Leichtbau im Elektrofahrzeug: Wie Aluminiumschrauben Strukturgewicht einsparen
Zusammenfassung
Gewichtseinsparung ist ein zentraler Hebel für mehr Reichweite von Elektrofahrzeugen – und Verbindungselemente gehören oft zu den vergessenen Stellschrauben. Aluminiumschrauben besitzen etwa ein Drittel der Dichte von Stahl und ersetzen an Triebstrang- und Gehäuseverbindungen Stahlschrauben, ohne die Verbindungfestigkeit einzubüßen. Der Beitrag verbindet reale Aluminiumschrauben-Werkstoffkennwerte wie AW-6056 und ZT68 mit der Fertigungstechnik und erklärt, warum Aluminiumschrauben kurzen Eingriff erlauben, Kontaktkorrosion mit Mg/Al vermeiden und wo die technischen Grenzen liegen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum der Leichtbau bei den Verbindungselementen beginnt
- Das Werkstoffsystem der Aluminiumschrauben: AW-6056 und ZT68
- Kurzer Gewindeeingriff: Die mechanische Logik von 1,3d bis 1,5d
- Kontaktkorrosion: Die natürliche Passung von Aluminiumschrauben und Leichtmetall
- Fertigungsverfahren: Kaltfließpressen, Lösungsglühen-Auslagern und Gewindewalzen
- Auswahl und ingenieurmäßige Empfehlungen
Jede Gewichtsminderung bei Elektrofahrzeugen verbessert Reichweite und Energieverbrauch. Bei Karosserie-Strukturteilen werden bereits große Anteile in Aluminium- und Magnesium-Druckguss ausgeführt; bleiben die zugehörigen Verbindungselemente dagegen aus Stahl, ist das nicht nur schwer, sondern birgt zudem Kontaktkorrosionsrisiken. Aluminiumschrauben mit rund einem Drittel der Stahldichte verbinden ihre Funktion mit synchroner Gewichtsminderung und werden so zu einer wichtigen Wahl für Triebstrang- und Leichtmetallgehäuse-Verbindungen.
Warum der Leichtbau bei den Verbindungselementen beginnt
Ein Fahrzeug trägt mehrere tausend Schrauben. Werden die mittel- und hochfesten Schrauben an den wichtigsten Verbindungspunkten konsequent von Stahl auf Aluminium umgestellt, summiert sich die Gewichtsminderung beträchtlich. Noch wichtiger ist: Aluminiumschrauben liegen im elektrochemischen Potential nahe bei den gefügten Aluminium- und Magnesiumteilen, was Kontaktkorrosion zwischen Stahlschraube und Leichtmetall von der Quelle her vermeidet – gerade in feucht-heißer und salziger Umgebung entscheidend. Aluminiumschrauben sind natürlich weniger fest als Stahlschrauben gleicher Nennweite, daher sind sie kein „überall einsetzbarer Ersatz“, sondern ein gezielter Ersatz an Stellen, an denen die Festigkeit ausreicht und der Gewichtsvorteil groß ist.
Das Werkstoffsystem der Aluminiumschrauben: AW-6056 und ZT68
Als hochfeste Aluminiumschrauben-Werkstoffe dienen in der Praxis überwiegend aushärtbare Al-Si-Mg-Cu-Legierungen. Nach dem Werkstoffnormenblatt des Volkswagen-Konzerns VW 60469 ist AW-6056 (EN AW-AlSiMgCuMn, Werkstoffkennzeichen AL9) eine typische Güte mit etwa 0,7 %–1,2 % Si, 0,65 %–0,85 % Cu, 0,6 %–1,0 % Mg und 0,55 %–0,65 % Mn. Im Bereich M6–M12 erreichen 6056-Aluminiumschrauben eine Zugfestigkeit von rund 420 MPa, eine Streckgrenze von etwa 350–600 MPa und eine Bruchdehnung von mindestens 7 %.
Für höhere Festigkeitsanforderungen steht ZT68 zur Verfügung: Zugfestigkeit bis etwa 630 MPa, Streckgrenze rund 500 MPa, Dehnung mindestens 6 %, Härte etwa 187–204 HV. Nach Wärmebelastung liegt der Festigkeitserhalt noch über 95 % – ein Wert, der für Triebstrang- und Temperaturwechsel-Umgebungen wichtig ist.
| Vergleich | Stahlschraube (10.9/12.9) | AW-6056-Aluminiumschraube | ZT68-Hochleistungsaluminiumschraube |
|---|---|---|---|
| Relative Dichte | ca. 7,85 g/cm³ | ca. 2,7 g/cm³ (1/3 von Stahl) | ca. 2,7 g/cm³ |
| Zugfestigkeit | über 1000 MPa | ca. 420 MPa | ca. 630 MPa |
| Streckgrenze | über 900 MPa | ca. 350–600 MPa | ca. 500 MPa |
| Typische Eingriffslänge | ca. 2d–3d | ca. 1,3d–1,5d | ca. 1,3d–1,5d |
| Kontaktkorrosion mit Mg/Al | deutliches Potentialgefälle | potentialnah, weitgehend vermieden | potentialnah, weitgehend vermieden |
Kurzer Gewindeeingriff: Die mechanische Logik von 1,3d bis 1,5d
Werden Aluminiumschrauben auf Aluminium- oder Magnesiumbauteilen eingesetzt, genügt üblicherweise eine Eingriffslänge von 1,3d bis 1,5d (d = Nenndurchmesser), während Stahlschrauben in weichen Werkstoffen oft 2d bis 3d benötigen. Der Grund: Aluminiumschraube und Fügeteil-Werkstoff sind sich sehr ähnlich, die Gewindefestigkeit passt zueinander – es tritt nicht der Fall ein, dass „die Schraube intakt bleibt, aber das Grundgewinde zuerst ausreiht“. Kurzer Eingriff bedeutet, dass der Boss (Gussansatz) kleiner und dünner dimensioniert werden kann, was weiterem Leichtbau und Bauraumgewinn dient.
Wichtig: Die Drehmoment-Dehnungs-Kurve von Aluminiumschrauben verläuft im Streckbereich verhältnismäßig flach. In der Praxis eignet sich daher das Drehwinkelverfahren deutlich besser als ein Übertragen von Erfahrungswerten für Stahlschrauben.
Kontaktkorrosion: Die natürliche Passung von Aluminiumschrauben und Leichtmetall
Wenn eine kohlenstoffstählerne Schraube mit der Magnesiumlegierung AZ91D in Kontakt kommt, ist das Potentialgefälle zwischen Magnesium und Eisen groß. Unter feucht-warmen Bedingungen treten an der Bohrungsöffnung des Magnesiumteils Korrosionsgruben und Abplatzungen auf. Eine Aluminiumschraube hingegen liegt potentialnah zum Magnesiumteil; um die Bohrungsöffnung ist kaum Korrosion sichtbar, zum Aluminiumteil ist sie gar potentialgleich. Genau darin liegt der Kernwert von Aluminiumschrauben auf Leichtmetallgehäusen von Elektrofahrzeugen: Man spart Gewicht und beseitigt zugleich das Korrosionsrisiko im Multimaterial-Verbund.
Fertigungsverfahren: Kaltfließpressen, Lösungsglühen-Auslagern und Gewindewalzen
Der typische Prozesspfad hochfester Aluminiumschrauben lautet: Kaltfließpressen → Lösungsglühen → Aushärten (Auslagern) → Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung → Reinigen und Sortieren. Beim Lösungsglühen wird die Schraube auf etwa 480–530 °C erwärmt, sodass Mg, Si, Cu und weitere Elemente in den Mischkristall übergehen und einen übersättigten Zustand bilden. Danach erfolgt eine mehrstündige Tieftemperaturauslagerung bei 150–200 °C, in der feine, dispers verteilte Ausscheidungen die Festigkeit steigern.
Aluminiumschrauben werden bewusst nach der Wärmebehandlung gewalzt: Einerseits verbessert dies die mechanischen Eigenschaften, andererseits wird im Gewindegrund Druckeigenspannung eingebracht, der Kerb-effekt gemindert und so die Dauerfestigkeit erhöht. Zugleich senkt es die Empfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion und das Risiko von Gewindeschäden beim Einschrauben.
Auswahl und ingenieurmäßige Empfehlungen
- Festigkeitsgerechte Stellen bevorzugt mit Aluminiumschrauben: Gehäuse, Deckel, Halterungen – Stellen mit mittlerer absoluter Festigkeitsanforderung und großem Gewichtsvorteil.
- Werkstoff nach Last wählen: Für gewöhnliche Gehäuse AW-6056; bei höherer Traglast und höheren Festigkeitsansprüchen ZT68 prüfen.
- Eingriffslänge mit 1,3d–1,5d auslegen, Boss-Ansätze können gleichzeitig verkleinert und im Gewicht reduziert werden.
- Anziehen im Drehwinkelverfahren und das Drehmomentfenster neu auf die Streckgrenze der Aluminiumschraube abbilden.
- Zu Al/Mg-Teilen passend kombinieren, um den Potentialangleich zu nutzen und Kontaktkorrosion zu vermeiden.
Der Wert von Aluminiumschrauben liegt nicht nur im „Leichtsein“, sondern in der „Abstimmung des Materialsystems“: Es stellt die Verbindungselemente auf das gleiche Potential und die gleiche Festigkeitsklasse wie das Leichtmetallgehäuse – Leichtbau und Korrosionsschutz werden gemeinsam gelöst.
Fazit
Im Leichtbau von Elektrofahrzeugen sind Aluminiumschrauben ein typisches „kleines Teil mit großer Wirkung“: Die Dichte beträgt rund ein Drittel von Stahl, AW-6056 und ZT68 spannen den Festigkeitsbereich von 420 MPa bis 630 MPa auf, der kurze Eingriff von 1,3d–1,5d lässt Gussansätze kompakter werden, und die Potentialanpassung an Al/Mg vermeidet Kontaktkorrosion. Prozessseitig gewährleisten Kaltfließpressen, Lösungsglühen-Auslagern und Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung die Eigenschaften. YF Zhichengjia beherrscht Kaltfließpressen und Wärmebehandlung hochfester Aluminiumschrauben und liefert Muster, Prüfung und Auswahlunterstützung für AW-6056, ZT68 und vergleichbare Güten.
