连接元件、带有连接元件的连接结构、连接元件的制造方法和相应的连接方法
阅读说明：本技术 连接元件、带有连接元件的连接结构、连接元件的制造方法和相应的连接方法 (Connecting element, connecting structure with connecting element, method for producing connecting element and corresponding connecting method ) 是由 丹尼尔·荣克维茨 丹尼斯·亨克 于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造至少两个部件之间的连接的连接元件,该连接元件包括：位于第一轴向端处的头部、位于与第一轴向端相对的第二轴向端处的端部、以及布置在端部和头部之间的轴,其中,轴限定连接元件在第一轴向端和第二轴向端之间的纵向轴线。根据本发明,连接元件的至少轴和端部包括硬化的边缘层,使得轴和端部的材料在内部具有与边缘层的相邻表面相比更低的硬度。(The invention relates to a connecting element for producing a connection between at least two components, comprising: the connecting element includes a head at a first axial end, an end at a second axial end opposite the first axial end, and a shaft disposed between the end and the head, wherein the shaft defines a longitudinal axis of the connecting element between the first axial end and the second axial end. According to the invention, at least the shaft and the end of the connecting element comprise a hardened edge layer, so that the material of the shaft and the end has a lower hardness on the inside compared to the adjacent surface of the edge layer.)
技术领域
本发明涉及一种用于建立至少两个部件之间的连接的连接元件、一种由借助于连接元件连接的至少第一部件和第二部件构成的连接结构、一种连接元件的制造方法、以及一种用于借助于连接元件将至少第一部件连接到第二部件的方法。
背景技术
用于在两个部件之间建立连接的连接元件通常包括头部、轴以及端部。连接元件的具体结构取决于所需的应用领域，因此连接元件在现有技术中已知有多种不同的设计。
例如，DE 10 2010 025 359 A1描述了一种作为连接元件的钉，用于基本上无旋转地轴向驱动到至少一个非预冲压部件中。作为连接元件的钉包括钉头、钉轴和钉尖，其中钉轴包括在一些部分中的表面轮廓。根据其径向深度，表面轮廓的部分具有比钉轴低的硬度。
在DE 10 2014 019 322 A1中公开了另一种用于连接至少两个部件的连接元件，尤其是固定螺栓。所述连接元件包括尖部和轴部，所述尖部和轴部的性质不同，其中所述连接元件形成为一体件。例如，尖部具有比轴部更高的强度。
DE 103 28 197 B3涉及一种紧固元件，例如螺栓或钉。紧固元件包括轴，在轴的一端设置有尖端，而在另一端设置有头部。紧固元件包括相对较硬的含碳钢的芯部区和较不硬的低碳钢的铁素体边缘区。过渡区布置在轴和尖端之间，其中铁素体边缘区的厚度从轴朝向尖端逐渐减小到接近零的值。
在DE 10 2007 000 485 B3中描述了另一种紧固元件。紧固元件包括相对较硬的含碳钢的内部的芯部区、以及相对于芯部区的第一低碳奥氏体钢的外部的边缘区，所述第一低碳奥氏体钢与第一合金金属合金化。在芯部区和周边区之间布置至少一个第二低碳钢的第一中间区，该第一中间区域的硬度低于芯部区的钢的硬度。
最后，US 2003/014260A1也公开了一种紧固元件。该紧固元件包括第一尖端支承轴段，该第一尖端支承轴段与后续的第二轴段相比具有更大的硬度。
利用已知的连接元件，由具有最大600-800MPa的抗拉强度的材料制成的部件目前可以在高速螺栓固定范围内可靠地连接。从该强度等级开始出现料块的分离和/或连接元件的失效。因此，已知的连接元件在横向固定在由高强度或超高强度钢制成的部件中时失效，该部件在连接部分中没有被预冲压，其中元件的尖端应该完全穿透该部件。
因此，本发明的问题是提供一种连接元件，利用该连接元件，可以在不使连接元件失效并且不使料块分离的情况下，以一步法实现由抗拉强度在800MPa以上的范围内的高强度钢或超高强度钢制成的部件的单侧连接。此外，本发明的问题是提供相应的连接结构、连接元件的制造方法和连接两个部件的方法。
发明内容
上述问题通过根据独立权利要求1的连接元件、根据独立权利要求6的连接结构、根据独立权利要求8的连接元件的制造方法、以及根据独立权利要求13的将至少第一部件与第二部件连接的方法来解决。有利的实施例和进一步的扩展由以下描述、附图以及所附权利要求产生。
本发明的用于在至少两个部件之间建立连接的连接元件包括：在第一轴向端处的头部、在与第一轴向端相对的第二轴向端处的端部、以及布置在端部和头部之间的轴，该轴限定连接元件的在第一轴向端和第二轴向端之间的纵向轴线，其中，连接元件的至少轴和端部包括硬化的边缘层，使得轴和端部的材料在内部中具有与边缘层的相邻表面相比更低的硬度。
因此，本发明的连接元件包括已知的头部、轴和端部。优选地，端部和轴特别地形成为一体件。特别优选的是，整个连接元件，即，头部、轴和端部形成为一体件。同样地，连接元件优选地仅由一种材料构成。这尤其适用于轴和端部。
轴在头部和端部之间的延伸部分还以常规的方式限定了连接元件在第一轴向端和第二轴向端之间的纵向轴线，由于其位置和走向，该纵向轴线也被称为中心纵向轴线。优选地，轴形成为圆柱形。
此外，本发明的连接元件包括硬化的边缘层。该硬化的边缘层的优点在下文中基于作为连接元件的固定螺栓来描述。在这方面，连接元件优选地选自包括以下的组：固定螺栓、半空心自冲铆钉、实心自冲铆钉、空心铆钉和螺钉。
在以通常的方式，例如通过冷成型制造连接元件之后，至少轴和端部，优选地整个连接元件，例如固定螺栓，在进一步的加工步骤中被边缘层硬化。根据连接元件的原材料或材料，可实现高达1200HV 10的高边缘硬度-同时具有“柔软和延展性”的内部。因此，对于作为连接元件的示例性的固定螺栓，特别地，轴在内部是不变的。在本文中，1200HV 10的硬度描述了在10千磅的测试力或作用力下1200的维氏硬度(HV)。
这些边缘层硬化的连接元件的优点在于当将连接元件，即例如固定螺栓，固定在由高强度钢或超高强度钢制成的部件中时。因此，本发明的连接元件可以放置在由抗拉强度超过800MPa，优选超过1200MPa，特别优选高达2000MPa或至少高达1500MPa的钢制成的部件中，而不分离料块，并且端部不变形。
除了加工窗口已经被扩展之外，还存在增加的缺口杆冲击功以及因此增加的延展性，这可以归因于与硬化的边缘层相比连接元件的软内部。缺口杆冲击功或缺口杆冲击强度是用于连接元件的突变应力和/或动态应力的度量。该应力不仅出现在连接过程期间，而且如果连接元件必须在部件载荷下将至少两个部件保持在一起，则该应力也出现在后面的连接结构中。这种增大的缺口杆冲击功或缺口杆冲击强度对于利用连接元件形成的连接具有有利的效果，因为例如在连接元件的进一步加工期间较大的温度差或连接结构上的机械载荷可由连接元件承受而不会对连接造成任何不利影响。
在连接元件的有利实施例中，至少轴和端部的材料被淬火和回火。通过这种方式，与未淬火和未回火的材料相比，取决于用于形成边缘层的步骤，边缘层的硬度可以进一步增加。淬火和回火是指例如钢的金属的组合热处理，包括硬化和随后的回火。因此，淬火和回火的先决条件是所用钢的淬透性，即在一定条件下形成稳定的马氏体或贝氏体结构的能力。为了自我硬化，首先需要将钢快速加热到奥氏体化温度以上。然后，通过使用淬火剂(优选水、油(聚合物浴)或空气)将钢淬火，即，将加热的材料快速冷却。最后，进行回火或蓝退火工艺，这是一种热处理，其中钢被专门加热以影响其性能，特别是减少应力。
此外，边缘层的硬化优选通过氮化、感应硬化、火焰硬化、激光束硬化、电子束硬化或渗碳来实现。这里氮化是特别优选的，尤其是气体氮化。特别地，氮化允许待硬化的连接元件被加工为散状材料，这除了有利的加工时间之外还导致经济的加工方法。
在连接元件的可替代的优选实施例中，连接元件的至少轴和端部，优选地整个连接元件，包括材料涂层，该材料涂层提供比轴和端部的材料更大的硬度。代替使用连接元件的材料，在此使用单独的涂层来产生硬化的边缘层。所得到的技术效果优选地对应于上面已经讨论的技术效果。
本发明的连接结构包括通过本发明的连接元件连接的至少第一部件和第二部件。关于所得到的优点和技术效果，因此参考关于本发明的连接元件的上述说明，以避免不必要的重复。
在连接结构的优选实施例中，第一部件布置成邻近连接元件的头部，第二部件布置成邻近连接元件的端部，其中，第二部件包括钢，特别是热成型钢，所述钢具有至少800MPa的抗拉强度，特别是具有800MPa至2000MPa的抗拉强度或至少在800MPa和1,500MPa之间的抗拉强度。本发明的连接元件的具有外部的硬边缘部分和与其相比更软的芯部的具体设计确保了没有料块从由抗拉强度至少为800MPa的钢制成的第二部件分离。以这种方式，也避免了不利的噪声生成。
本发明的连接元件的本发明的制造方法包括以下步骤：提供连接元件，特别是通过冷成型或车削提供连接元件，该连接元件具有位于第一轴向端处的头部、位于与第一轴向端相对的第二轴向端处的端部、以及布置在所述端部和所述头部之间的轴，轴限定连接元件在第一轴向端和第二轴向端之间的纵向轴线，并且硬化连接元件的至少轴和端部，使得轴和端部包括硬化的边缘层，由此轴和端部的材料在内部具有与径向相邻表面相比更低的硬度。根据本发明的制造方法制造上述本发明的连接元件。关于优点和由此产生的技术效果，因此参考上述解释以避免重复。
在制造方法的优选实施例中，这包括在连接元件硬化之前的以下步骤：对连接元件的至少轴和端部进行淬火和回火。该步骤的优点在于，与用于连接元件的非淬火和非回火材料相比，尤其是在使用诸如氮化的方法时，可以进一步增加后面的边缘层的硬度。
还优选的是，制造方法在硬化步骤中包括以下步骤：氮化、感应硬化、火焰硬化、激光束硬化、电子束硬化或渗碳，或者至少在连接元件的轴和端部处施加涂层。对于各个方法的优点，参考上述说明。
有利地，用于连接元件的材料包括冷成型钢。以这种方式，例如，可以通过冷成型将固定螺栓成本有效地制造为连接元件。
本发明的用于借助于本发明的连接元件将至少第一部件连接到第二部件的方法包括以下步骤：将第一部件和第二部件布置成一个在另一个之上，将所述连接元件固定至一个在另一个之上地设置的第一部件和第二部件的布置中，其中所述连接元件的固定优选地基本上无旋转地进行。基本上无旋转的固定也可以被描述为连接元件的只平移固定。在连接部分中未被预冲压并且将彼此连接的部件中执行该固定。在固定过程结束时，取决于所使用的连接元件，连接元件的端部优选地穿透两个部件，但至少穿透面向头部的部件。关于所得到的优点，参考关于本发明的连接元件的上述说明，以避免重复。
优选地，第一部件布置成与头部相邻，第二部件布置成与连接元件的端部相邻，其中，第二部件包括钢，特别是热成型钢，所述钢具有至少800MPa的抗拉强度，特别是具有800MPa至2000MPa的抗拉强度或至少在800MPa和1,500MPa之间的抗拉强度。如开始所解释的，在这种部件的情况下存在连接元件的端部将塑性变形的风险。由于硬化的边缘层，该风险被最小化或优选地被消除。
在该方法的优选实施例中，第一部件布置成与头部相邻，第二部件布置成与连接元件的端部相邻，其中，在没有冲头料块分离的情况下发生第二部件的穿透。本发明的连接元件的具有外部硬边缘部分和与其相比更软的芯部材料的具体设计使得不存在料块从由抗拉强度至少为800MPa的钢制成的第二部件分离成为可能。以这种方式，也避免了不利的噪声生成。
附图说明
以下，参照附图对本发明进行详细说明。在附图中相同的附图标记指示相同的部件和/或元件。其中：
图1是连接元件的横截面，
图2是固定在由高强度钢或超高强度钢制成的部件中的连接元件的立体图，
图3是固定在由高强度钢或超高强度钢制成的部件中的连接元件的立体图，
图4是固定在由高强度钢或超高强度钢制成的部件中的根据本发明实施例的连接元件的立体图，
图5是本发明连接元件的实施例的端部的显微照片或显微剖面，
图6是硬化的边缘部分的图，
图7是缺口杆冲击功和硬度的图，
图8是本发明的连接元件的制造方法的实施例的流程图，以及
图9是利用连接元件连接两个部件的本发明方法的实施例的流程图。
具体实施方式
参照图1，连接元件1以固定螺栓的形式示出。关于该形式的细节，参考DE 102006002 238 A1，其内容通过引用结合于此。
代替作为连接元件1的固定螺栓，也可以使用半空心自冲铆钉、实心自冲铆钉、空心铆钉、螺钉等作为连接元件，并且下面的描述相应地适用于这些连接元件。关于形状的细节，半空心自冲铆钉参见DE 10 2012 102 860 A1、DE 10 2015 118 888 A1和DE 10 2019102 383 A1，实心自冲铆钉参见D E 10 2018 128 455和DE 10 2019 102 380，空心铆钉参见DE 20 2005 005 536 U1和EP 1 710 454 A1，这些文献也被引入作为这方面的参考。
再次参考图1，连接元件1包括已知的位于第一轴向端处的头部10、位于第二轴向端处的端部20(在这种情况下为尖端)、以及布置在其间的轴30。轴30在第一轴向端和第二轴向端之间限定连接元件1的纵向轴线L，由于纵向轴线L的位置，该纵向轴线L也可称为中心纵向轴线。
连接元件1的头部10包括平坦的上侧12、圆柱形的周面和平坦的下侧14。平坦的下侧14具有与轴30相邻的环形槽16，用于接收头部侧部件的珠状或隆起状的材料堆积，这在将连接元件1固定至至少两个部件时是特别有利的。
环形槽16包括与轴30相邻的圆形周面，该圆形周面一方面切向地过渡到轴30，另一方面切向地过渡到锥形面中。以这种方式，特别是当面对头部的部件的材料沿着连接方向上升时，该材料可以容纳在环形槽16中。
轴30形成为圆柱形，并且至少在子部分中具有用于接收材料的表面轮廓32，该材料优选为背离头部的部件A的材料。通过这种方式，连接元件1特别可靠地固定在至少一个部件中。
端部20(在这种情况下为尖端)直接邻接轴30。
现在参照图2说明已知连接元件的缺点，其示出了固定在由高强度钢或超高强度钢制成的部件中的连接元件的立体图。所使用的连接元件包括450HV 10的硬度，即，在10千磅的测试力或作用力下为450的维氏硬度(HV)。由于由高强度或超高强度钢制成的部件的高抗拉强度，使用已知的连接元件导致连接元件的端部26的塑性变形。此外，料块40与该部件分离。然而，由于噪声的形成，这是不利的，即使部件仅可从一侧接近。总的来说，以这种方式进行的连接因此可以被归类为是不可接受的。
图3示出了固定到由高强度钢或超高强度钢制成的部件中的另一连接元件的立体图。这里使用的连接元件包括8级硬度，硬度为600HV 10。连接元件的硬度的增加不仅导致脆性的增加，而且还导致端部变形的减少。从图3可以看出，料块仍留在眼孔处。在这种情况下，特别地，动态载荷可能导致料块的松动。这又会导致对阴极浸渍涂层的损害，尤其是在制造汽车车身时，使得在用连接元件对部件进行进一步加工时，在该部分中不存在腐蚀保护。因此，这种连接也是不利的，因为它不适合于可能的进一步的加工步骤或下游的加工步骤。
现在参照图4，示出了根据本发明的实施例的连接元件的立体图，该连接元件固定至由高强度或超高强度钢制成的部件。因此，至少连接元件的轴和端部，优选地整个连接元件，包括硬化的边缘部分24。根据用于连接元件的材料，使用硬化的边缘部分24导致可实现高达1200HV 10的硬度。
图5示出了连接元件的端部20的显微照片或显微剖面，以说明材料的变化。边缘部分24的硬化通过氮化，特别是气体氮化来实现。除了氮化之外，优选任一其中所提供的连接元件可以作为散状材料被进一步加工的方法，即不需要单独的加工。
如结合图5和图6可以看到的，硬化的边缘部分24延伸到连接元件的内部大约1.2毫米。两种连接元件材料34Cr4和42CrMo4的硬度曲线或级数如图6所示。通过氮化，这些材料的硬度高达900HV 0.3，并朝着芯部方向线性降低。氮化深度，即硬化的边缘层24的深度，可以通过氮化持续时间可靠地调节。
通过使用边缘层硬化的连接元件，抗拉强度为1200MPa的钢材料可在不分离料块和端部不变形的情况下连接。此外，例如，钢(例如抗拉强度高达2,000MPa(例如1,500MPa)的热成型钢)可以以大约1.2毫米的厚度连接。
除了当固定连接元件时加工窗口已经被扩展之外，还存在增加的缺口杆冲击功以及因此增加的延展性。缺口杆冲击功或缺口杆冲击强度是连接元件的突变应力和/或动态应力的度量。该应力不仅出现在连接过程期间，而且如果连接元件必须在部件载荷下将至少两个部件固定在一起，则该应力也出现在后面的连接结构中。这种增大的缺口杆冲击功或缺口杆冲击强度可归因于连接元件1内部的芯部26，该芯部26与硬化的边缘部分24相比是软的。考虑到不同的材料，例如，通过将材料从C67改为34Cr4，并使用氮化工艺，缺口杆冲击功可以增加10倍，如图7所示。
这种性质的一个优点是对后面的连接结构有影响。硬的边缘部分和相对软的芯部的组合导致连接元件在随后的加工步骤中被可靠地紧固，而不管硬化的边缘部分。例如，这适用于通过连接元件连接的两个部件的后期人工老化。
例如，其中使用连接元件的连接结构包括面向头部的第一部件和背离头部的第二部件。各部件通过本发明的连接元件的实施例连接。在此，连接元件的端部可以穿透两个部件。可选地，连接元件的端部布置在背离头部的部件中。类似地，连接元件可以仅固定在部件之一中并且随后焊接到第二部件上。
优选地，部件中的一个，特别是背离头部的部件B，由抗拉强度至少为800MPa的钢构成。因此，背离头部的部件B或下面的部件B由高强度钢或超高强度钢制造。由于连接元件的特定设计，当将连接元件如上所述地固定在这样的部件B中时以及当穿透部件B时，端部20的塑性变形以及连接元件的断裂的风险被降低或优选地消除。另外，连接元件防止料块从由抗拉强度至少为800MPa的钢制成的第二部件分离或切断。
图8示出了连接元件的制造方法的实施例的流程图。优选地，连接元件至少在轴和端部由可冷成型的钢构成。此外，连接元件有利地选自以下组：固定螺栓、半空心自冲铆钉、实心自冲铆钉、空心铆钉、螺钉等。
在制造过程中，在第一步骤A中，特别是通过冷成型或车削提供连接元件，该连接元件具有在第一轴向端处的头部、在与第一轴向端相对的第二轴向端处的端部、以及在端部和头部之间布置的轴，其中，所述轴限定所述连接元件在所述第一轴向端和所述第二轴向端之间的纵向轴线。
在可选的步骤C中，然后执行连接元件的至少轴和端部的淬火和回火，优选整个连接元件的淬火和回火。关于淬火和回火的细节可参考上述说明。
在最后的步骤B中，进行连接元件的至少轴和端部、优选整个连接元件的硬化，使得轴和端部包括硬化的边缘层，由此，轴和端部的材料在内部具有比径向相邻的表面较低的硬度。硬化步骤包括氮化、感应硬化、火焰硬化、激光束硬化、电子束硬化或渗碳中的任一种(步骤D1)，或者硬化步骤包括至少在连接元件的轴和端部处施加涂层(步骤D2)。根据一个实施例，以这种方式制造上述本发明的连接元件。
最后并参考图9，示出了用于通过连接元件的实施例将第一部件A连接到第二部件B的方法的实施例的流程图。在第一步骤I中，进行第一部件A和第二部件B一个在另一个之上的布置。在随后的第二步骤II中，将连接元件固定至一个布置在另一个之上的第一部件和第二部件的布置中，其中连接元件的固定基本上是无旋转的。基本上无旋转的固定也可以被描述为连接元件的只平移固定。
如已经讨论的，在固定期间，第一部件被布置为邻近于头部，第二部件被布置为邻近于连接元件的尖端，并且两个部件都没有在连接部分中被预冲压。第二部件尤其由抗拉强度至少为800MPa的钢构成。第二部件B的穿透在没有料块分离的情况下发生。正是本发明的连接元件的特定设计使得可以不从由具有至少800MPa的抗拉强度的钢制成的第二部件分离料块。
6.附图标记：1连接元件、10头、12上侧、14下侧、16环形槽、20端部、22塑性变形的端部、24硬化的边缘层、26芯部、30轴、32表面轮廓、40料块、A部件、L纵向轴线。
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