Zusammenbau von Magnesiumteilen

Die gewindeformende Schraube ALtracs Plus verfügt über eine einzigartige Gewindegeometrie, die eine größere Scherfläche zwischen den Gewindegängen bietet, was zu einer höheren Auszugs- und Abziehleistung führt. Foto mit freundlicher Genehmigung von EJOT

Das Magtite 2000-Befestigungselement hat einen trilobularen Schaft mit abgerundeten statt abgewinkelten Gewinden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Research Engineering & Manufacturing Inc.

Fiat Chrysler Automobiles verwendet Magnesium für die Heckklappe des Pacifica-Minivans 2017. Foto mit freundlicher Genehmigung von FCA

General Motors hat kürzlich ein neues Thermoformverfahren und eine Korrosionsbeständigkeitsbehandlung eingeführt, die es dem Autohersteller ermöglichen, Magnesiumbleche für Heckdeckel, Karosseriebleche und andere Teile zu verwenden. Foto mit freundlicher Genehmigung von General Motors Co.

Bemühungen zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts konzentrierten sich hauptsächlich auf Aluminium, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, aber auch ein anderes Leichtbaumaterial erhält Aufmerksamkeit: Magnesium. Magnesium ist das neunthäufigste Element im Universum und so fest wie Stahl, aber 33 Prozent leichter als Aluminium, 60 Prozent leichter als Titan und 75 Prozent leichter als Stahl.

Die weltweite Nachfrage nach Magnesium wächst stetig mit einer Rate von 3 Prozent pro Jahr, was vor allem auf die Automobilindustrie zurückzuführen ist. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Ducker Worldwide enthält ein durchschnittliches Leichtfahrzeug etwa 10 Pfund Magnesium, und diese Menge könnte sich bis 2025 verdreifachen.

Automobilhersteller verwenden Magnesium für eine Vielzahl von Komponenten, darunter Instrumententafelrahmen, Sitzrahmen, Lenkräder, Getriebe- und Airbaggehäuse, Verschlüsse, Halterungen, Frontendträger, Motorhalterungen, Motorblöcke und sogar Strukturkomponenten. Fiat Chrysler Automobiles verwendet Magnesium für die Heckklappe seines 2017 Pacifica Minivans. General Motors hat kürzlich ein neues Thermoformverfahren und eine Korrosionsbeständigkeitsbehandlung eingeführt, die es dem Autohersteller ermöglichen, Magnesiumbleche für Heckdeckel, Karosseriebleche und andere Teile zu verwenden.

Der Einsatz von Magnesium in Automobilanwendungen kann nicht nur zu Gewichtseinsparungen führen. Da sich das Material für Druckguss, Sandguss und ähnliche Produktionsmethoden eignet, bietet es Ingenieuren die Möglichkeit, durch Teilekonsolidierung Kosten zu senken.

Automobilhersteller sind nicht die einzigen Hersteller, die sich die Stärke und das geringe Gewicht von Magnesium zunutze machen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie findet sich Magnesium in den Schubumkehrern von Verkehrsflugzeugen und den Getriebegehäusen von Hubschraubern. Es wird auch in Raketen verwendet.

Auch Elektronikmonteure schätzen die Festigkeit, Haltbarkeit und das geringe Gewicht von Magnesium. Magnesium leitet außerdem Wärme ab und schützt vor elektromagnetischen und hochfrequenten Störungen. Die Gehäuse von Kameras, Mobiltelefonen, Laptops und tragbaren Mediaplayern bestehen üblicherweise aus Magnesium.

Magnesiumteile finden sich in Sportartikeln wie Golfschlägern, Fahrradrahmen und Inline-Skates sowie in Haushaltswaren wie Staubsaugern, Elektrowerkzeugen, Kettensägen und Rasenmähern.

„Wir sehen immer mehr Anwendungen für die Befestigung von Magnesium“, sagt Terry Tripp, Spezialist für technische Produkte bei Semblex Corp.

Trotz aller Vorteile ist Magnesium jedoch ein anspruchsvoller Werkstoff für thermische, chemische und mechanische Fügeverfahren.

Das Schweißen von Magnesium erfordert eine geringe und kontrollierte Leistungsaufnahme. Da das Metall außerdem eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat, sind Schutzgase erforderlich.

Für die Verklebung ist eine aufwendige Untergrundvorbereitung erforderlich. Magnesiumteile müssen vor dem Verkleben mindestens entfettet und gegebenenfalls mit Chromsäure geätzt werden. Durch das Ätzen werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Metalloberfläche verändert, um die Haftung zu verbessern.

Magnesium ist weniger duktil als Stahl oder Aluminium, daher sind Verbindungselemente, die mit diesen Metallen funktionieren, für Magnesiumteile möglicherweise ungeeignet. Aufgrund seines geringen elektronegativen Potenzials ist Magnesium außerdem anfällig für galvanische Korrosion.

Magnesium ist spröde. Gewindeschneidende Schrauben kommen nicht in Frage, da die Gewinde abbrechen. Selbstklemmende Befestigungselemente sind ebenfalls nicht praktikabel, da das Metall nicht ohne weiteres in die Aussparungen der Befestigungselemente fließt. (Es kann jedoch hilfreich sein, das Metall vor der Installation zu erhitzen.)

Gewindefurchende Schrauben für Stahlteile verfügen über eng beieinander liegende Gewindegänge mit einem Flankenwinkel von 60 Grad. Solche Verbindungselemente seien für Magnesiumteile zu aggressiv, sagt Tripp. Das Metall wird sich festfressen und sich im Gewinde festfressen.

Ein damit verbundenes Problem besteht darin, dass eine Stahlschraube viel stärker ist als Magnesium. Unter Klemmlast kann Magnesium langsam aus dem Verbindungselement abfließen, wodurch sich die Verbindung mit der Zeit lockert.

Daher sollten Ingenieure Magnesiumteile so konstruieren, dass sie einen größeren Gewindeeingriff bieten als vergleichbare Stahlteile. Als Faustregel gilt, dass die Länge des Gewindeeingriffs in einem Stahlteil typischerweise nur das 0,75- bis 0,87-fache des Durchmessers des Befestigungselements betragen muss. Im Gegensatz dazu sollte die Länge des Gewindeeingriffs in einem Magnesiumteil das 2- bis 2,5-fache des Durchmessers des Befestigungselements betragen. Wenn das Loch nicht tiefer gemacht werden kann, kann der Durchmesser verkleinert werden, sodass ein größerer Teil jedes Gewindes in Eingriff kommt.

Ein weiteres Problem bei der Befestigung von Magnesiumteilen ist galvanische Korrosion. Wenn Magnesium in Gegenwart eines Elektrolyten, beispielsweise Streusalz, mit anderen Metallen in Kontakt kommt, kann es zu schwerer galvanischer Korrosion kommen. Um dies zu verhindern, müssen die zusammenpassenden Teile aus galvanisch verträglichen Metallen bestehen; mit galvanisch verträglichen Metallen wie Zink beschichtet; oder mit einem elektrisch isolierenden Material wie Nylon beschichtet. Eisenlegierungen, Titanlegierungen und Nichteisenlegierungen, die Nickel oder Kupfer enthalten, weisen eine schlechte galvanische Verträglichkeit mit Magnesium auf.

Darüber hinaus können Ingenieure die Verbindung so gestalten, dass die Belastung durch Elektrolyte begrenzt wird. Schrauben sollten beispielsweise in Sacklöcher statt in Durchgangslöcher eingedreht werden, damit die Spitze des Befestigungselements nicht der Umgebung ausgesetzt ist. Um den Kopf des Befestigungselements herum sollte ein Freiraum vorhanden sein, um eine Entwässerung zu ermöglichen. Das Befestigungselement kann auch mit einer Unterlegscheibe aus Aluminium oder einem nichtleitenden Material kombiniert werden.

Monteure können Löcher in Magnesiumgussteile bohren und gewindeschneiden. Allerdings kann die Porosität von Gussteilen beim Bohren ein Problem darstellen, und in der Regel sind spezielle Schmiermittel erforderlich, um ein Festfressen zu verhindern.

Gewindefurchende Schrauben sind vielleicht das effizienteste Mittel zur Befestigung von Magnesiumteilen. Mit diesen Schrauben entfallen die Kosten für das Bohren, Gewindeschneiden, Reinigen und Prüfen von Löchern und sie bieten Konstrukteuren mehr Flexibilität als Schrauben- und Mutternbaugruppen.

Mehrere gewindeformende Schrauben wurden speziell für Magnesiumteile entwickelt.

Ein Beispiel ist die Mag-Form-Schraube von Acument Global Technologies Inc. Sie hat ein fünfeckiges Schaftprofil, weit auseinander liegende Gewindegänge und einen breiten Flankenwinkel von 105 Grad. Beim Eintreiben in Magnesium entstehen durch eine Druckwirkung starke Gewindegänge mit minimaler Schmutzbildung. Der große Flankenwinkel ermöglicht ein mehrmaliges Einsetzen und Entfernen des Befestigungselements, ohne dass das Gewinde beschädigt wird.

„Der Mag-Form-Verschluss bewegt das Material nach außen und komprimiert es“, sagt Tripp.

Da bei der Installation nur minimale Rückstände entstehen, eignen sich Mag-Form-Befestigungselemente ideal für kritische Anwendungen wie Lenkungskomponenten und Airbag-Module.

Eine weitere Option ist die gewindefurchende Schraube ALtracs Plus von EJOT. Das Befestigungselement verfügt über eine einzigartige Gewindegeometrie, die eine größere Scherfläche zwischen den Gewindegängen bietet, was zu einer höheren Auszieh- und Abreißleistung führt.

Die Gewinde haben einen asymmetrischen Flankenwinkel von 33 Grad (einen Lastflankenwinkel von 22 Grad und einen Hinterflankenwinkel von 11 Grad). Dadurch wird die Materialmenge, die die Fäden verdrängen, minimiert, sagt Tripp. Die Unterstützung des Flankenfußes verleiht dem Gewinde Stabilität bei hohen Vorspannkräften, ohne den Materialfluss beim Gewindeformen zu behindern.

Eine runde Körperform sorgt für einen größeren Gewindeeingriff als multilobulare Befestigungselemente, was den Klemmhalt verbessert und eine langfristige Verbindungsfestigkeit gewährleistet.

Die gewindeformende Zone besteht aus einer konischen, nicht kreisförmigen Spitze mit gewindeformenden Reliefabflachungen. Der Konus hilft Monteuren, die Schraube im Loch auszurichten, und verringert den Kraft- und Drehmomentaufwand, der zum Starten des Gewindeformprozesses erforderlich ist. Die Abflachungen im Gewinde sorgen für eine Entlastung beim Gewindeformen, wodurch das Antriebsmoment reduziert wird.

Der ALtracs Plus ist mit Maschinenschrauben austauschbar. Dadurch kann das Befestigungselement in vorhandenen Maschinengewindegewinden mit Gewinde derselben Größe verwendet werden, oder alternativ kann eine Maschinenschraube derselben Größe in dem von einem ALtracs Plus-Befestigungselement gebildeten Gewinde verwendet werden, wodurch jegliche Bedenken hinsichtlich des Kundendienstes entfallen.

Eine dritte gewindeformende Schraube für Magnesium ist die Magtite 2000 von Research Engineering & Manufacturing Inc. Dieses Befestigungselement hat einen trilobularen Schaft mit abgerundeten statt abgewinkelten Gewindegängen. Die trilobulare Form sorgt für ein niedriges Gewindeformungsdrehmoment und ein hohes Versagensdrehmoment. Das abgerundete Gewinde erzeugt ein sauberes, gleichmäßiges Innengewinde, indem es das Magnesium komprimiert, anstatt es zu verdrängen. Dadurch wird die Entstehung von Schmutz minimiert und die Schraube kann mehrmals entfernt und wieder eingebaut werden.

Als Variante bietet Nitto Seiko die Magtite CP an. Nitto trägt eine Polymerbeschichtung auf die untere Hälfte des Verbindungselements auf, die selbst kleine Mengen an Spänen auffängt, die während des Gewindeformprozesses entstehen könnten. Dies kann für Anwendungen in der Elektronikmontage von entscheidender Bedeutung sein, bei denen selbst kleinste Metallpartikel einen Kurzschluss verursachen können.

Wenn hochfeste Gewinde benötigt werden, können Gewindeeinsätze in Magnesium eingepresst oder geschrumpft werden, eingeschraubte Einsätze werden jedoch bevorzugt. Ein Beispiel ist das MaggCert von Acument. Die Außenfläche dieses röhrenförmigen Einsatzes verfügt über Mag-Form-Gewinde, während die Innenfläche über Standard-Maschinenschraubengewinde verfügt. Der Einsatz ist in den Größen M4, M5, M6, M8 und M10 erhältlich und wird mit einem Schraubendreher mit Torx-Plus-Bit in ein gebohrtes oder geformtes Loch getrieben.

Bruchniete, Schlagniete und Nietmuttern sind ebenfalls Optionen für die Montage von Magnesiumteilen, sofern Probleme mit galvanischer Korrosion behoben werden. Selbststanznieten wurden sogar zum Verbinden von Stahl- und Magnesiumplatten verwendet, allerdings muss das Magnesium erhitzt werden, um seine Formbarkeit zu verbessern und Risse zu verhindern.

Orbitale und radiale Formung wurden mit Magnesium mit unterschiedlichem Erfolg versucht.

„Wir haben keinen großen Aufschwung für dieses Material bei [orbitalen und radialen] Umformanwendungen gesehen“, sagt Charles A. Rupprecht, Vizepräsident und General Manager von BalTec Corp. „Das liegt vor allem daran, dass Magnesium dazu neigt, sich stark zu biegen.“ leicht und ist weicher als beispielsweise Gussaluminium. Daher kommt es beim Formen eines Magnesium-Druckgussteils tendenziell zu einem Quetsch- und Überformungseffekt, der zu Problemen bei der fertigen Form führen kann.“

„Die Legierungszusammensetzung ist entscheidend“, fügt J. Todd Hutson, leitender Anwendungsingenieur bei Orbitform, hinzu. „Normale Magnesiumqualitäten zerbröckeln grundsätzlich, anstatt sich zu bilden. [Es stehen formbare Legierungen zur Verfügung], aber selbst dann muss man sehr darauf achten, das Material so wenig wie möglich zu bewegen.“

Beispielsweise sei die Magnesiumlegierung AM50 (4,9 Prozent Aluminium, 0,45 Prozent Mangan und 0,2 Prozent Zink) formbar, sagt Hutson, während dies bei der härteren Legierung AZ91D (9,7 Prozent Aluminium, 0,15 Prozent Mangan und 1 Prozent Zink) nicht der Fall sei.

Forscher bei Fiat Chrysler Automobiles (FCA) arbeiten an einer neuen Umformtechnik – dem Stauchungsprotrusionsfügen –, die eine Lösung des Problems verspricht.

Das Fügen von Stauchvorsprüngen ähnelt dem Prozess des Heißverklebens von Kunststoffteilen, sagt Stephen Logan, leitender technischer Spezialist für Leichtmetalle und Fertigungsprojekte bei FCA. Dabei wird ein Vorsprung am Basisteil durch ein Loch in einem Gegenteil gesteckt. Anschließend wird das Ende des Vorsprungs mithilfe eines erhitzten Werkzeugs und Druck zu einem pilzförmigen Kopf geformt, der die beiden Teile mechanisch miteinander verriegelt.

Das Stauchungs-Vorsprungs-Fügen wurde entwickelt, um Magnesiumteile mit unterschiedlichen Metallsubstraten zu verbinden. Dabei wird am Magnesiumgussteil ein Vorsprung zur Aufnahme eines aus Stahl oder Aluminium gefertigten Teils gebildet. Das Umformwerkzeug ist eine Elektrode, die das Magnesiumteil durch elektrischen Widerstand erhitzt. Die wichtigsten Prozessparameter sind Kraft, Zeit und elektrischer Strom.

Bisher haben FCA-Ingenieure die Technik sowohl an blanken und vorbehandelten Magnesiumstücken als auch an blanken und beschichteten Teststücken aus Stahl und Aluminium getestet.

„In allen bewerteten Konfigurationen wurden gute, robuste Verbindungen erzielt“, sagt Logan. „Unter dem Gesichtspunkt der Korrosion gelten bestimmte Kombinationen (zum Beispiel Magnesium mit beschichtetem Aluminium) als praktikabler als andere, vor allem aufgrund der elektrogalvanischen Kompatibilität zwischen den Materialien.“

Das Verfahren zum Fügen von gestauchten Vorsprüngen befindet sich noch in der Entwicklungsphase, sodass FCA die Technik derzeit nicht in der Produktion einsetzt. „Bisher konzentrierten sich die meisten Entwicklungsarbeiten auf die Fähigkeit, Karosserie- und Fahrwerksanwendungen für Kraftfahrzeuge zu unterstützen, da diese in Bezug auf Korrosion typischerweise zu den anspruchsvollsten Anwendungen gehören“, sagt Logan.