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Dokumentenidentifikation DE69630949T2 21.10.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000828863
Titel HERSTELLUNG VON VORBESCHICHTETEN ALUMINIUMLEGIERUNGSTEILEN
Anmelder McDonnell Douglas Corp., Long Beach, Calif., US
Erfinder KEENER, G., Steven, Trabuco Canyon, US
Vertreter Boeters & Lieck, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69630949
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.05.1996
EP-Aktenzeichen 969153790
WO-Anmeldetag 01.05.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/05917
WO-Veröffentlichungsnummer 0096034993
WO-Veröffentlichungsdatum 07.11.1996
EP-Offenlegungsdatum 18.03.1998
EP date of grant 03.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.2004
IPC-Hauptklasse C22F 1/04
IPC-Nebenklasse B05D 7/14   B21K 1/58   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung beschichteter Teile aus Aluminiumlegierung und insbesondere auf die Herstellung beschichteter Aluminiumniete.

Befestigungselemente dienen zur mechanischen Verbindung der verschiedenen tragenden Elemente und Unterbaugruppen von Luftfahrzeugen. Ein großes Transportflugzeug z. B. enthält typischerweise über eine Million Befestigungselemente wie Bolzen, Schrauben und Niete. Die Befestigungselemente werden aus Legierungen mit hoher Festigkeit wie Titanlegierungen, Stahl und Aluminiumlegierungen gebildet. In manchen Fällen werden die Befestigungselemente wärmebehandelt, z. B. durch eine Alterungsbehandlung mittels Ausscheidungshärten, um eine so hohe Festigkeit zusammen mit anderen wünschenswerten Eigenschaften zu erzielen, wie sie für die jeweilige Legierung in sinnvoller Weise möglich sind. Die Wärmebehandlung beinhaltet im Allgemeinen eine Folge eines oder mehrerer Schritte der geregelten Erwärmung in einer überwachten Atmosphäre, des Haltens auf der Temperatur über eine bestimmte Zeitspanne und einer geregelten Abkühlung. Diese Schritte werden für jedes spezifische Material so gewählt, dass die gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften erzielt werden. In anderen Fällen wird das Befestigungselement im Herstellungszustand verwendet.

Es ist üblich, manche Typen Befestigungselemente mit organischen Beschichtungen zu versehen, um das Grundmetall des Befestigungselements gegen Beschädigung durch Korrosion zu schützen. Bei der üblichen Vorgehensweise wird das Befestigungselement zunächst hergestellt und dann auf seine erforderliche Festigkeit wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wird das Befestigungselement in einem Natronlaugebad geätzt, um den bei der Wärmebehandlung erzeugten Zunder zu beseitigen. Wahlweise wird das Befestigungselement alodiniert oder eloxiert. Das in einer flüchtigen Trägerflüssigkeit gelöste Beschichtungsmaterial wird durch Spritzen, Tauchen oder dgl. auf das Befestigungselement aufgebracht. Die Trägerflüssigkeit wird verdampft. Das beschichtete Befestigungselement wird auf eine hohe Temperatur erwärmt und auf dieser eine gewisse Zeit gehalten, um die Beschichtung auszuhärten. Das fertige Befestigungselement wird bei der Herstellung der Struktur verwendet.

Dieses Beschichtungsverfahren funktioniert gut bei Befestigungselementen aus einem Grundmetall mit hohem Schmelzpunkt, wie etwa Befestigungselemente aus Stahl oder Titanlegierungen. Derartige Befestigungselemente werden bei Temperaturen wärmebehandelt, die weit über der Aushärttemperatur der Beschichtung liegen. Folglich beeinflusst das Aushärten der Beschichtung nach abgeschlossener Wärmebehandlung des Befestigungselements die Eigenschaften des bereits behandelten Grundmetalls nicht nachteilig.

Andererseits haben Aluminiumlegierungen einen sehr viel niedrigeren Schmelzpunkt und damit eine allgemein viel niedrigere Wärmebehandlungstemperatur als Stahl und Titanlegierungen. Es war bisher nicht üblich, hochfeste Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung mit härtbaren Beschichtungen zu versehen, da festgestellt wurde, dass die Aushärtbehandlung für die Beschichtung die Festigkeit des Befestigungselements nachteilig beeinflussen kann. Die Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung sind deshalb anfälliger für Korrosion als dies sonst der Fall wäre. Außerdem unterstützt das Vorhandensein der organischen Beschichtung den Einbau der Befestigungselemente bei Titanlegierungen und Stahl. Das Fehlen der Beschichtung bedeutet, dass Aluminiumbefestigungselemente wie Niete unter Verwendung eines Nassdichtmittels zum Zwecke des Korrosionsschutzes installiert werden müssen. Das Nassdichtmittel enthält typischerweise toxische Bestandteile und erfordert deshalb Vorsichtmaßnahmen zum Schutz des damit arbeitenden Personals und der Umwelt. Außerdem ist seine Verarbeitung schwierig und verursacht Schmutz, so dass evtl. ein aufwändiges Reinigen des Bereichs um das Befestigungselement unter Verwendung ätzender chemischer Lösungen erforderlich wird.

Es besteht daher ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zum Schutz von Befestigungselementen auf Aluminiumbasis wie Nieten. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und stellt des Weiteren zugehörige Vorteile bereit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegendende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus Aluminiumlegierung wie ein Befestigungselement und insbesondere eines Niets bereit. Bei einem wärmebehandlungsfähigen Teil wird das Teil wärmebehandelt, um gute mechanische Eigenschaften zu erhalten, und wird es außerdem durch eine gehärtete organische Beschichtung geschützt. Bei einem Kaltarbeitsteil wird die Beschichtung aufgebracht und gehärtet, wobei immer noch der gewünschte Umformungszustand des Teils erzielt wird. Das Aufbringen der Beschichtung beeinflusst die gewünschten endgültigen Eigenschaften des Teils nicht nachteilig. Das vorliegende Verfahren kann mit zusätzlichen Kosten von weit unter einem Prozent pro Befestigungselement zu den Kosten im ungeschützten Zustand durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung wie ein Niet oder ein anderes Befestigungselement die Schritte des Bereitstellens einer Vorstufe eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung, das sich nicht in seinem endgültigen erforderlichen Wärmebehandlungszustand und mechanischem Zustand befindet, und des Bereitstellens eines härtbaren organischen Beschichtungsmaterials auf. Das Beschichtungsmaterial hat einen nicht flüchtigen Anteil, der hauptsächlich organisch und bei etwa Wärmebehandlungstemperatur der Vorstufe des Teils aus Aluminiumlegierung härtbar ist. Das Verfahren enthält ferner das Aufbringen des organischen Beschichtungsmaterials auf die Vorstufe des Teils aus Aluminiumlegierung und die Wärmebehandlung der Vorstufe des beschichteten Teils aus Aluminiumlegierung auf seinen endgültigen Wärmebehandlungszustand bei der Wärmebehandlungstemperatur und über einen ausreichenden Zeitraum, um das Aluminium auf seinen erforderlichen wärmebehandelten und mechanischen Zustand wärmezubehandeln, und gleichzeitig die organische Beschichtung zu härten, wodurch das Teil gebildet wird.

Diese Vorgehensweise in Zusammenhang mit hochfesten Aluminiumbefestigungselementen wie Niete erbringt überraschende und unerwartete technische und finanzielle Vorteile. Die Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung entwickeln ihre volle geforderte Festigkeit durch die für sich selbst verwendete Wärmebehandlung oder den geforderten Umformungszustand. Das Erzielen eines vorgeschriebenen Festigkeitsniveaus ist wichtig, da die Kunden aus der Luftfahrtindustrie keine Einbuße der mechanischen Leistung hinnehmen, um eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. In der Vergangenheit sind deshalb sowohl akzeptable bzw. zulässige mechanische Eigenschaften als auch die Verwendung von Nassdichtmitteln gefordert worden, um eine akzeptable bzw. zulässige Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Bei der vorliegenden Vorgehensweise erhält das Teil dagegen zulässige mechanische Eigenschaften als auch eine Beschichtung für den zulässigen Korrosionsschutz. Deshalb brauchen beim Einbau eines gemäß des vorliegenden Verfahren hergestellten Befestigungselements keine Nassdichtmittel auf das Befestigungselement und die Passflächen der Bohrung, in die das Befestigungselement eingesetzt wird, unmittelbar vor dem Stauchen des Befestigungselements aufgebracht zu werden.

Dadurch, dass die Anforderung für das Verfahren des Einbaus mit Nassdichtmittel bei den mehr als 700.000 Nieten eines großen Transportflugzeugs entfällt, wird eine Kosteneinsparung von mehreren Millionen Dollar pro Luftfahrzeug erreicht. Der Wegfall der Verwendung von Nassdichtmitteln verbessert auch die Ausführungsqualität, da keine Gefahr besteht, einige Befestigungselemente zu übersehen, wenn das Nassdichtmittel aufgebracht wird. Die beschichteten Befestigungselemente sind im Betrieb korrosionsbeständiger als nicht beschichtete Befestigungselemente.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlicheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft die Grundlagen der Erfindung darstellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Prozess-Flussdiagramm für eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

2A ist ein Prozess-Flussdiagramm für eine Form einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

2B ist ein Prozess-Flussdiagramm für eine andere Form der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

3 ist ein Prozess-Flussdiagramm für eine zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

4 ist eine schematische Schnittansicht eines Niet-Befestigungselements mit überstehendem Kopf vor dem Stauchen, das zur Verbindung zweier Teile dient;

5 ist eine schematische Schnittansicht eines Stauchniet-Befestigungselements vor dem Stauchen, das zur Verbindung zweier Teile dient

6 ist eine schematische Schnittansicht eines Niet-Befestigungselements mit Senkkopf vor dem Stauchen, das zur Verbindung zweier Teile dient; und

7 ist eine schematische Schnittansicht des Niet-Befestigungselements mit Senkkopf von 6 nach dem Stauchen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie aus 1 ersichtlich ist, wird zunächst ein nicht behandeltes (d. h. unbeschichtetes und geglühtes) Teil bereitgestellt. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung von Befestigungselementen wie Nieten und die folgende Beschreibung wird sich auf solche Produkte konzentrieren. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Befestigungselemente und Nieten beschränkt, sondern in weiterem Umfang anwendbar. Ihre Anwendung auf Befestigungselemente bietet jedoch besondere Vorteile, auf die noch eingegangen wird.

Es wird ein Niet 40 bereitgestellt, Bezugszeichen 20. Die vorliegende Erfindung wird auf einen Niet, ein Befestigungselement oder ein anderes Teil angewendet, das in seiner herkömmlichen Form und Abmessung hergestellt worden ist. 4 bis 6 zeigen drei Typen Niete 40 in einem Zwischenstadium ihres Einbaus zur Verbindung eines ersten Teils 42 mit einem zweiten Teil 44 nach dem Einsetzen in das erste und zweite Teil aber vor dem Stauchen. Der Niet 40 von 4 hat einen vorgefertigten vorstehenden Kopf 46 an einem Ende. Der Niet 40' von 5 ist ein Stauchniet und hat an keinem Ende einen vorgeformten Kopf. Der Niet 40'' von 6 hat einen vorgefertigten Senkkopf 46'' an einem Ende, der in einer Senkung im Teil 42 aufliegt. Die vorliegende Erfindung kann auf diese und andere Niettypen angewendet werden.

Der Niet 40 wird aus einer Legierung auf Aluminiumbasis hergestellt. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet "Aluminiumlegierung" oder "auf Aluminiumbasis", dass die Legierung einen Aluminiumanteil von mehr als 50 Gew.-%, aber weniger als 100 Gew.-% hat. Typischerweise besteht die Legierung auf Aluminiumbasis aus ca. 85–98 Gew.-% Aluminium, wobei der Rest Legierungselemente und eine geringe Menge Verunreinigungen enthält. Legierungselemente werden in präzise überwachten Mengen zugefügt, um die Eigenschaften der Aluminiumlegierung wie gewünscht zu modifizieren. Die zum Aluminium kombiniert zugefügten Legierungselemente zur Modifizierung von dessen Eigenschaften enthalten beispielsweise Magnesium, Kupfer und Zink sowie andere Elemente.

In einem interessierenden Fall kann die Aluminiumlegierung wärmebehandelt werden. Das Teil wird zuerst in einer gewünschten Form, in diesem Fall ein Befestigungselement wie ein Niet, hergestellt. Die Legierungselemente sind so gewählt worden, dass die hergestellte Form so behandelt werden kann, dass sie einen relativ weichen Zustand hat, vorzugsweise, indem sie auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, eine gewisse Zeit auf dieser gehalten und danach auf eine niedrigere Temperatur abgeschreckt wird, ein Prozess, der als Lösungsglühen/Glühen bezeichnet wird. Beim Lösungsglühen-/Glühprozess werden lösbare Elemente in der Legierungsmatrix gelöst (d. h. Lösungsbehandlung) und durch rasches Abschrecken in Lösung gehalten, während die Matrix selbst gleichzeitig geglüht wird (d. h. Glühen).

Nachdem das Teil lösungsgeglüht/geglüht worden ist, kann es weiter behandelt werden, um seine Festigkeit auf ein Mehrfaches zu erhöhen und so die gewünschten hochfesten Eigenschaften für den Betrieb aufzuweisen. Eine derartige Weiterbehandlung, typischerweise durch einen Alterungsprozess durch Ausscheidungshärten, kann entweder durch Erwärmen auf eine erhöhte Temperatur, Halten einer gewissen Zeit auf dieser Temperatur (als künstliches Altern bezeichnet) oder durch Halten auf Raumtemperatur über einen längeren Zeitraum (als natürliches Altern bezeichnet) erfolgen. Nach der herkömmlichen Terminologie der Aluminum Association erzeugen verschiedene künstliche Alterungsbehandlungen durch Ausscheidungshärten, von denen einige mit einer Zwischenumformung kombiniert sind, die Zustände T6, T7, T8 oder T9, und eine natürliche Alterungsbehandlung mit Ausscheidungshärten erzeugt den Zustand T4. (Die Terminologie der Aluminum Association für Wärmebehandlungen, Legierungstypen und dgl. ist im Stand der Technik durchgängig anerkannt und wird hierin verwendet.) Manche Legierungen erfordern eine künstliche Alterung und andere Legierungen können auf jede Weise gealtert werden. Niete werden im Allgemeinen aus beiden Materialtypen hergestellt.

Bei beiden Arten der Alterung erfolgt die Erhöhung der Festigkeit als Ergebnis der Bildung von Partikeln der zweiten Phase, die typischerweise als Ausscheidungen bezeichnet werden, in der Aluminiumlegierungsmatrix. Kollektiv werden alle Behandlungsschritte, die zur Festigkeitserhöhung führen, allgemein als "Wärmebehandlung" bezeichnet, wobei das Teil einer oder mehreren Perioden bei einer erhöhten Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer ausgesetzt wird, wobei die Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten so gewählt werden, dass sie zur Erzeugung der gewünschten endgültigen Eigenschaften beitragen. Die Temperaturen, Zeiten und andere Parameter, die zur Erzielung bestimmter Eigenschaften erforderlich sind, sind bekannt und in Referenz-Vorschriften bzw. -Druckschriften für Standardlegierungen auf Aluminiumbasis enthalten.

Eine bestimmte künstlich gealterte Legierung auf Aluminiumbasis, die für Nietanwendungen höchst interessant ist, ist die Legierung 7050, die eine Zusammensetzung von ca. 2,3 Gew.-% Kupfer, 2,2 Gew.-% Magnesium, 6,2 Gew.-% Zink, 0,12 Gew.-% Zirkonium, Rest Aluminium mit geringfügigen Verunreinigungen hat. (Andere geeignete Legierungen sind u. a. wärmebehandlungsfähige Aluminiumlegierungen der Reihe 2000, 4000, 6000 und 7000). Diese Legierung ist von mehreren Aluminiumgesellschaften, einschließlich ALCOA, Reynolds und Kaiser handelsüblich erhältlich. Nach der Herstellung auf die gewünschte Form, wie eine der in 4 bis 6 dargestellten, kann die Legierung 7050 lösungsbehandelt/geglüht werden, um eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von ca. 234.430–241.325 kPa (34.000–35.000 psi) zu erhalten. Dieser Zustand wird im Allgemeinen nach der Herstellungsbearbeitung des Befestigungselements, einschließlich spanende Bearbeitung, Schmieden oder anderweitige gewünschte Formgebung erzielt. Dieser Bearbeitungszustand wird hierin als der "unbehandelte Zustand" bezeichnet, da er vor dem abschließenden Alterungswärmebehandlungszyklus vorliegt, der zur Optimierung der Festigkeit und anderer Eigenschaften des Materials erforderlich ist. Das Teil kann mehreren Formgebungsoperationen unterzogen und je nach Bedarf, vor dem Wärmebehandlungsprozess der Ausscheidungshärtung zur Festigkeitserhöhung, periodisch erneut geglüht werden.

Nach der Formgebung (und dem optionalen erneuten Glühen) kann die Legierung 7050 bei einer Temperatur von ca. 121°C (250°F) 4 bis 6 Stunden lang wärmebehandelt werden. Die Temperatur wird danach von 121°C (250°F) unmittelbar auf ca. 179°C (355°F) erhöht, für eine Zeitdauer von 8 bis 12 Stunden, worauf sich ein Umgebungsluft-Abkühlen anschließt. Dieser letzte Zustand der Wärmebehandlung mit der Bezeichnung Bearbeitungsstand bzw. Stufe T73 erzeugt eine Festigkeit von ca. 282.695–317.170 kPa (41.000–46.000 psi) in der Legierung 7050, die für Befestigungselementanwendungen geeignet ist.

(Dieser Alterungsschritt der Ausscheidungsbehandlung wird anschließend in Schritt 26 von 1 durchgeführt).

Nunmehr sei erneut das Verfahren von 1 erläutert, wonach das unbehandelte Befestigungselement wahlweise chemisch geätzt, sandgestrahlt oder anderweitig bearbeitet wird, um seine Oberfläche aufzurauen, und danach in Chromsäurelösung eloxiert wird; Bezugszeichen bzw. Schritt 30. Chromsäurelösung ist handelsüblich erhältlich oder kann durch Lösen von Chromtrioxid in Wasser hergestellt werden. Die Chromsäurelösung hat vorzugsweise eine Konzentration von ca. 4% Chromat in Wasser und eine Temperatur zwischen ca. 32°C (90°F) und ca. 38°C (100°F). Das zu eloxierende Teil wird in der sanft bewegten Chromsäurelösung bei einer Gleichspannung von ca. 18–22 V als Anode geschaltet. Die Eloxierdauer beträgt vorzugsweise 30 bis 40 Minuten, aber auch mit kürzeren Zeiten sind gute Ergebnisse erbracht worden. Die Eloxieroperation erzeugt eine stark haftende Oxidoberflächenschicht mit einer Dicke von ca. 0,000254–0,000762 cm (0,0001–0,0003 Zoll) auf dem Teil aus Aluminiumlegierung, die das Anhaften der anschließend aufgebrachten organischen Beschichtung fördert. Eloxieren kann auch zum chemischen Versiegeln der Oberfläche des Teils aus Aluminiumlegierung verwendet werden. In diesem Fall wurde festgestellt, dass es nicht so wünschenswert ist, die Oberfläche auf diese Weise chemisch zu versiegeln, da die chemische Versiegelung die Tendenz hat, die starke Bindung der anschließend auf das Teil aus Aluminiumlegierung aufgebrachten Beschichtung zu beeinträchtigen.

Andere Eloxiermittel wurden auch mit verschiedenen Eloxierzeiten getestet. Schwefelsäure, Phosphorsäure, Borsäure und chemisches Ätzen waren in unterschiedlichem Maße brauchbar, aber nicht so erfolgreich bei der Erzeugung des gewünschten Typs einer Oxidoberfläche, der in einer starken Haftung der anschließend aufgebrachten Beschichtung resultiert.

In Schritt 22 wird ein Beschichtungsmaterial bereitgestellt, vorzugsweise in Lösungsform, so dass es sich problemlos und gleichmäßig aufbringen lässt. Die übliche Aufgabe des Beschichtungsmaterials ist der Schutz des Grundmetall, auf dem es aufgebracht wird, gegen Korrosion, einschließlich z. B. herkömmlicher elektrolytischer Korrosion, galvanischer Korrosion und Spannungskorrosion. Das Beschichtungsmaterial ist ein Ansatz mit hauptsächlich organischer Zusammensetzung, der aber Zusatzstoffe enthalten kann, um die Eigenschaften der endgültigen Beschichtung zu verbessern. Es wird wünschenswerterweise zunächst in einer Trägerflüssigkeit gelöst, so dass es auf ein Substrat bzw. Werkstück aufgebracht werden kann. Nach dem Aufbringen ist das Beschichtungsmaterial härtbar, um Gefügeänderungen in der organischen Komponente zu bewirken, bei denen organische Moleküle typischerweise vernetzt werden, um Adhäsion und Kohäsion der Beschichtung zu verbessern.

Eine derartige härtbare Beschichtung unterscheidet sich von einer nicht härtbaren Beschichtung, die andere Eigenschaften hat und für die vorliegende Anwendung als Korrosionsschutz nicht so geeignet ist. Bei einer nicht härtbaren Beschichtung wie Lack besteht keine Notwendigkeit, das beschichtete Teil zum Aushärten auf eine höhere Temperatur zu erwärmen. Die Überalterungsprobleme in Zusammenhang mit der Verwendung härtbarer Beschichtungsmaterialien, die die vorliegende Erfindung erforderlich gemacht haben, entstehen ganz einfach nicht.

Der Eloxierungsprozess, vorzugsweise in Chromsäure, der vor dem Aufbringen der Beschichtung durchgeführt wird, dient zur Förderung einer starken Bindung der organischen Beschichtung auf dem das Substrat bzw. Werkstück bildenden Teil aus Aluminiumlegierung. Die Bindung wird offensichtlich sowohl durch physikalische Verankerungseffekte als auch durch chemische Bindungseffekte bei der Chromataktivierung gefördert. Um den physikalischen Verankerungseffekt zu erzielen, wird wie zuvor erörtert die eloxierte Oberfläche nicht gegen das Eindringen von Wasser im Eloxierungsprozess chemisch versiegelt. Die anschließend aufgebrachte und ausgehärtete organische Beschichtung dient zum Versiegeln der eloxierten Oberfläche.

Eine Reihe härtbarer organischer Beschichtungsmaterialien sind verfügbar und für den vorliegenden Prozess brauchbar. Ein typisches und bevorzugtes Beschichtungsmaterial dieses Typs besteht aus Phenolharz, gemischt mit einem oder mehreren Weichmachern, anderen organischen Bestandteilen wie Polytetrafluorethylen und anorganischen Zusatzstoffen wie Aluminiumpulver und/oder Strontiumchromat. Diese Beschichtungskomponenten werden vorzugsweise in einem geeigneten Lösungsmittel einer Menge zur Erzeugung der gewünschten Auftragskonsistenz gelöst. Für das soeben oben beschriebene Beschichtungsmaterial ist das Lösungsmittel ein Gemisch aus Ethanol, Toluol und Methylethylketon. Eine typische spritzfähige Beschichtungslösung enthält ca. 30 Gew.-% Ethanol, ca. 7 Gew.-% Toluol und ca. 45 Gew.-% Methylethylketon als Lösungsmittel sowie ca. 2 Gew.-% Strontiumchromat, ca. 2 Gew.-% Aluminiumpulver, wobei der Rest aus Phenolharz und Weichmacher besteht. Wahlweise kann eine kleine Menge Polytetrafluorethylen hinzugefügt werden. Ein derartiges Produkt ist handelsüblich als "Hi-Kote 1" von der Hi-Shear Corporation, Torrance, CA, erhältlich. Der Hersteller empfiehlt eine Standard-Härtungsbehandlung von einer Stunde bei einer erhöhten Temperatur von 218°C–190°C (400°F ± 25°F).

Das Beschichtungsmaterial wird auf das unbehandelte Befestigungsteil aufgebracht; Schritt 24. Jede geeignete Vorgehensweise wie Tauchen, Spritzen oder Streichen kann angewendet werden. Bei der bevorzugten Vorgehensweise wird die in Lösungsmittel gelöste Lösung aus Beschichtungsmaterial auf die unbehandelten Nieten gespritzt. Das Lösungsmaterial wird aus der Beschichtung im aufgebrachten Zustand durch Trocknen entweder bei Raumtemperatur oder einer leicht erhöhten Temperatur entfernt, so dass das beschichtete Teil berührungstrocken ist. Vorzugsweise wird die Verdampfung des Lösungsmittels durch ein etwa zwei Minuten langes Flash-Verdampfen bei 93°C (200°F) erzielt. Das beschichtete Teil ist zu diesem Zeitpunkt nicht für den Einsatz geeignet, da die Beschichtung nicht hinreichend ausgehärtet ist und nicht hinreichend an dem Grundmetall aus Aluminiumlegierung anhaftet und da die Beschichtung nicht ausreichend kohärent ist, um mechanischer Beschädigung im Betrieb standzuhalten.

Im Fall des bevorzugten Hi-Kote 1 wurde die Beschichtung im aufgespritzten Zustand in einem Elektronenrastermikroskop einer EDS (energy dispersive spectrometry)-Analyse unterzogen. Der Anteil der schwereren Elemente in Gewichtsprozent betrug: Al 82,4%; Cr 2,9%; Fe 0,1%, Zn 0,7% und Sr 13,9%. Die leichteren Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff wurden in der Beschichtung nachgewiesen, aber nicht protokolliert, da die EDS-Analyse für solche Elemente im Allgemeinen nicht genau ist.

Das Grundmetall des Niets und die aufgebrachte Beschichtung werden zusammen auf eine geeignete erhöhte Temperatur erwärmt, Schritt 26, um zwei Ergebnisse gleichzeitig zu erzielen. Bei diesem einen Schritt wird die Aluminiumlegierung durch künstliches Altern mit Ausscheidungshärten auf ihren endgültigen gewünschten Festigkeitszustand wärmebehandelt und die Beschichtung wird auf ihren endgültigen gewünschten Bindezustand ausgehärtet. Vorzugsweise werden die Temperatur und Zeit bei der Behandlung in Schritt 26 wie erforderlich so gewählt, dass die gewünschten Eigenschaften des Aluminiumlegierungs-Grundmetalls erzielt werden, wie sie in den branchenüblichen und bewährten Prozessvorschriften für die betreffende Legierung auf Aluminiumbasis festgelegt sind. Diese Behandlung ist typischerweise nicht die vom Beschichtungshersteller vorgeschriebene und erbringt möglicherweise nicht den optimalsten Aushärtungszustand der Beschichtung, aber es wurde festgestellt, dass die Wärmebehandlung des Metalls geringfügige Abweichungen von der optimalen Behandlung weniger gut ausgleicht als die Aushärtbehandlung der organischen Beschichtung. Das heißt, der Erfinder hat nachgewiesen, dass beim Aushärten der Beschichtung größere Abweichungen hinsichtlich Zeit und Temperatur mit akzeptablen Ergebnissen hingenommen werden können als bei der Wärmebehandlung des Metalls. Im Gegensatz zu den Erwartungen und den Vorschriften des Herstellers weist die Beschichtung, die nach den nicht empfohlenen Verfahren ausgehärtet wird, eine einwandfreie Adhäsion am Werkstück aus Aluminiumlegierung und andere gute Betriebseigenschaften auf. Die Anwendung der empfohlenen Wärmebehandlung des Metalls erbringt also die optimalen physikalischen Eigenschaften des Metalls und äußerst gute Eigenschaften der Beschichtung.

Im Fall der bevorzugten Legierung 7050 auf Aluminiumbasis und der oben beschriebenen Beschichtung Hi-Kote 1 ist die bevorzugte Wärmebehandlung der Alterungsprozess durch Ausscheidungshärten T73 der Legierung 7050 für die Dauer von 4 bis 6 Stunden bei 121°C (250°F), gefolgt durch eine gleichmäßige Temperaturerhöhung von 121°C auf 179°C (250°F auf 355°F), Halten der Temperatur auf 179°C (355°F) für die Dauer von 8 bis 12 Stunden und der Abkühlung in Umgebungsluft auf Raumtemperatur.

Die künstliche Alterung durch Ausscheidungshärten, Schritt 26, bedeutet also erhebliche längere Zeiten auf der jeweiligen Temperatur und andere Temperaturen als vom Hersteller für die organische Beschichtung vorgeschrieben ist. Anfänglich gab es Bedenken, dass die höheren Temperaturen und längeren Zeiten, die die erforderlichen für das Standard-Aushärten der Beschichtung überschreiten, eine Verschlechterung der Beschichtung und ihrer Betriebseigenschaften verursachen würde. Diese Bedenken erwiesen sich als unbegründet. Die schematisch in den 4 bis 7 dargestellte endgültige Beschichtung 48 haftet fest auf dem Grundmetall aus Aluminiumlegierung und ist auch intern stark kohärent. (In den 4 bis 7 ist die Dicke der Beschichtung 48 vergrößert dargestellt, um sichtbar zu sein. In Wirklichkeit hat die Beschichtung 48 nach der Behandlung in Schritt 26 typischerweise eine Dicke von ca. 0,000762–0,00127 cm (0,0003–0,0005 Zoll)).

Der beschichtete und behandelte Niet 40 ist nun fertig zum Einbau bzw. Einsetzen; Schritt 28. Das Befestigungselement wird auf die für seinen Typ passende Weise eingesetzt. Im Fall des Niets 40 wird der Niet durch gefluchtete Bohrungen in zwei Passteilen 42 und 44 eingeführt und in Passkontakt gebracht wie in 4 dargestellt. Das vorstehende entfernte Ende 50 des Niets 40 wird gestaucht (plastisch verformt), so dass die Teile 42 und 44 mechanisch zwischen dem vorgefertigten Kopf 46 und einem geformten Kopf 52 des Niets gehalten werden. 7 zeigt den gestauchten Niet 40'' für den Fall des Senkkopfniets von 6, und die allgemeine Form der gestauchten Niete der anderen Niettypen ist ähnlich. Die Beschichtung 48 bleibt auf dem Niet selbst nach dem Stauchen haften wie in 7 dargestellt.

Der Einbauschritt zeigt einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung. Wäre die Beschichtung nicht auf dem Befestigungselement aufgebracht worden, wäre es erforderlich, ein viskoses Nassdichtmaterial in die Bohrungen und auf die Passflächen beim Stauchen des Niets aufzubringen, um die Berührungsflächen zu beschichten. Das Nassdichtmaterial ist für die Arbeiter möglicherweise toxisch, bei der Verarbeitung schmutzig und schwierig und erfordert aufwändige Reinigungsarbeiten der Werkzeuge und der frei liegenden Oberflächen der Teile 42 und 44 mit ätzenden chemischen Lösungen nach dem Einsetzen der Niete. Außerdem ist festgestellt worden, dass vorhandenes restliches Nassdichtmittel die Adhäsion später aufgebrachter Lackdeckbeschichtungen auf den Nietköpfen verhindert. Vor der vorliegenden Erfindung war die Vorgehensweise mit Nassdichtmittel die einzig durchführbare Technik, um ausreichende Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, obwohl es seit langem Bemühungen gibt, sie zu ersetzen. Die vorliegende Vorgehensweise der Beschichtung überwindet diese mit Nassdichtmitteln einhergehenden Probleme. Nassdichtmittel wird während des Einbaus nicht gebraucht und nicht verwendet. Außerdem haften die später aufgebrachten Lackdeckschichten gut auf den beschichteten Nietköpfen, was ein wichtiger Vorteil ist. Die Verwendung von Nassdichtmitteln macht das Lackieren der Nietköpfe manchmal schwierig, weil der Lack nicht gut haftet.

Die vorliegende Erfindung ist mit Nieten aus Legierung 7050 in die Praxis umgesetzt worden. Die zunächst im unbehandelten Zustand vorliegenden Niete wurden mit Hi-Kote 1 und einem anderen, aber chromfreien Beschichtungsmaterial Alumazite ZY-138 beschichtet. (Alumazite ZY-138 ist eine spritzfähige Beschichtung, die von der Tiodize Co., Huntington Beach, CA., erhältlich ist. Die Zusammensetzung enthält 2-Butanon-Lösungsmittel, organisches Harz und Aluminiumpulver). Die beschichteten Niete wurden einer Wärmebehandlung durch Ausscheidungshärten auf den Zustand T73 mit der künstlichen Alterungsbehandlung für die Dauer von 4 bis 6 Stunden bei 121°C (250°F), gefolgt durch eine gleichmäßige Temperaturerhöhung von 121°C auf 179°C (250°F auf 355°F), Halten der Temperatur auf 179°C (355°F) für die Dauer von 8 bis 12 Stunden und der Abkühlung in Umgebungsluft auf Raumtemperatur unterzogen.

Die beschichteten Niete wurden mechanisch gemäß MIL-R-5674 geprüft, um zu überprüfen, dass sie die Anforderungen hinsichtlich der doppelten Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von 282.695–317.170 kPa (41.000–46.000 psi) erfüllen, die von unbeschichteten Nieten erreicht werden. Bei der Prüfung lag die doppelte Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit mit 293.037–299.933 kPa (42.500–43.500 psi) innerhalb des zulässigen Bereichs. Zylindrische Längen jedes Typs der beschichteten Niete wurden auf einen Durchmesser gestaucht, der dem 1,6-Fachen ihres ursprünglichen Durchmessers entsprach, um ihre Einschlagfähigkeit zu prüfen. Es wurden selbst am Umfang der Stauchzone, in der die stärkste Verformung eintritt, keine Rissbildung und kein Abplatzen der Beschichtungen festgestellt. Außerdem wurde Niete eingebaut und anschließend wieder herausgenommen, um die Unverletztheit der Beschichtung mittels eines Elektronenrastermikroskops zu prüfen. Die Beschichtungen wiesen keine Anzeichen von Rissbildung, Abplatzen oder sonstige unzulässige Zustände oder Abweichungen auf. Das zuletzt genannte Ergebnis ist besonders wichtig und überraschend. Die Beschichtungen blieben selbst nach der starken Verformung durch den Stauchprozess auf den Nieten haften. Die Beschichtungen blieben also erhalten, um den Niet nach dem Einsetzen gegen Korrosion zu schützen, wodurch jegliche Notwendigkeit für die Verwendung von Nassdichtmitteln entfällt.

Wenn Aluminiumlegierungen auf Vergütungszustände der natürlichen Alterung behandelt werden auf die Weise, wie in 1 dargestellt, wird die Aluminiumlegierung aufgrund des Erwärmungsschrittes 26, der zum Härten der organischen Beschichtung erforderlich ist, überaltert. Bei manchen Anwendungen mit Befestigungselementen ist eine Überalterung der Aluminiumlegierung akzeptabel. Bei anderen Anwendungen resultiert eine Überalterung in unzulässigen Eigenschaften und ist zu vermeiden. 2A und 2B zeigen Verfahren, mit denen die Vorteile einer härtbaren organischen Beschichtung erzielt werden können, die auf Legierungen aufgebracht wird, die zu natürlich gealterten Vergütungszuständen behandelt werden.

Bei einer in 2A dargestellten Vorgehensweise wird der Nietevorrat aus Aluminiumlegierung bereitgestellt, der zur Wärmebehandlung durch Ausscheidungshärten auf einen natürlichen Alterungszustand ausgewählt ist; Schritt 32. Das Nietmaterial bzw. der Nietvorrat wird mit geringem Übermaß (d. h. größerem Durchmesser) verglichen mit dem zur konventionellen Verarbeitung ohne härtbare Beschichtung bereitgestellt. Die bevorzugte Aluminiumlegierung zum Ausscheidungshärten durch natürliche Alterung auf den Zustand T4 ist die Legierung 2117 mit einer nominalen Zusammensetzung aus 0,4–0,8 Gew.-% Magnesium, 3,5–4,5 Gew.-% Kupfer, 0,4–1,0 Gew.-% Mangan, 0,10 Gew.-% Chrom, 0,2–0,8 Gew.-% Silizium, 0,7 Gew.-% Eisen, 0,25 Gew.-% Zink, 0,15 Gew.-% Titan, maximal 0,05 Gew.-% von anderen Elementen, wobei die Summe der anderen Elemente nicht mehr als 0,15 Gew.-% betragen darf; der Rest ist Aluminium. Die Legierung 2117 ist von mehreren Aluminiumgesellschaften, einschließlich Alcoa, Reynolds und Kaiser handelsüblich erhältlich. Diese Legierung kann durch natürliche Alterung bei Raumtemperatur für die Dauer von mindestens ca. 96 Stunden auf den Zustand T4 ausscheidungsgehärtet werden, wobei eine Scherfestigkeit von ca. 179.270–208.850 kPa (26.000–30.000 psi) entwickelt wird. (Dieser Schritt der Wärmebehandlung zur natürlichen Alterung wird anschließend in Schritt 37 von 2A und 2B durchgeführt.) Diese Vorgehensweise ist auch für andere Legierungen möglich, die durch Ausscheidungswärmebehandlung zur natürlichen Alterung gealtert werden, wie beispielsweise die Legierungen 2017, 2024 und 6061.

Das Befestigungselement wird auf eine Größe verformt, die verschieden und typischerweise größer ist als die gewünschte endgültige Größe, Schritt 34, ein Zustand, den der Erfinder als "Übermaß normal" bezeichnet. Im Fall eines zylindrischen symmetrischen Niets wird das Nietmaterial vorzugsweise auf einen Durchmesser mit Übermaß normal gezogen, der typischerweise etwa 10 bis 15% größer ist als die gewünschte endgültige Größe. Das auf Übermaß normal gezogene Nietmaterial wird gemäß dem für die Aluminiumlegierung empfohlenen Verfahren lösungsgeglüht/geglüht; Schritt 36. Im Fall der bevorzugten Legierung 2117 erfolgt das Lösungsglühen/die Alterung eine Stunde lang bei 476–510°C (890–950°F), gefolgt von Abschrecken. Das Nietmaterial wird gemäß den Empfehlungen für die behandelte Legierung mindestens ca. 96 Stunden lang bei Raumtemperatur im Falle der Legierung 2117 natürlich gealtert; Schritt 37. Das gezogene und lösungsgeglühte/geglühte sowie gealterte Material wird danach durch Kaltverformung, typischerweise Ziehen, auf den endgültigen gewünschten Durchmesser in Schritt 38 verformt, ein Schritt, der als erneutes Ziehen oder Kaltverformung bezeichnet wird. (Für die vorliegenden Zwecke kann jedoch der Schritt 34 gleichwertig zum Verformen des Nietmaterials auf eine kleinere Größe als die gewünschte endgültige Größe angewendet werden, wobei der Schritt 38 verwendet werden kann, um das Nietmaterial auf die größere endgültige Größe z. B. durch Kaltstauchen zu verformen). Diese Kaltverformung bewirkt eine geringfügige Verformung des Niets. Das kaltverformte Nietmaterial wird wahlweise eloxiert, vorzugsweise in Chromsäurelösung, und bleibt vorzugsweise unversiegelt, Schritt 30, wobei die zuvor beschriebene Vorgehensweise angewendet wird. Das Beschichtungsmaterial wird als Lösung bereitgestellt, Schritt 22, und auf das Nietmaterial aufgebracht, Schritt 24. Die Schritte 30, 22 und 24 entsprechen den oben in Zusammenhang mit 1 beschriebenen und diese Beschreibungen werden hier miteinbezogen.

Das beschichtete Befestigungselementmaterial wird gehärtet; Schritt 26. Das bevorzugte Aushärten entspricht der Empfehlung des Herstellers und wird am meisten bevorzugt eine Stunde lang bei 204°C (400°F) durchgeführt, wie zuvor beschrieben worden ist. Es kann jedoch ein modifizierter Aushärtprozess angewendet werden, was vom Ausmaß der Kaltverformung des Befestigungselements in Schritt 38 abhängt. Der modifizierte Aushärtzyklus beträgt 45 Minuten bei 190°C (375°F) und hat gute bzw. akzeptable Ergebnisse erbracht, die die Anforderungen an das Beschichtungsmaterial erfüllen. Die Aushärtoperation kann zur Überalterung der Aluminiumlegierung führen, die normalerweise nur eine natürliche Alterung (bei Raumtemperatur) benötigt, um ihre volle Festigkeit zu erreichen. Es hat sich jedoch äußerst überraschend herausgestellt, dass die zusätzliche Kaltverformungsoperation in Schritt 38, die nach den Lösungsglühen/Glühen von Schritt 36 und der natürlichen Alterung von Schritt 37 durchgeführt wird, den Überalterungseffekt von Schritt 26 kompensiert und in einem fertigen Niet resultiert, der auf gute Eigenschaften der Aluminiumlegierung beschichtet und gealtert, aber nicht überaltert ist.

Bei einer Variante des Verfahrens nach 2A zur Wärmebehandlung und Beschichtung von Teilen, die auf einen natürlichen Alterungszustand zu behandeln sind, wie in 2B dargestellt wird das Nietmaterial aus Aluminiumlegierung mit Übermaß bereitgestellt; Schritt 32. Das Nietmaterial wird auf seine endgültige Größe gezogen oder geformt; Schritt 34. (Hier handelt es sich um einen von Schritt 34 in 2A verschiedenen Schritt, bei dem das Nietmaterial auf den Durchmesser mit Übermaß normal verformt wird.) Das gezogene Nietmaterial wird lösungsgeglüht/geglüht, Schritt 36, und natürlich gealtert; Schritt 37. Der Schritt 38 des Ziehens auf den endgültigen Durchmesser wie in 2A ist nicht erforderlich. Die restlichen Schritte 22, 30, 24, 26 und 28 entsprechen den in Zusammenhang mit 2A zuvor beschriebenen und werden hier miteinbezogen.

Das Verfahren gemäß 2B ist in der Praxis mit Aluminiumlegierung 2117 erfolgreich durchgeführt worden. Das Nietmaterial wurde mit einem Übermaßdurchmesser von ca. 0,508–0,521 cm (0,200–0,205 Zoll) bereitgestellt, Schritt 32, gegenüber einem herkömmlichen Ausgangsdurchmesser von 0,469–0,472 cm (0,185–0,186 Zoll). Das Nietmaterial mit Übermaß wurde in Schritt 34 auf einen Durchmesser von 0,469–0,472 cm (0,185–0,186 Zoll) gezogen und in Schritt 34 auf einen Durchmesser von 0,474–0,478 cm (0,187–0,188 Zoll) kaltgestaucht. Die anderen Schritte von 2B entsprachen den zuvor für die Aluminiumlegierung 2117 beschriebenen. Die erforderliche Festigkeit des T4-Vergütungszustands wurde erzielt und außerdem waren die Niete durch die anhaftende Beschichtung geschützt.

Bei den Verfahren gemäß den 2A und 2B resultiert die zusätzliche mechanische Verformung des Nietmaterials in den Schritten 34 und 38 aus dem ursprünglichen Übermaß-Durchmesser von Schritt 32 zusammen mit der zusätzlichen Erwärmung im Aushärtschritt 26 in einer endgültigen Festigkeit und anderen mechanischen Eigenschaften, die die geforderten Standards und Vorschriften für Befestigungselemente dieses Typs erfüllen. Die zusätzliche mechanische Kaltverformung hat die Tendenz, die mechanischen Eigenschaften über die zulässigen Grenzwerte hinaus zu erhöhen, während die zusätzliche Erwärmung beim Aushärten die mechanischen Eigenschaften wieder in den zulässigen Bereich absenkt. Eine exakte Abstimmung dieser Effekte ermöglicht es sogar, die mechanischen Eigenschaften am oberen oder unteren Rand des von den meisten Normen vorgeschriebenen Bereichs einzustellen. Die Behandlungsmodifikationen erbringen den weiteren wichtigen Vorteil, dass das Befestigungselement mit einer ausgehärteten Beschichtung beschichtet ist, die es gegen Korrosion schützt.

Manche Legierungen werden vor der Verwendung nicht lösungsgeglüht/geglüht und ausscheidungsgehärtet, sondern statt dessen im kaltverformten Zustand mit einem minimalen Ausmaß verformungsinduzierter Festigkeit verwendet. Der erforderliche verformte Zustand solcher Legierungen wäre offensichtlich nicht vereinbar mit der Erwärmung auf höhere Temperaturen zum Aushärten der Beschichtung. Es ist jedoch nachgewiesen worden, dass eine Behandlung wie die von 3 für eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Verwendung der Legierung in einem durch Verformung induzierten Zustand höherer Festigkeit sowie die Beschichtung mit einer härtbaren Beschichtung gestattet. Eine derartige bevorzugte Legierung ist 5056-H32 mit einer nominalen Zusammensetzung aus 4,5–5,6 Gew.-% Magnesium, 0,10 Gew.-% Kupfer, 0,05–0,20 Gew.-% Mangan, 0,30 Gew.-% Silizium, 0,40 Gew.-% Eisen, 0,05–0,20 Gew.-% Chrom, 0,10 Gew.-% Zink, maximal 0,05 Gew.-% eines anderen Elements, wobei die Summe der anderen Elemente nicht mehr als 0,15 Gew.-% betragen darf; der Rest ist Aluminium. Wenn die Legierung 5056 durch Kaltverformung mit einer etwa 2 bis 3%-igen Verkleinerung zur Erlangung des Zustands H32 verformt worden ist, weist sie eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von ca. 179.270–193.060 kPa (26.000–28.000 psi) auf. Wird die Legierung 5056 jedoch danach eine Stunde lang bei 204°C (400°F) erwärmt – die Standard-Aushärtbehandlung für das härtbare Beschichtungsmaterial – sinkt die Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit auf ca. 165.480–179.270 kPa (24.000–26.000 psi), das heißt auf den untersten Rand des zulässigen Festigkeitsbereichs, was für industrielle Anwendungen als zu niedrig erachtet wird, da Behandlungsschwankungen in Festigkeitswerten resultieren können, die unterhalb der Festigkeitsspezifikation für manche behandelten Teile liegen.

3 zeigt ein Verfahren, bei dem die erforderlichen mechanischen Eigenschaften erzielt werden, während gleichzeitig die Vorteile einer ausgehärteten Beschichtung für den bevorzugten Fall des Nietbefestigungselements gegeben sind. Das Aluminiummaterial 5056 wird in einem Anfangszustand mit Übermaß bereitgestellt; Schritt 70. Herkömmlicherweise wird beispielsweise ein Niet mit einem endgültigen Durchmesser von 0,474–0,478 cm (0,187–0,188 Zoll) aus Material gezogen, das zunächst einen Durchmesser von ca. 0,482–0,485 cm (0,190–0.191 Zoll) hat. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens von 3 hat das Vorstufenmaterial zunächst ein Übermaß von ca. 4–5% (d. h. einen Durchmesser von 0,495 cm (0,195 Zoll) im Fall eines Niets mit dem endgültigen Durchmesser von 0,474–0,478 cm (0,187–0,188 Zoll)). Das Material mit Übermaß wird vorzugsweise durch Kaltverformung auf den erforderlichen endgültigen Durchmesser verformt; Schritt 72. Da diese Niet-Vorstufe von einer Größe über der für das Erreichen des Zustandes H32 erforderlichen kaltverformt wurde, hat sie eine höhere Festigkeit als im Zustand H32 gefordert wird. Das Beschichtungsmaterial wird im Schritt 22 bereitgestellt und auf das Niet-Vorstufenmaterial im verformten Zustand aufgebracht; Schritt 24. Wahlweise kann das Niet-Vorstufenmaterial zum Aufrauen seiner Oberfläche behandelt und vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials vorzugsweise in Chromsäure eloxiert (aber vorzugsweise nicht chemisch versiegelt) werden, wie zuvor beschrieben worden ist.

Das beschichtete Niet-Vorstufenmaterial wird zur Durchführung des Standard-Aushärtzyklus von einer Stunde bei 204°C (400°F) oder des modifizierten Aushärtzyklus von 45 Minuten bei 190°C (375°F) erwärmt; Schritt 74. Der Aushärtzyklus bewirkt zweierlei. Erstens wird die Beschichtung ausgehärtet, so dass sie kohärent ist und am Aluminiumniet haftet. Zweitens wird das Aluminiummaterial teilgeglüht, um es zu erweichen. Die Teilerweichungsbehandlung verringert den Zustand der Kaltverformung des Niets von dem der Überkaltverformung (Schritt 72) auf den, der normalerweise durch die H32-Behandlung erzielt wird. Der Niet kann deshalb mit den Verfahren eingesetzt werden, die bereits für den 5056-H32-Niet bekannt sind. Der Niet unterscheidet sich von herkömmlichen 5056-H32-Nieten durch seine gehärtete Beschichtung.

Die Vorgehensweise gemäß 3 ist in der Praxis unter Verwendung der zuvor erläuterten Materialien und Abmessungen verwirklicht worden. Das zunächst in Schritt 70 mit Übermaß bereitgestellte Aluminiummaterial hat eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von 172.375–179.270 kPa (25.000–26.000 psi). Nach dem Ziehen in Schritt 72 hat das Material eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von 186.165–193.060 kPa (27.000–28.000 psi). Nach der Erwärmung in Schritt 74 hat der fertige Niet eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von 179.270–186.165 kPa (26.000–27.000 psi), die gut innerhalb des Bereichs für die erforderlichen vorgeschriebenen mechanischen Eigenschaften des Zustands H32 liegt. Zum Vergleich: hat das Aluminiummaterial zunächst kein Übermaß, sondern den herkömmlichen Ausgangsdurchmesser, hat der fertige Niet, der den übrigen Schritten 72, 22, 24 und 74 unterzogen wird, eine Höchst- bzw. Bruchscherfestigkeit von 165.480–179.270 kPa (24.000–26.000 psi) am äußersten unteren Rand des nach der H32-Vorschrift erforderlichen Bereichs, die wie zuvor erläutert zu niedrig für kommerzielle Verfahren bzw. industrielle Anwendungen ist.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung mit den Schritten:

    Bereitstellen eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung, das sich in einem unbehandelten Zustand befindet;

    Bereitstellen eines härtbaren organischen Beschichtungsmaterials, das bei etwa einer Wärmebehandlungstemperatur des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung härtbar ist;

    Aufbringen des organischen Beschichtungsmaterials auf das Befestigungselement aus Aluminiumlegierung, das sich nicht in seinem endgültigen wärmebehandelten Zustand befindet;

    und

    Wärmebehandeln des beschichteten Befestigungselements aus Aluminium auf seinen endgültigen wärmebehandelten Zustand, wodurch die organische Beschichtung gleichzeitig gehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Eloxierens des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung vor dem Aufbringen des organischen Beschichtungsmaterials auf dieses.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Eloxierungsschritt ohne chemisches Versiegeln des Elements während des Eloxierungsschrittes erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Eloxierungsschritt den Schritt des Eloxierens des Befestigungselements in einer Chromsäurelösung aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bereitstellung einer Befestigung aus Aluminiumlegierung den Schritt der Bereitstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung in seinem vollständig geglühten Zustand enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bereitstellung eines härtbaren organischen Beschichtungsmaterials den Schritt der Bereitstellung eines ein Phenolharz aufweisenden organischen Beschichtungsmaterials enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Aufbringens den Schritt des Spritzens des organischen Beschichtungsmaterials auf das Befestigungselement aus Aluminiumlegierung und des anschließenden Entfernens aller flüchtigen Bestandteile aus der aufgespritzten Beschichtung enthält.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wärmebehandlungsschritt den Schritt des Ausscheidungshärtens des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bereitstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung den Schritt der Bereitstellung eines Befestigungselements aus einer Legierung enthält, die aus der Gruppe Aluminiumlegierungen der Reihen 2000, 4000, 6000 und 7000 ausgewählt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Wärmebehandlungsschritt einen weiteren Schritt enthält, in dem ein erstes Teil an einem zweiten Teil unter Verwendung des wärmebehandelten Elements befestigt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Befestigungsschritt den Schritt der Durchführung der Befestigung ohne Verwendung jeglichen Nassdichtmittels zwischen dem Befestigungselement und den Teilen enthält.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bereitstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung den Schritt der Bereitstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung 7050 enthält, und bei dem der Wärmebehandlungsschritt den Schritt der Erwärmung des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung 7050 auf eine Temperatur von ca. 121°C (250°F) über eine erste Zeitspanne, gefolgt von der Erwärmung des Befestigungselements auf eine Temperatur von ca. 179°C (355°F) über eine zweite Zeitspanne enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Erwärmungsschritt die Erwärmung des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung 7050 auf eine Temperatur von ca. 121°C (250°F) über eine Zeitspanne von 4 bis 6 Stunden, gefolgt von der Erwärmung des Befestigungselements auf eine Temperatur von ca. 179°C (355°F) über eine Zeitspanne von 8 bis 12 Stunden, enthält.
  14. Befestigungselement aus Aluminiumlegierung, das gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist.
  15. Bei einem Luftfahrzeug aus Unterbaugruppen werden diese mittels Befestigungselementen aus Aluminiumlegierung aneinander befestigt, wobei die Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung wärmebehandlungsfähige Aluminiumlegierungen der Reihe 2000, 4000, 6000 und 7000 aufweisen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Befestigungselemente eine Scherbruchfestigkeit von 234.430 kPa (34.000 psi) bis 241.325 kPa (35.000 psi) haben.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Wärmebehandlungsschritt eine erste Wärmebehandlung der Befestigungselemente bei einer Temperatur von ca. 121°C (250°F) über 4 bis 5 Stunden, gefolgt von einer zweiten Wärmebehandlung bei ca. 179°C (355°F) über 8 bis 12 Stunden, aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Befestigungselemente eine Festigkeit von 282.695 kPa (41.000 psi) bis 317.170 kPa (46.000 psi) haben.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die organische Beschichtung ein Phenolharz und ein organisches Lösungsmittel aufweist.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Befestigungselemente aus der Bolzen, Schrauben und Niete umfassenden Gruppe gewählt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Befestigungselement aus Aluminiumlegierung ein Rohling eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung ist und bei dem das härtbare organische Beschichtungsmaterial einen vorherrschend organischen und bei einer Aushärttemperatur härtbaren nicht flüchtigen Anteil enthält, wobei das Verfahren vor dem Bereitstellen der härtbaren organischen Beschichtung des Weiteren den Schritt der Verformung des Rohlings des Befestigungselements in einen Rohling-Verformungszustand aufweist, der größer ist als der Verformungszustand des endgültigen Befestigungselements, und das Verfahren keinen Schritt der Lösungsbehandlung bzw. des Glühens enthält.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, das nach dem Verformungs- und vor dem Aufbringungsschritt einen weiteren Schritt des Eloxierens des Rohlings des Befestigungselements enthält.
  24. Befestigungselement, das gemäß dem Verfahren nach Anspruch 22 hergestellt ist.
  25. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements aus Aluminiumlegierung mit den Schritten:

    Bereitstellen eines Rohlingmaterials für Befestigungselemente aus Aluminiumlegierung, das zunächst im Vergleich mit der endgültigen erforderlichen Größe des Befestigungselements Übermaß hat;

    Lösungsbehandeln und Glühen des Rohlings des Befestigungselements;

    Verformen des Rohlings des Befestigungselements;

    Altern des Befestigungselements bei Raumtemperatur;

    Bereitstellen eines härtbaren organischen Beschichtungsmaterials, das einen nicht flüchtigen Anteil hat, der vorherrschend organisch ist und bei etwa einer Wärmebehandlungstemperatur des Rohlings des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung härtbar ist;

    Aufbringen des organischen Beschichtungsmaterials auf den Rohling des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung; und

    Wärmebehandeln des beschichteten Rohlings des Befestigungselements aus Aluminiumlegierung bei einer Temperatur und über eine Dauer, die zum Härten der organischen Beschichtung ausreichen.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, das vor dem Schritt des Aufbringens der organischen Beschichtung einen weiteren Schritt des Eloxierens des Rohlings des Elements enthält.
  27. Befestigungselement, das gemäß dem Verfahren nach Anspruch 25 hergestellt ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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