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EFB-Forschungsbericht Nr. 305

Fügen von Magnesiumblechen bei Raumtemperatur mittels Keramikvollstanzniet

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Jirko Kettner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Lehrstuhl für Umform- und Urformtechnik am Institut für Formgebende Fertigungstechnik der Technischen Universität Dresden

89 Seiten (sw, 79 Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-340-0

Preis (Digital) EUR 51,00

Preis (Print) EUR 57,00

Zusammenfassung

Aufgrund der geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit ist Magnesium sehr gut für den Einsatz im Werkstoffleichtbau geeignet. Es weist aber auch Defizite auf, die bei der Auslegung beachtet werden müssen. Magnesium ist bei Raumtemperatur eingeschränkt umformbar, nur schwierig stofflich fügbar und als unedles Metall durch galvanische Korrosion gefährdet. Deshalb wurde besonderes Augenmerk auf das mechanische Fügen mit Vollstanzniet in Kombination mit dem Kleben gelegt.

Die Korrosionsgefährdung soll sowohl durch einen Stanzniet aus Keramik und die Passivierung der Blechwerkstoffe als auch die Kombination des Stanznietens mit dem Kleben (Hybridverfahren) gesenkt werden. Durch das Stanznieten werden Bleche ohne Stoffschluss und extreme Materialumformung wie z.B. beim Clinchen gefügt. Eine existierende Geometrie eines Mehrbereichsniets sowie die Matrizengeometrie und die Setztiefe des Niets wurden derart optimiert, dass tragfähige Verbindungen hergestellt werden konnten.

Der Niet-Herstellungsprozess mittels Spritzgießen wurde verbessert, da viele Niete vor allem im Kopfbereich Vorschädigungen zeigten, die aufgrund der simulativ nachgewiesenen Belastungen in diesem Bereich zu häufigem Nietversagen führten.

Die Festigkeit der Fügestellen wurde mittels Scher- und Kopfzugprüfung unter Variation von Klebstoffeinsatz, Oberflächenvorbehandlung, Blechdicke und -legierung sowie der Art der Keramik ermittelt. Beim Einsatz des Strukturklebers Betamate 1494 trägt dieser die Hauptlast. Die Nietverbindung hat die Handlingsfestigkeit der Baugruppe zu gewährleisten, und das Nietmaterial hat nach der Warmaushärtung der Klebverbindung nur geringen Einfluss. Es wurden Scherzugkräfte zwischen 5 und 9 kN und Kopfzugkräfte von ca. 2,5 kN erreicht. Ohne Klebstoff oder mit dem Dämmklebstoff Totalseal 1194 wurden deutliche Häufungen des Versagens des Keramikniets bzw. des schwächeren Fügepartners festgestellt. Dabei wurden Scherzugkräfte zwischen 1 und 1,5 kN und Kopfzugkräfte von 0,5 bis 1 kN ermittelt.

Weitere Arbeitspunkte befassten sich mit Beschichtungsfähigkeit und erreichbarem Korrosionsschutz der gefügten Verbindungen. Dazu wurde auf Proben ein Lackaufbau aus dem Automobilbau aufgebracht. Die Fügestelle auf der Stempelseite konnte trotz geringem Nietüberstand in guter Qualität lackiert werden. Die Gratbildung auf der Matrizenseite erschwerte dies, allerdings ermöglichte der Keramikniet im Zusammenspiel mit der Lackierung einen ausreichenden Korrosionsschutz im 4 Zyklen andauernden Salzsprühnebeltest nach DIN EN ISO 9227.

Zuletzt wurde die Dauerverbindungsfestigkeit der stanzgenieteten Proben untersucht. Mit den reinen Stanznietproben wurde mit FD = + 350 N ± 290 N ca. 40% des mittleren statischen Scherzugwerts erreicht, im Großteil der Fälle versagte der Keramikniet. Totalseal 1194 erhöhte aufgrund seiner Elastizität die Dauerfestigkeit der Verbindungen auf FD = + 500 N ± 410 N (ca. 65% der Scherzugkraft). Der Niet versagte bei allen Proben. Der Betamate 1494 wies eine Festigkeit derart auf, dass die Klebestelle nicht zerstört wurde, dagegen aber die Probenbleche gerissen sind. Mit einer Dauerfestigkeit von FD = + 1788 N ± 1463 N wurden ebenfalls ca. 65% der statischen Scherzugfestigkeit erreicht.

Das Potential, herkömmliche Vollstanzniete gegen solche aus Keramik zu ersetzen, wurde in diesem Projekt nachgewiesen, ein Ersatz erfordert jedoch anwendungsspezifische Betrachtungen. Wenn Keramikniete reproduzierbar in einem sicheren und wirtschaftlichen Spritzgießprozess hergestellt werden können, weisen diese für das Fixieren der Bauteile vor dem Aushärten des Klebers (übliche Prozesskette im Automobilbau) befriedigende bis gute Eigenschaften auf. Eine Verminderung der Korrosion an der Fügestelle in Kombination mit einer entsprechenden Beschichtung ist möglich.

Das Forschungsvorhaben „Fügen von Magnesiumblechen bei Raumtemperatur mittels Keramikvollstanzniet“ wurde unter der Fördernummer AiF 14844BG von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 305 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

“Joining of magnesium sheet metals at room temperature with ceramic punch rivets”

Due to its low density and high specific strength magnesium is very well suited for materials light weight construction. But deficiencies have also to be taken into account during the design phase. The formability of magnesium at room temperature is limited, welding is difficult and magnesium as igno-ble material is vulnerable to galvanic corrosion. For this reason special attention has been paid to me-chanical joining using a solid punch rivet in combination with bonding.

The corrosion vulnerability shall be reduced using a ceramic punch rivet and passivation of sheet metals together with the combination of punch riveting and bonding (hybrid connections). Using punch riveting sheet metals are joined without metallic continuity or extreme material deformation as e.g. for the clinching process.

An existing geometry of a multi zone rivet as well as the die geometry and the riveting depth have been optimised in that way that stable connections could be produced. The ceramics production process injection moulding has been improved as many ceramic rivets showed premature damages in the head region which led to frequent rivet failures due to existing stresses in this area. These have also been demonstrated using the FEA software simufact forming.

The strength of joints has been investigated using shear and cross tension testing with the variation of parameters like adhesive application, surface pretreatment, sheet thickness, material composition and type of ceramics. Using the structural adhesive Betamate 1494 it absorbs the main stresses. The rivet joint has to guarantee the handling fixedness of the assembly and the rivet material after the adhesives curing is of only low influence. Shear resistances of 5 to 9 kN and cross tension resistances of approx. 2.5 kN have been achieved. Without an adhesive and with the absorbing adhesive Totalseal 1194 a significant accumulation of rivet failures or failures of the weaker joining partner have been detected. Shear resistances of 1 to 1.5 kN and cross tension resistances of 0.5 to 1 kN have been obtained.

Other project steps addressed the coatability and the therewith achievable corrosion protection. To investigate this specimens have exemplarily been coated with a paint system derived from the automotive industry. The joint on the punch side could be coated in good quality despite the small protrusion of the rivets head. The burr formation on the die side complicated the easy and high-quality coating. The ceramic punch rivet as galvanically inactive element together with the painting permit an adequate corrosion protection during the 4 cycles neutral salt spray test NSS (DIN EN ISO 9227).

In the last project part the durability of riveted specimens has been investigated. Riveted specimens without bonding with FD = + 350 N ± 290 N have achieved approx. 40% of the mean shear resistance with mainly the ceramic rivet failing. Totalseal 1194 raised the durability due to its elasticity to FD = + 500 N ± 410 N (approx. 65% of mean shear resistance). Here the rivets failed in all specimens. Betamate 1194 showed strength in this way that the joint has not been destroyed but one of the joined sheets failed. With a durability of FD = + 1788 N ± 1463 N also approx. 65% of the mean shear resistance were achieved.

The potential to replace conventional punch rivets by those made of ceramics has been demonstrated in this project, a replacement requires application specific considerations. If ceramic punch rivets can be manufactured reproducible in a safe and economic injection moulding process these show adequate to good characteristics for the fixing of parts prior to adhesives curing in a conventional process chain in the automotive industry. A reduction of the vulnerability to corrosion at the joint in combination with a respective painting system is achievable. The project targets have been achieved.

Inhalt

1.   Zusammenfassung zum Forschungsvorhaben EFB/AiF 14844 BG
2.   Einleitung
3.   Forschungsziel
4.   Angestrebte Forschungsergebnisse
5.   Stand der Forschung
5.1   Fügen von Magnesiumlegierungen
5.2   Stanznieten mit Vollniet
5.3   Korrosionsverhalten von Magnesiumlegierungen
5.4   Keramik im Maschinenbau
5.5   Eigene Vorarbeiten
6.   Bearbeitung des Forschungsprojekts
6.1   Ermittlung der Prozessparameter für optimierten Niet mit / ohne Klebstoff, Ermittlung von Fügeaufgaben
6.1.1   Vorbereitende Untersuchungen / Referenzuntersuchungen
6.1.2   Systematische Iteration der Niet- und Werkzeuggeometrien mit Hilfe von FEM- Simulationen
6.2   Prüfung der Verbindungsfestigkeit und Versagensanalyse der Fügestelle
6.2.1   Einleitende Vorbetrachtungen
6.2.2   Statische Festigkeitsuntersuchungen mit Spritzguss-Keramikvollniet
6.3   Beschichtungsverhalten der Fügestelle
6.4   Korrosionsverhalten der Fügestelle
6.4.1   Potenzialmessung / Potenzialrauschmessung
6.4.2   Langzeitkorrosionstests mittels Salzsprühnebel nach DIN EN ISO 9227
6.5   Dauerverbindungsfestigkeitsuntersuchungen
6.6   Anwenderrichtlinien
7.   Zusammenfassung und Ausblick
8.   Danksagung
9.   Literaturverzeichnis