ZT68-hochfeste Aluminiumschraube: 600-MPa-Werkstoff, Wärmebehandlung und Kennwerte
Zusammenfassung
ZT68 ist eine von YF Zhichengjia selbst entwickelte kaltfließgepresste Aluminiumschraube der 600-MPa-Klasse, ausgelegt für Leichtbauverbindungen an Magnesium- und Aluminiumbauteilen von E-Fahrzeugen. Eine modifizierte 7xxx-Legierung (Al-Zn-Mg-Cu) wird über Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern auf MgZn₂-Ausscheidungshärtung gebracht. So steigt die Zugfestigkeit von branchenüblichen 420 MPa auf etwa 630 MPa, bei gleichzeitig ≥ 8 % Dehnung. Der Artikel erläutert Werkstoff, Wärmebehandlung und Leichtbau-Nutzen anhand gemessener Zug-, Keilzug-, Härte-, Salznebel- und Reibwert-Daten.
Inhaltsverzeichnis
Warum eine 600-MPa-Aluminiumschraube nötig ist
Leichtbau in E-Fahrzeugen ist eine ingenieurmäßig quantifizierte Rechnung: Branchendaten zeigen, dass jede 100 kg weniger Gesamtmasse die Reichweite um 6–8 % erhöht. Magnesiumlegierungen, die leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe überhaupt, wandern von kleinen Innenraumteilen zu Batteriepfannen, E-Antriebs-Gehäusen und anderen Feuchtbauteilen der Drei-E-Systeme. Mit dem Magnesium-Einsatz werden aber zwei Probleme klassischer Stahlverbindungselemente sichtbar: erstens die Kontaktkorrosion verschiedener Metalle – Magnesium liegt bei etwa -1,6 V, Stahl bei etwa -0,44 V. Der Potenzialunterschied ist groß, im Feuchten wirkt die Magnesiummatrix als Anode und korrodiert schnell. Zweitens die thermische Fehlanpassung – Magnesium dehnt sich etwa doppelt so stark aus wie Stahl. Bei Temperaturwechsel verformen sich Schraube und Gehäuse ungleichmäßig, die Vorspannung sinkt über die Zeit kontinuierlich ab.
Die branchenübliche Zwischenlösung ist die 6056-(AL9)-Aluminiumschraube mit etwa 420 MPa. Sie mildert Korrosion und Wärmeausdehnung ab, ist aber durch die Kaltfließ-Grenzfestigkeit begrenzt und reicht für die hohen Drehmomente und Lasten im E-Antrieb nicht aus. Genau an dieser Lücke setzt ZT68 an: Gleichzeitige Beibehaltung der Potenzial- und Wärmeausdehnungs-Anpassung an Aluminium/Magnesium bei einer Aluminiumschraube der 600-MPa-Klasse.
Werkstoff-System: die Logik der modifizierten 7xxx-Legierung
Aluminiumlegierungen werden nach ihrem Hauptlegierungselement in Reihen eingeteilt. Die 6xxx-Reihe (zum Beispiel 6061, 6056) nutzt Mg₂Si als Ausscheidungsphase, ist mittel fest und gut umformbar – die Basis der heutigen 420-MPa-Aluminiumschrauben. ZT68 setzt hingegen auf eine modifizierte 7xxx-Legierung (Al-Zn-Mg-Cu). Mit Zn, Mg und Cu lassen sich beim Auslagern nanoskalige Ausscheidungsphasen einstellen, die obere Festigkeitsgrenze liegt deutlich über der 6xxx-Reihe. Genau diese 7xxx-Familie ist der Standard in der Luft- und Raumfahrt.
Die eigentliche Ingenieur-Aufgabe liegt nicht darin, „7xxx auszuwählen", sondern darin, eine hochfeste 7xxx-Legierung kaltfließpresstechnisch verarbeitbar zu machen. Klassischer hochfester Aluminiumwerkstoff ist wenig umformbar, reißt beim Kaltfließpressen und lässt sich kaum in Serie zu Schrauben verarbeiten. ZT68 steuert die Ausscheidung der Mg-, Zn- und Cu-Phasen gezielt und kombiniert sie mit einem abgestuften Lösungsglühen, sodass nach dem Kaltfließpressen gleichzeitig hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit erreicht werden. Das unterscheidet ZT68 von zerspanten Aluminiumschrauben: Kaltfließpressen erhält die durchgehende Fließlinie, die Gewinde-Ermüdungsfestigkeit liegt über der zerspanter Teile, und Kosten sowie Taktzeit sind deutlich besser.
Wärmebehandlung: Wie aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern MgZn₂ wird
Die hohe Festigkeit von ZT68 entsteht über eine fein abgestimmte Wärmebehandlung, die in drei Schritte zerlegt werden kann:
- Lösungsglühen: Zn, Mg und Cu werden als gelöste Atome in die Aluminiummatrix eingebracht und bilden ein gleichmäßiges, übersättigtes Mischkristallgefüge – die Basis für die spätere Ausscheidungshärtung.
- Abschrecken: Schnelles Abkühlen „friert" das übersättigte Gefüge bei Raumtemperatur ein, die Legierung bleibt metastabil.
- Aushärten: Bei definierter Temperatur halten, damit feine, gleichmäßig verteilte Ausscheidungsphasen – vor allem die MgZn₂-Phase – aus dem übersättigten Mischkristall ausgeschieden werden. Wie unzählige kleine Nägel heften sie die Versetzungen und heben die Festigkeit deutlich an.
Mikroskopisch erreicht ZT68 ein feines, gleichmäßiges Korn ohne grobe Ausscheidungsphasen und ohne durchgehende spröde Verunreinigungen an den Korngrenzen (AlFe/AlSiFe-Phasen). Das gleichmäßige Gefüge verteilt Spannungen und hebt Zähigkeit und Festigkeit; der unterbrochene Korngrenzweg blockiert Korrosionsmedien und verbessert den Korrosionsschutz. Das nach dem Wärmebehandeln aufgebrachte Gewindewalzen setzt gleichmäßige Druckeigenspannungen in den Gewindegrund ein, wirkt den Betriebs-Zugspannungen entgegen und erhöht die Ermüdungsfestigkeit.
Gemessene Kennwerte: Zug, Keilzug, Härte, Drehmoment
Ausgehend von einer Sechskant-Flanschschraube M8×40 liegen die gemessenen Werte von YF Zhichengjia vor (Mittel aus fünf Parallel-Proben):
| Kennwert | ZT68 der 600-MPa-Klasse | Marktübliche 6056/AL9 der 420-MPa-Klasse | Steigerung |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit Rm | etwa 629 MPa (gemessen 628–630) | etwa 400–440 MPa | etwa +50 % |
| Streckgrenze Rp0.2 | etwa 510 MPa | etwa 350 MPa | etwa +43 % |
| Bruchdehnung | etwa 8,21 % (≥ 8 %) | ≥ 6 % | höhere Festigkeit bei gleichzeitiger Zähigkeit |
| Streckgrenzen-Verhältnis | etwa 0,81 | etwa 0,85 | größerer plastischer Reservenbereich |
| Vickers-Härte HV | 201–209, sehr enge Streuung | — | gleichmäßiges Gefüge |
| Abreißmoment | ≥ 25 N·m (M8×1,25) | — | konstante Montagedrehmomente |
Beim 6°-Keilzugversuch brachen alle fünf Proben im unbewirkten Gewindeabschnitt; Kopf und Schaft zeigten keine Risse oder Ausbrüche. Die zugehörige Zugfestigkeit lag bei 627–639 MPa. Das belegt, dass die kaltfließgepresste Verbindung zwischen Kopf und Schaft die sicherheitstechnischen Anforderungen der Fahrzeugkonstruktion erfüllt. Die sehr kleine Datenstreuung (alle Gruppen 628–630 MPa) bedeutet ausgezeichnete Chargenkonsistenz und ist damit ideal für automatisierte Montagelinien.
Korrosionsschutz, Temperaturbeständigkeit und Leichtbau-Nutzen
Korrosionsschutz: Blankes Aluminium ohne Schutz zeigt nach drei Tagen im neutralen Salznebel großflächigen Weißrost. Mit passender Eloxalschicht besteht ZT68 hingegen 60 Tage Dauer-Salznebel ohne sichtbaren Korrosionsangriff. Im Kontaktkorrosions-Versuch mit der Magnesiumlegierung AZ91 lautet die Risikoreihenfolge „Kohlenstoffstahl > ZT68 (7xxx) > 6056-Aluminium". Der Potenzialunterschied zwischen ZT68 und der Magnesiummatrix ist also klein – die Kontaktkorrosion Stahl/Magnesium wird damit von der Wurzel her abgeschwächt.
Temperaturstabilität: Nach 12 Stunden Dauer-Temperaturbelastung bei 150 °C bleibt die Zugfestigkeit über 600 MPa, die Dehnung liegt bei etwa 10 %, es gibt kein nennenswertes Kriech-Relaxieren. Zugleich ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium dem von Magnesium ähnlich, sodass Schraube und Gehäuse im Takt „gleichmäßig" wachsen und die Vorspannung deutlich langsamer abfällt als bei Stahlschrauben.
Leichtbau-Nutzen: Aluminium hat eine Dichte von 2,7 g/cm³, eine Schraube gleicher Größe ist etwa 65 % leichter als eine Stahlschraube. Durch kurze Eingriffs-Längen (bei weichen Al/Mg-Matrizen reichen 1,3–1,5 d) wird die Verbindung zusätzlich kompakter. Typische Anwendungen sind Magnesium-E-Motor-Gehäuse, Getriebe-Flansche, Batteriepfannen, Kühlplatten und leichte Lenker im Fahrwerk – also die feuchten, temperaturwechselnden Bauteile der Drei-E-Systeme und des Fahrwerks.
Die ingenieurmäßige Bedeutung von ZT68 liegt nicht allein darin, eine Aluminiumschraube von 420 auf 600 MPa zu heben. Sie löst in der Systemaufgabe „Al/Mg-Leichtbauverbindung" vier Probleme auf einmal: höhere Festigkeit, Potenzialanpassung, Wärmeausdehnungs-Anpassung und konstante Reibung. Die Schraube wird stärker, bleibt aber elektrisch und thermisch „auf Augenhöhe" mit der Magnesiummatrix.
Fazit: ZT68 in einer Merkkarte
ZT68 ist eine von YF Zhichengjia entwickelte kaltfließgepresste Aluminiumschraube der 600-MPa-Klasse. Werkstoff ist eine modifizierte 7xxx-Legierung (Al-Zn-Mg-Cu), die über Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern MgZn₂-Ausscheidungen bildet. Gemessen wurden Rm ≈ 629 MPa, Rp0.2 ≈ 510 MPa, Dehnung ≥ 8 %, HV 201–209 und Abreißmoment ≥ 25 N·m – etwa 50 % über dem Stand der 420-MPa-Aluminiumschrauben. Die Eloxalschicht besteht 60 Tage neutralen Salznebel, bei 150 °C bleibt die Festigkeit stabil, Potenzial und Wärmeausdehnung sind auf Magnesium abgestimmt, und die Schraube ist gegenüber Stahl um etwa 65 % leichter. YF Zhichengjia ist seit 2005 in Shenzhen ansässig und liefert Muster und begleitende Prüfungen für Leichtbauverschraubungen. Weitere Informationen hält die Technische Dokumentationsbibliothek bereit. Für eine Auslegung Ihres spezifischen Leichtbaufalls wenden Sie sich direkt an die Technik-Ingenieure.
