Wie fest sind Aluschrauben wirklich?

Zuerst wird das vage Wort „Festigkeit" auf konkrete Zahlen gebracht. Nach dem Datenblatt der hochfesten Aluminiumschrauben von YF Zhichengjia ergeben sich für Aluschrauben der Größen M6–M12 folgende Kennwerte der beiden Hauptwerkstoffe:

6056 ist nach dem Konzern-Standard VW60469 (2017-9) als EN AW-AlSiMgCuMn (Kurzzeichen AL9) gewählt und der branchenübliche Aluschrauben-Werkstoff. Doch mit etwa 420 MPa Zugfestigkeit wirkt es gegenüber den hohen Drehmomenten, hohen Lasten und langen Lebensdauern der NEV-Drei-E-Systeme oft zu schwach. ZT68 hingegen erreicht etwa 630 MPa Zugfestigkeit und etwa 500 MPa Streckgrenze, bleibt auch im Langzeiteinsatz bei 150°C über 600 MPa, ohne Kriechen oder Relaxation.

Im Vergleich zu Stahl: Festigkeit, Dichte, Gewicht

Vergleicht man Aluschraube direkt mit Stahlschraube in der Zugfestigkeit, gewinnt natürlich Stahl – eine 8.8er Stahlschraube bringt über 800 MPa, 10.9/12.9 noch mehr. Doch Leichtbau vergleicht nicht die Einzel-Festigkeit, sondern die spezifische Festigkeit und das Gewicht. Aluminium hat eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³, rund ein Drittel von Stahl; bei gleicher Größe spart die Aluschraube etwa 65 % Gewicht gegenüber der Stahlschraube.

Damit ist die Aluschraube nicht der „Stahl-Ersatz für hohe Last", sondern das Mittel, um in Leichtbauweisen aus Magnesium/Aluminium die Verbindung mit passendem Werkstoff leicht und korrosionsarm zu machen. Bei Batteriewannen und E-Antriebsgehäusen, die ohnehin aus Magnesium-Aluminium-Druckguss bestehen, würde die Stahlschraube das im nächsten Abschnitt geschilderte Kontaktkorrosions-Problem erst auslösen.

Drei einzigartige Vorteile

• Kurzer Eingriff: Die Aluschraube in Mg/Al-Bauteilen braucht nur 1,3–1,5d Eingriffslänge (d = Nenndurchmesser), die Stahlschraube üblicherweise 2–3d. Der Boss kann kleiner, leichter und kompakter ausgeführt werden.
• Keine Kontaktkorrosion: Aluschraube hat zu Magnesium das nahe, zu Aluminium das gleiche elektrochemische Potential – zwischen ihnen entsteht kaum Kontaktkorrosion. Magnesium liegt bei etwa −1,6 V, Stahl bei etwa −0,44 V, eine große Differenz; die Stahlschraube in Magnesium bildet leicht ein Lokalelement.
• Wärmeausdehnungs-Abgleich: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Alu passt gut zur Mg/Al-Matrix, bei Temperaturwechseln verformt sich die Verbindung synchron, das senkt den Vorspannungs-Abfall von Grund auf und behebt Lockerung, Undichtheit und Fahrgeräusch.

Wann einsetzbar

Die Aluschraube, insbesondere die ZT68-Klasse, ist für Leichtbau-Strukturen aus Mg/Al im NEV-Umfeld gemacht und passt zu Temperaturwechsel, Hochfrequenz-Schwingung und Feuchte-Korrosion:

• E-Antrieb: Magnesium-Motorgehäuse, Getriebe-Flansch, E-Steller-Gehäuse; langfristig hoch temperaturbelastet (bis 150°C) mit hohem Drehmoment, der Wärmeausdehnungs-Abgleich dämmt den Vorspannungs-Verlust ein.
• Fahrzeugbatterie: Magnesium-Batteriewanne, Gehäuserahmen, Wasserkühlplatte; Potentialabgleich beseitigt Kontaktkorrosion von der Quelle, eloxierte Teile bestehen stabil 60 Tage NSS.
• Leichtbau-Fahrwerk: Mg/Al-Lenkarm, Radträger, Hilfsrahmen; das nach der Wärmebehandlung gewalzte Gewinde baut Eigendruck im Gewindegrund auf, der der Zugspannung entgegenwirkt und die Dauerfestigkeit hebt.
• Große Mg-Druckgussteile: Instrumententafel-Träger, Innenraum-Leichtbau, die kaltfließ-einteilige Ausformung sichert gleichmäßige Festigkeit.

Wann nicht einsetzbar

Die Aluschraube ist kein Allheilmittel, folgende Grenzen sind einzuhalten:

• Höchstbelastete tragende Hauptverbindungen: Wo höchste Vorspannung und höchste Wechselbelastung wirken, bleiben Festigkeit und Steifigkeit der Stahlschraube erste Wahl – nicht um des Leichtbaus willen gewaltsam auf Alu wechseln.
• Paarung mit Stahl-Grundwerkstoff: Die Aluschraube im Stahlteil dreht die Kontaktkorrosions-Relation um; eine Trennbeschichtung ist zu prüfen.
• Reibbeiwert-Führung: Alu ist plastisch, im Streckbereich verläuft die Spannung beim Anziehen ruhig, die Drehmoment-Vorspannungs-Beziehung unterscheidet sich von Stahl. ZT68 regelt den Gesamt-Reibbeiwert (μtot) über ein dreistufiges Schmiersystem exakt auf 0,09–0,15; ohne Reibbeiwert-Führung streut die Klemmkraft stärker.

Auswahl-Empfehlung

Ein oft übersehener Punkt bei Aluminiumschrauben ist die Langzeit-Relaxation. Unter Dauerlast und erhöhter Temperatur entspannt sich die Vorspannung auch dann, wenn die Streckgrenze rechnerisch ausreicht. Deshalb wird bei ZT68-Bauteilen nicht nur die Anfangsfestigkeit, sondern der Vorspannungserhalt über tausend Stunden bei 150 Grad Celsius geprüft. Im Einbau heißt das: Beim ersten Anziehen eine etwas höhere Ausgangsvorspannung vorsehen und nach der Einfahrzeit eine Kontrolle vornehmen. Auch die Wärmedehnung der Schraube muss zur Dehnung der Aluminium- oder Magnesium-Matrix passen; liegt sie zu weit auseinander, baut sich im Temperaturwechsel eine zusätzliche Wechselspannung auf. Wer diese Effekte von Anfang an einkalkuliert, erhält eine leichte und zugleich dauerhaft dichte und ruhige Verbindung.

Konstrukteure fragen oft, ob man eine Aluminiumschraube durch eine Stahlschraube ersetzen kann, wenn die Festigkeit nicht reicht. Die Antwort hängt vom Gegenwerkstoff ab: In einer Aluminium- oder Magnesium-Matrix löst der Tausch auf Stahl genau das Kontaktkorrosions-Problem aus, das die Aluschraube gerade vermeidet. Besser ist es, die Legierung zu variieren oder die Eingriffslänge zu vergrößern, statt das bewährte Leichtbaukonzept über den Haufen zu werfen. Bei extrem hohen Lasten bleibt natürlich auch die Stahlschraube die erste Wahl, doch genau diese Grenzen sollten bewusst und nicht durch zufällige Ersatzentscheidungen gezogen werden. YF Zhichengjia hilft Ihnen, die Schnittmenge aus Leichtbau, Korrosionsschutz und Festigkeit sauber herauszuarbeiten.