DE102009014175A1

DE102009014175A1 - Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung

Info

Publication number: DE102009014175A1
Application number: DE200910014175
Authority: DE
Inventors: Dirk Horstkott
Original assignee: Gebr Titgemeyer & Co KG GmbH; Titgemeyer Geb & Co KG GmbH
Current assignee: Gebr Titgemeyer & Co KG GmbH; Titgemeyer Geb & Co KG GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-21
Also published as: DE102009014175B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung zwischen hochfesten und ultrahochfesten Stahlbauteilen 1, 2, mittels einer Schließringbolzenverbindung, wobei ein Schließringbolzen 3 in die Fügeverbindungsöffnungen 7.1, 7.2 der zu verbindenden Stahlbauteile 1, 2 eingesetzt und anschließend im Rahmen eines Setzvorganges an Schließringe 4 in Schließrillen 3.2 des Schließringbolzens eingeformt wird. Um eine hochfeste Fügeverbindung darstellen zu können, ist nach einer ersten Lösung der Schließringbolzen 3 nach Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen 7.1, 7.2 und der Schließring 4 nach dem Setzen auf den Schließringbolzen 3 auf eine Temperatur oberhalb der AC-Linie im Kohlenstoffdiagramm 800°C bis 900°C zu erwärmen, wonach der Schließring 4 plastisch verformt wird und dann der Schließringbolzen und der Schließring auf eine derartige Temperatur abgekühlt werden, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließring 4 und im Schließringbolzen 3 einstellt. Nach einer zweiten Lösung wird der Schließringbolzen 3 vor dem Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen 7.1, 7.2 auf eine Temperatur oberhalb der AC-Linie im Kohlenstoffdiagramm (800°C bis 900°C) erwärmt und nach der Erwärmung so abgeschreckt, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließringbolzen 3 einstellt, wobei danach der Schließringbolzen 3 in die Fügeverbindungsöffnungen 7.1, 7.2 eingesetztzen 3 gesetzt wird, wobei vor der ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung zwischen hochfesten und ultrahochfesten Stahlbauteilen mittels einer Schließringbolzenverbindung, wobei ein Schließringbolzen in die Fügeverbindungsöffnungen der zu verbindenden Stahlbauteile eingesetzt und anschließend im Rahmen eines Setzvorganges ein Schließring in Schließrillen des Schließringbolzens eingeformt wird.
Fügeverbindungen für miteinander zu verbindende Stahlbauteile nutzen herkömmlicherweise Fügeelemente in Gestalt von z. B. Schließringbolzen. Daneben sind auch noch Blindnietmuttern und Blindniete im Einsatz.
Schließringbolzen mit Schließringen sind Verbinder für anspruchsvolle Verbindungen mit hohen Belastungen. Diese bestehen in der Regel aus einem zweiteiligen System, das einen Schließringbolzen und einen Schließring umfasst, der eine hoch feste vibrationsresistente Verbindung mit konstant hoher Spannkraft bei schneller Verarbeitung darbietet.
Die Verarbeitung erfolgt durch Einformung des Schließringes in die Schließrillen des Bolzenschaftes. Solche Fügeverbindungen mit Schließringbolzen finden Einsatz im Nutzkraftfahrzeugbau, bei Automobilen, im Sondermaschinenbau und in anderen Anwendungsfällen. Dabei kommt es in zunehmendem Maße auch darauf an, hochfeste und ultrahochfeste Stahlverbindungen mit solchen Fügeelementen wie Schließringbolzen/Schließringen zu verbinden.
Moderne hoch- und ultrahochfeste Stahlwerkstoffe werden in den meisten Fällen durch ihre Maximalfestigkeit beschrieben, die in einem Zugversuch nach DIN EN ISO 10002 erreicht wird. Bei den hochfesten Stählen handelt es sich um thermomechanisch gesondert behandelte Güten im Dickblechbereich sowie um Dual-, Complex- und Martensitphasenstähle im Dünnblechbereich. Derartige Stähle können als Blech- oder Coilmaterial vorliegen. Als ultrahochfeste Stähle werden solche Stähle bezeichnet, die ihre Endeigenschaften erst nach der Umformung in einem gesonderten Prozess, dem Presshärten, durch die Phasenumwandlung (Austenit/Martensit) erreichen.
Mit solchen hochfesten und ultrahochfesten Stählen sind Zugfestigkeiten von Rm = 1200 MPa (hochfeste Stähle) oder Rm = 1200 MPa bis 1800 MPa (ultrahochfeste Stähle) darzustellen, die es für breite Anwendungsbereiche ermöglichen, die Wand stärken der Stähle zu reduzieren, gleichwohl jedoch erhöhten Anforderungen gerecht zu werden.
Herkömmliche Fügeverbindungen können diesen erhöhten Anforderungen nicht folgen, da z. B. die Spannkraft eines Schließringbolzens von der geringeren Klemmkraft des Schließringes abhängig ist. Dem kann nur dadurch begegnet werden bei herkömmlichen Schließringen/Schließringbolzen, die Abmessungen der Schließringe/Schließringbolzen zu erhöhen, was jedoch zu Lasten des Gewichtes geht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung für hochfeste und ultrahochfeste Stahlverbindungen zu schaffen, die in der Lage ist, die gleichen oder sogar verbesserte Festigkeitseigenschaften gegenüber den zu fügenden Stahlbauteilen bereitzustellen. Dabei soll auch ein Beitrag zur Gewichtsreduzierung geschaffen werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das Verfahren der eingangs genannten Art nach einer ersten Lösung dadurch aus, dass der Schließringbolzen nach Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen und der Schließring nach dem Setzen auf den Schließringbolzen auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (800°C bis 900°C) erwärmt werden, danach der Schließring gesetzt und plastisch verformt wird und dann der Schließringbolzen und der Schließring auf eine derartige Temperatur abgekühlt werden, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließringbolzen und im Schließring einstellt.
Bei diesem Verfahren mit vorzugsweise konduktiver Erwärmung (Widerstandserwärmung) von Schließringbolzen und Schließring werden diese vorzugsweise kalt aus einem ungehärteten Stahl gefertigt und vorzugsweise anschließend mit einer besonderen Verzunderungsschutzschicht beaufschlagt, um Oxidationsvorgängen vorzubeugen. Der Schließringbolzen bzw. die Fügeverbindungsöffnungen werden vor dem Setzen von Schließringbolzen und Schließring bevorzugtermaßen mit einer Isolationshülse aus z. B. einem Keramikmaterial versehen, die eine Isolation zwischen dem Schließringbolzen und den zu verbindenden Stahlbauteilen herstellen soll. Die Erwärmung von Schließringbolzen und Schließring erfolgt nach dem Einführen des Schließringbolzens in die Fügeverbindungsöffnungen und nach dem Setzen des Schließringes, aber vor der plastischen Verformung. Durch die Erwärmung des Schließringbolzens und des Schließringes lassen sich große plastische Verformungen des Schließringes mit deutlich verringertem Kraftbedarf realisieren. Durch die anschließende Abkühlung bzw. den Abschreckvorgang, z. B. durch eine geeignete Prozessgasbeströmung oder mit einem sonstigen Kühlmedium, auf Temperaturen unterhalb der Martensit-Starttemperatur der Werkstoffe sind Festigkeitseigenschaften bzw. ein Härtegefüge zu erzielen über sowohl die Dicke des Schließringbolzens als auch über die Dicke des Schließringes, wobei komplett oder zu großen Teilen ein martensitisches Gefüge entstanden ist. Die Endfestigkeit dieser Teile stellt sich nach dem Abschreck- bzw. Abkühlvorgang ein. Es ist eine relativ hohe Klemmkraft bei hoher Festigkeit der Verbindung ohne eine Entfestigung der zu fügenden Stahlbauteile zu realisieren. Anstelle einer Verzunderungsschutzbeschichtung kann auch eine Anströmung mit nicht aktiven Gasen zur Verdrängung des Sauerstoffes aus der Umgebungsluft erfolgen.
Das Verfahren kann mit manuell betätigten Werkzeugen oder bei Bedarf auch automatisiert eingesetzt werden.
Um den konduktiven Erwärmungsvorgang durchzuführen, wird bevorzugt ein Setzwerkzeug eingesetzt mit einem Innenteil als Pluspol, das den Schließringbolzenkopf gegen eines der zu verbindenden Stahlbauteile zieht und Gleichstrom über den Schließringbolzen und den Schließring über den Kopf durch das andere Stahlbauteil zurück an einen zweiten Teil des Setzwerkzeuges leitet, welches den Minuspol bildet. Nach der Erwärmung erfolgt das Setzen des Schließringes auf den Bolzen durch die plastische Verformung des Schließringes. Dieser Prozess kann über eine spezielle Stromansteuerung geregelt werden.
Durch ein gezieltes Anströmen mit gekühltem Prozessgas erfolgt eine Phasenumwandlung der erwärmten Werkstoffe von der Austenit- in die Martensit-Phase. Durch die Steuerung der Gastemperatur und des Stromes ergeben sich gezielte Regelmöglichkeiten für die Verfahrenskontrolle.
Bei einem alternativen Verfahren kann mit einer induktiven oder konduktiven Erwärmung der Schließringbolzenelemente (Schließringbolzen, Schließring) gearbeitet werden, die wiederum aus ungehärtetem Stahl gefertigt und anschließend z. B. mit einer speziellen Verzunderungsschicht versehen werden. Danach wird der Schließringbolzen vor dem Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (800°C bis 900°C) erwärmt und nach der Erwärmung so abgeschreckt, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließringbolzen einstellt. Danach wird der Schließringbolzen in die Gefügeverbindungsöffnungen gesetzt. Bis dahin ist der Schließring noch nicht gehärtet.
Dann wird der Schließring auf den Schließringbolzen gesetzt, wobei vor der plastischen Verformung des Schließringes auch dieser auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (ca. 800°C und 900°C) erwärmt. Danach erfolgt die plastische Verformung des Schließringes. Der Schließring wird danach auch so abgeschreckt, bis sich im Schließring im wesentlichen ein martensitisches Gefüge einstellt.
Dieses Verfahren arbeitet somit mit einem in zeitlicher Reihenfolge vorher gehärteten Schließringbolzen und einem im Prozess zu härtenden Schließring. Beim Setzvorgang wird nur kurz vor dem plastischen Verformen des Schließringes dieser durch das Erwärmen mittels einer Induktionsspule oder einer Widerstandserwärmung auf die Temperatur von 800° bis 900°C gebracht und verformt. Nach dem Fließvorgang erfolgt die Abschreckung des Bereiches. Anschließend kann der Abriss des Zugteils vom Bolzen erfolgen.
Wesentliche weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 14 angegeben.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:
1 in einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Fügeverbindung mit konduktiver Erwärmung (Schließringbolzen und Schließring);
2 eine Querschnittsdarstellung einer Fügeverbindung mit induktiver Erwärmung des Schließringes ohne Vorschub des Schließringes;
3 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fügeverbindung mit induktiver Erwärmung des Schließringes mit anschließendem Vorschub des Schließringes;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Ringinduktors, angepasst an eine Schließringgeometrie;
5a + b jeweils eine Darstellung eines gesetzten Schließringes an einem Schließringbolzen nach Abriss des Zugteils zur Darstellung des Einformverhaltens des Schließringes bei a) herkömmlicher Kaltumformung und b) bei einer Warmverformung.
In der Zeichnung sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit übereinstimmenden Bezugsziffern beziffert. Allgemein mit 1 und 2 sind die zu verbindenden Stahlbauteile beziffert, die über einen Schließringbolzen 3 mit Schließringbolzenkopf 3.1, einem Schließringbolzenschaft 3.2, einer Sollbruchstelle 3.3 und einem Zugteil 3.4 zu ver binden sind. Die zu fügenden Teile sind über den Schließringbolzen 3 und einen Schließring 4 aneinander festzulegen. Allgemein mit 5 ist ein Setzwerkzeug mit Klemmbacken 5.1 und einer Setzhülse 5.2 dargestellt, die eine Setzkraft in Richtung des Pfeils 6 (Fd) ausüben kann. Am Zugteil 3.4 ist die Richtung der Zugkraft F eingezeichnet.
In die Fügeverbindungsöffnungen 7.1 und 7.2 ist eine Isolationshülse 8 aus z. B. einem keramischen Material eingebracht, um die zu verbindenden Stahlbauteile gegenüber dem Schließringbolzen 3 zu isolieren.
Der Schließringbolzen 3 und der Schließring 4 können vor dem Einfügen mit einer Verzunderungsisolierschicht versehen sein. Zusätzlich sind aber auch, wie durch die Pfeile 9 angedeutet, Schutzgase einzubringen, um den Sauerstoff aus der Umgebungsluft herauszufördern. Die Gase 9 dienen auch zur Kühlung bzw. zum Abschrecken nach der Erwärmung. Der Stromfluss ist durch die Pfeile 10 angedeutet. Dieser erstreckt sich durch den Schließringbolzenkopf 3.1, wobei das Innenteil des Setzwerkzeuges 5 als Pluspol den Schließringbolzenkopf 3.1 gegen das Stahlbauteil 1 zieht. Der Gleichstrom wird über den Schließringbolzen und den Schließring 4 über den Schließringbolzenkopf 3.1, die Stahlbauteile 1 und 2 zurück an einen zweiten, nicht sichtbaren Teil des Setzwerkzeuges 5 leitet, welches den Minuspol darstellt. Dadurch werden der Schließringbolzen 3 und der Schließring 4 auf eine Temperatur von ca. 800° bis 900°C gebracht. Danach wird der Schließring 4 in die Schließrillen 3.2 eingeformt (plastische Verformung), wobei dieser Prozess durch eine spezielle Stromsteuerung geregelt werden kann. Durch ein gezieltes Anströmen mittels der Kühlgase 9 erfolgt eine Phasenumwandlung der erwärmten Werkstoffe von der Austenit- in die Martensit-Phase. Durch die Gastemperatur und den eingestellten Strom ergeben sich gezielte Möglichkeiten für die Temperaturführung und somit für die Prozesskontrolle.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den 2 und 3 erfolgt die Erwärmung des Schließringes während des Setzvorganges mittels einer Induktionsspule 11. Der Schließringbolzen 3 kann vor Einfügen in die Fügeverbindungsöffnungen 7.1 und 7.2 gehärtet worden sein. Durch die Induktionsspule 11 wird der Schließring 4 auf eine Temperatur zwischen 800° und 900°C erwärmt, wonach die plastische Verformung eingeleitet wird. Dieser Vorgang kann wiederum gesteuert erfolgen. Es werden wiederum Kühlgase 9 eingebracht, um die Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur durchzuführen.
In dem Ausführungsbeispiel nach 3 erfolgt der Vorgang im Wesentlichen so, wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben. Hier wird jedoch der Schließring 4 anschließend noch vorgeschoben. Es handelt sich mithin um eine induktive Erwärmung des Schließringes 4 mit einem anschließenden Vorschub. Der Ringinduktor 11, angepasst an die Schließringgeometrie, ist vergrößert in 4 dargestellt.
5a und 5b verdeutlichen, dass sich das Einformverhalten des Schließringes 4 in die Schließrillen 3 wesentlich verbessern lässt, wenn der Schließring 4 während des Setzvorganges auf die Temperatur zwischen 800° und 900°C erwärmt wird. Es ist ersichtlich, dass der Schließring 4 in der Darstellung nach 5b wesentlich besser in die Schließrillen 3.2 bleibend eingeformt ist, wohingegen bei der konventionellen Kaltumformung die Schließrillen 3.2 nicht vollständig von dem Material des Schließringes 4 ausgefüllt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 10002 [0005]

Claims

Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung zwischen insbesondere hochfesten und ultrahochfesten Stahlbauteilen (1, 2) mittels einer Schließringbolzenverbindung, wobei ein Schließringbolzen (3) in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) der zu verbindenden Stahlbauteile (1, 2) eingesetzt und anschließend im Rahmen eines Setzvorganges ein Schließring (4) in Schließrillen (3.2) des Schließringbolzens (3) eingeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) nach Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) und der Schließring (4) nach dem Setzen auf den Schließringbolzen (3) auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (800°C bis 900°C) erwärmt werden, danach der Schließring (4) plastisch verformt wird und dann der Schließringbolzen (3) und der Schließring (4) auf eine derartige Temperatur abgekühlt werden, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließring (4) und im Schließringbolzen (3) einstellt.
Verfahren zur Erstellung einer Fügeverbindung zwischen insbesondere hochfesten und ultrahochfesten Stahlbauteilen (1, 2) mittels einer Schließringbolzenverbindung, wobei ein Schließringbolzen (3) in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) der zu verbindenden Stahlbauteile (1, 2) eingesetzt und anschließend im Rahmen eines Setzvorganges ein Schließring (4) in Schließrillen (3.2) des Schließringbolzens (3) eingeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) vor dem Einsetzen in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (800°C bis 900°C) erwärmt und nach der Erwärmung so abgeschreckt wird, dass sich ein martensitisches Gefüge im Schließringbolzen (3) einstellt, dass danach der Schließringbolzen (3) in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) gesetzt und dann der Schließring (4) auf den Schließringbolzen (3) gesetzt wird, wobei vor der plastischen Verformung des Schließringes (4) dieser auf eine Temperatur oberhalb der AC₃-Linie im Kohlenstoffdiagramm (ca. 800°C bis 900°C) erwärmt und danach so abgeschreckt wird, bis sich im Schließring (4) ein martensitisches Gefüge einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und/oder der Schließring (4) aus einem ungehärteten Stahl gefertigt werden und danach mit einer Verzunderungsschutzschicht versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und/oder der Schließring (4) konduktiv oder induktiv erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und/oder der Schließring (4) nach der Erwärmung durch eine Emulsion und/oder eine Beströmung mit einem Schutzgas auf eine Temperatur unterhalb der werkstoffseitigen Martensitstarttemperatur abgekühlt wird (werden).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschreckvorgang des Schließringbolzens (3) und/oder des Schließringes (4) mit einem Abkühlungskoeffizienten von mindestens 28 K/s erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließring (4) und/oder der Schließringbolzen (3) während der Erwärmung mit einem innerten Gas wie z. B. Argon oder Stickstoff beströmt wird (werden).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und/oder der Schließring (4) mittels eines Ringinduktors oder Gabelinduktors (11) erwärmt wird (werden).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet_' dass die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) in den Stahlbauteilen (1, 2) während eines Presshärtevorganges thermisch oder mechanisch eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fügeverbindungsöffnungen (7.1, 7.2) vor dem Erwärmen des Schließringbolzens (3) eine Isolationshülse eingesetzt wird, die einen Kontakt zwischen Bolzen (3) und den Stahlbauteilen (1, 2) im Schaftbereich eines Schließringbolzens (3) verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Innenteil eines Setzwerkzeuges (5) über einen dort vorgesehenen Pluspol der Schließringbolzenkopf (3.1) gegen ein Stahlbauteil (1) gezogen und Gleichstrom über den Schließringbolzen (3) und den Schließring (4) und über den Schließringbolzenkopf (3.1) durch die zu verbindenden Stahlbauteile (1, 2) zurück zu einem Minuspolteil des Werkzeuges (5) leitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und der Schließring (4) aus einen bohrlegierten Stahl bestehen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließringbolzen (3) und/oder der Schließring (4) aus einem bohrlegierten Stahl in folgender chemischer Zusammensetzung besteht: 0,18 bis 0,4% C, weniger als 0,3% Si, 0,8 bis 1,35% Mn, maximal 0,025% P, maximal 0,025% S, weniger als 0,30% Cr, maximal 0,25% Cu und 0,008% bis 0,05% B.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenschaft des Schließringbolzens (3) einen Durchmesser von 5 mm bis 26 mm aufweist.