Aluminiumskruv - lång

Kort version

1  Varför aluminiumskruv?

Idag ställs allt större krav på konstruktionslösningar och materialval som kan leda till viktreducering i  våra fordon och därmed även potential att reducera bränsleförbrukningen. Ett steg i rätt riktning är att införa lättviktsmaterial (exempelvis aluminium och magnesium) i kaross, drivlina, chassi m.m.

Hopfästningen av de tyngre komponenterna sker oftast med skruv och trenden går mot att använda aluminiumskruvar för att först och främst fästa aluminium- eller magnesiumkomponenter ihop med varandra. Idag används aluminiumskruvar mestadels i motor- och växellådskonstruktioner, till exempel för att fästa ihop växellådshalvorna samt växellåda och kopplingshus.

Jämfört med stålskruvar har aluminiumskruvar följande positiva egenskaper:

• Lägre vikt per skruv (lägre densitet).
• Bättre korrosionsegenskaper.
• Mindre klämkraftsförlust då skruvförbandet utsätts
  för temperaturcykling i höga temperaturer.
• Stabilare friktionsegenskaper.
• Kortare gängingreppslängd.
• Mindre inverkan av yttre axiella laster.
• Bättre återvinningsmöjligheter.

2  Materialval

Materialvalet för aluminiumskruvar har genom åren utvecklats och i fordonsapplikationer används idag oftast en höghållfast AlSi1MgCuMn-legering. Materialet är standardiserat, enligt EN 573-3 och ISO 8839, och har beteckningen EN AW-6056 men kallas även för Al9. Några av fördelarna med detta material:

• Höghållfast.
• Hög korrosionsbeständighet.
• Ingen korrosionskänslighet pga spänningssprickor.
• Stabilt upp till 150 ºC.
• Tillgängligt i tråd.
• God processbarhet vid kallformning.
• Goda krypegenskaper i rumstemperatur.
• Goda krypegenskaper i höga temperaturer upp till 150ºC.

I tabell 1 presenteras några olika aluminiumbaserade legeringar som används eller har använts under årens lopp vid tillverkning av aluminiumskruvar. De flesta, med undantag för EN AW-6056, anses antingen ha relativt dålig korrosionsbeständighet eller för låg hållfasthet.

Tabell 1. Material- och kemiska beteckningar för legeringar i aluminiumskruvar.

Material beteckning	EN AW-5056	EN AW-2017	EN AW-7075	EN AW-7050	EN AW-6056
Kemisk beteckning	AlMg5	AlCu4MgSi	AlZn5,5MgCu	AlZn6CuMgZr	AlSi1MgCuMn

Tabell 2. Kemisk sammansättning för EN AW-6056 (referens EN 573-3) [%].

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti + Zr
0,70-1,3	max 0,50	0,50-1,1	0,40-1,0	0,60-1,2	max 0,25	0,10-0,7	0,20 max

3  Tillverkningsprocess

Aluminiumskruvar dras från tråd och kallformas till rätt geometri, varefter ämnena värmebehandlas (med vissa undantag, exempelvis är EN AW-5056 inte härdbar). Aluminiumlegeringens speciella egenskaper fås genom diffusionskontrollerad urskiljningshärdning av hållfasthetshöjande faser i mikrostrukturen. Med god kontroll på tråd, deformationsgrad samt värmebehandling får man en finkornig mikrostruktur. En finkornig mikrostruktur ger bland annat en förbättrad draghållfasthet, sträckgräns och utmattningshållfasthet.

Till skillnad från stålskruvar brukar aluminiumskruvar vanligtvis gängas efter värmebehandling. Fördelen är att man inför tryckspänningar i gängorna, vilket bland annat leder till förbättrade dynamiska hållfasthetsegenskaper. Allt som kan förbättra de dynamiska hållfasthetsegenskaperna är bra eftersom dagens aluminiumskruvlegeringar ligger en faktor 3 – 4 lägre än motsvarande stålskruv i hållfasthetsklass 8.8 och 10.9. 

Vanligtvis brukar man inte ytbehandla aluminiumskruvar. En vaxbehandling av färdig skruv ger de friktionsegenskaper som är förbestämda enligt slutkundens önskemål, se kap 5 Smörjning och ytbehandling.

En slutlig fas i tillverkningsprocessen är slut- eller efterkontroll av färdig produkt. Man tittar speciellt på gängor och skruvhuvud där man mäter och kontrollerar geometriska mått samt undersöker om det finns några sprickor.

4  Geometriska aspekter

Den primära rekommendationen för aluminiumskruvar är att använda hexalobulär greppgeometri, vanligtvis kallad för Torxgrepp. Den här typen av grepp ger en fördelaktigare kraftöverföring mellan monteringsverktyget och skruven eftersom det uppstår areabaserade kontaktzoner i ingreppet mellan verktyget och skruvhuvudet. Med Torxgrepp kan högre åtdragningsmoment överföras. I fallet med sexkantsgrepp uppstår linjekontakt vilket kan ge högre deformationer och slitage.

Figur 1. Sexkantsgrepp med linjekontakt mellan skruvhuvud och monteringsverktyg.

Figur 2. Torxgrepp med areabaserad kontakt mellan skruvhuvud och monteringsverktyg.

Areabaserade kontaktzoner ger lägsta möjliga kontakttryck på flankerna, vilket är att eftersträva för aluminiumskruvar med förhållandevis låg brotthållfasthet jämfört med stålskruvar i hållfasthetsklasserna 8.8 och 10.9.

Eftersom aluminium är mer känsligt för spänningskoncentrationer än stål bör man använda hexalobulär (invändig eller utvändig) greppgeometri på aluminiumskruvar. Både fästelementleverantörer och användare av aluminiumskruvar rekommenderar hexalobulär greppgeometri på den här typen av skruvar.

Att använda hexalobulärt grepp på aluminiumskruvar och sexkantsgrepp på stålskruvar kan vara ett smart sätt att minska förväxlingsrisken i en stor monteringsfabrik med många olika sorters fästelement. Ett annat sätt som brukar användas för att minska förväxlingsrisken i monteringsfabriker där man vanligtvis har både stål- och aluminiumskruvar med hexalobulär greppgeometri är färgmarkering på toppen av aluminiumskruvhuvudet.

5  Smörjning och ytbehandling

I de flesta fall är fästelementen torrvaxade med friktionsegenskaper enligt kundens önskemål. Det kommer dock allt hårdare krav på friktionsegenskaperna, bl a ska friktionsegenskaperna bibehållas vid upprepad dragning. Detta medför att man utvecklar nya ytbehandlingar som möter dessa krav.

6  Hållfasthet

6.1 Statiska hållfasthetsegenskaper i rumstemperatur

Tabell 3. Hållfasthetsvärden för Al9.

Material	Hårdhet [HB 2.5/62.5]	Sträckgräns i drag min Rp0.2 [MPa] 1)	Brottgräns i drag min Rm [MPa]	Brottförlängning min A [%] 1)
Al9	115 - 140	350	400 - 450	8

1) Uppmätt på skruv med en klämlängd av 2 x d.  

Tabell 4. Hållfasthetsvärden för stålskruv i hållfasthetklass 8.8 respektive 10.9.
(enligt ISO 898-1). 

Material	Hårdhet [HB, F = 30D]	Sträckgräns i drag min [MPa]	Brottgräns i drag min Rm [MPa]	Brottförlängning min A [%] 1)
4.8	124 - 238	ReL 2) = 320 2)	400	14
8.8	238 - 304	Rp0.2 = 640 3)	800	12
10.9	304 - 361	Rp0.2 = 940 3)	1040	9

1) Uppmätt på skruv med en klämlängd av 2 x d.
2) Undre flytgräns eller sträckgräns.
3) Proportionalitetsgränsen med 0.2 % kvarstående förlängning.

6.2 Statiska hållfasthetsegenskaper i förhöjda temperaturer

Ett generellt krav är att hållfasthetsegenskaperna (läs dragbrotthållfastheten) inte får sjunka med mer än 10 % vid temperaturcyklingar från rumstemperatur och upp till 150 ºC.
                   Rm,150 ºC = 360 MPa (minimum)

För att undvika självlossningsproblem bör man inte ha vaxemulsioner som vid höga temperaturer ger en friktionskoefficient som understiger 0.06.

6.3 Dynamiska hållfasthetsegenskaper

De dynamiska egenskaperna beror bland annat på skruvens och de klämda delarnas geometrier, materialegenskaperna samt storleken på påkänningen och spänningsamplituden.

Exempel:
Om man studerar ett cylindriskt format M10-förband med klämda delar av aluminium med klämlängden 50 mm och ytterdiametern 38 mm, och belastar förbandet med en yttre axiell last av FA = 10 kN, se Figur 3.

 
Figur 3. Kraft-Förlängingsdiagram med stål- och aluminiumskruv.

Om man konstruerar förbandet med en M10 stålskruv kommer tillskottskraften p.g.a. den yttre belastningen av 10 kN att vara 1.3 kN. Ifall man istället konstruerar med en M10 aluminiumskruv sjunker tillskottskraften till 0.6 kN p.g.a. skillnaden i fjäderkonstant (E-modul).

Den beräknade amplitudspänningen fås genom sambandet:

                         σa = ± Fb,A/2As

där Fb,A är skruvens tillskottskraft p.g.a. yttre last och As är skruvens nominella spänningsarea.

Stålskruvsförbandet i ovanstående exempel skulle utsättas för σa = ± 12 MPa och aluminiumskruven skulle uppnå ett motsvarande värde av σa = ± 5 MPa.

Maximum tillåten spänningsamplitud för stålskruvar i hållfasthetsklasserna 8.8 och 10.9 brukar vanligtvis ligga inom intervallet 50 – 60 MPa. Aluminium har betydligt sämre utmattningsegenskaper än höghållfast stål. Aluminiumskruvar tillverkade i Al9-material har en maximum tillåten spänningsamplitud av ± 15 MPa.

Aluminiumskruvarnas dåliga utmattningsegenskaper brukar kompenseras något av att den uppkomna tillskottskraften är lägre än för stålskruvar p.g.a. aluminiums förhållandevis låga E-modul (70 GPa).

7  Åtdragning

De relativt låga hållfasthetsegenskaperna hos aluminiumskruvar leder till att många användare sträckgränsdrar skruvarna för att kunna få ut bästa möjliga förspänning.

Exempel:
Momentmontering av M10-förband med skruvar i hållfasthetsklasserna 8.8, 10.9 samt Al9 med en friktionskoefficient av µ = 0.10 – 0.16 samt maskinspridning av maximalt ± 15 %.

Skruvmaterial	Al9	8.8	10.9
Minimum förspänning	8,8 kN	16,5 kN	21,3 kN

Tabell 5. Minimum förspänning vid momentmontering (elastisk dragning).

Med sträckgränsdragning av Al9 kommer man upp i en förspänningsnivå på runt 18.1 kN som minimum, dvs mer än en fördubbling av förspänningsnivån vid momentdragning.

8  Ingreppslängd

Med konstruktionskriteriet att skruven ska vara den svagaste länken i ett skruvförband ställs det krav på att ingreppslängden ska vara tillräckligt lång för att uppfylla detta krav.

Tabell 6. Minimum rekommenderade ingreppslängder för Al9-skruvar dragna i två olika gjutgodsmaterial.

Pressgjuten aluminiumlegering	Pressgjuten magnesiumlegering
AlSi9Cu3	AZ91
Rm = 240 - 275 MPa	Rm = 200 MPa
Ingreppslängd = 1,2 x d	Ingreppslängd = 1,3 x d

I tabell 6 presenteras minimum rekommenderade ingreppslängder för aluminiumskruv dragen i två olika lättmetallegeringar. De rekommenderade ingreppslängderna är inklusive avfasningar och ofullständiga gängor.

9 Korrosion

Galvanisk korrosion kommer att uppstå om man använder stålskruvar för hopmontering av klämda artiklar av magnesium. Anledningen är den stora skillnaden i elektrokemiska potentialen (E0). Isolering med brickor (t ex aluminium) eller en speciell typ av korrosionsskydd är ett måste i sådana konstruktionsfall. Men att använda aluminiumskruvar (utan något extra korrosionsskydd) istället för stålskruvar kommer att förbättra situationen och resultera i stabilare korrosionsegenskaper. Det kommer i vissa fall att leda till ett billigare alternativ samt potential att få en lättare konstruktionslösning.

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se