der Mantel (4) aus einem edleren Werkstoff besteht als der Kern (3).
Verbindungselement (16) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Kern (3) aus Aluminium, Magnesium, aus einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung besteht und der Mantel (4) aus Titan, einer Titanlegierung, Nickel oder einer Nickellegierung besteht.
Verbindungselement (16) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, das ein stirnseitiges Ende aufweist mit einer offenen Stirnfläche des Kerns (4).
CFK-Bauteil, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbindungselement (16) nach einem der Ansprüche 11 bis 14.