Beschreibung
P 728 – Erweiterung der Einsatzgrenzen von hochfesten Schrauben ohne Vergütungsbehandlung
Im Rahmen der Serienanwendung überelastisch angezogener Schrauben und damit verbundenen Untersuchungen für einen Anwendungsbereich mit erhöhten Anforderungen wurde festgestellt, dass die Restklemmkraft einer temperaturbelasteten, kaltfließgepressten Zylinderkopfschraube aus dem Werkstoff 17MnV7 bei den gewählten Versuchsparametern deutlich geringer ist, als bei einer entsprechenden Verbindung mit vergüteten Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8.
Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung von hochfesten Schrauben ohne eine nachfolgende vergütende Wärmebehandlung, die in hoch belasteten Anwendungen der Automobilindustrie eingesetzt werden können. Hierbei muss sich der Vorspannkraftverlust unter Temperaturbelastung im Rahmen jenes der vergüteten Schrauben bewegen. Die mechanischen Eigenschaften müssen den Anforderungen der Festigkeitsklassen 8.8 bzw. 10.9 entsprechen. Die technologischen Vorteile kaltumgeformter Schrauben ohne vergütende Wärmebehandlung wie Geradheit und Dauerfestigkeit sowie die wirtschaftlichen Vorteile sollen dabei erhalten bleiben. Für eine quantitative Einschätzung der Eigenschaften kaltfließgepresster Bauteile wurde in Laborversuchen die Relaxation von ganzen Schrauben sowie einzelner Schraubenabschnitte untersucht. Auf diesem Wege wurde charakterisiert in welchem Umfang Werkstoff, Verformungszustand und Geometrie für die Relaxationsverluste verantwortlich sind.
In vergleichenden Untersuchungen der Vorspannkraftverluste bei mäßig erhöhten Temperaturen zeigten alle betrachteten Werkstoffkonzepte ohne vergütende Wärmebehandlung (8MnSi7, 17MnV7 und 30MnVS6 Ti) erhöhte Vorspannkraftverluste im Vergleich zu Schrauben mit vergütender Wärmebehandlung. Mit dem Werkstoff 30MnVS6 Ti ist es jedoch gelungen, Schrauben der Festigkeit 1000 MPa herzustellen, welche die technologischen Eigenschaften der Festigkeitsklasse 10.9 weitestgehend erfüllen. Dies entspricht einer Verbesserung von 10% zum im Einsatz befindlichen Werkstoff 17MnV7.
Detaillierte Betrachtungen an Gewindestiften zeigten, dass aus den Bereichen der größten Verfestigung (Gewinde + Kopf) der größte zusätzliche Vorspannkraftverlust gegenüber schlussvergüteten Schrauben resultiert. Die Erhöhung der Werkstofffestigkeit beim Werkstoff 30MnVS6 Ti ermöglicht, trotz gegenüber konventionellen Stählen höherer Relaxation, den Einsatz dieses nicht schlussvergüteten Stahls als Werkstoff für hoch belastete Anwendungen der Automobilindustrie. Die Zielsetzung, die Relaxationsverluste zu reduzieren, konnte nicht erfüllt werden.
Autoren:
W. Bleck, S. Hoffmann, G. Hartmann, H. Köhler, U. Merschrod, C. von der Crone
Veröffentlichung:
2010
