Die Erfindung betrifft ein Halbhohlnietelement für eine Nietverbindung zumindest zweier Bauteile nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Nietverbindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Im Automobilbau erfolgt die Herstellung einer Fahrzeug-Karosserie in einer vollautomatisierten Prozesskette, bei der grob vereinfacht zunächst zum Beispiel Aluminiumhalbzeuge (Blech- und Gusswerkstoffe sowie Profile) oder deren Kombination mit Stahlwerkstoffen in einer Mischbauweise bereitgestellt werden, anschließend mittels einer Nietverbindung zusammengefügt werden und daraufhin in zum Beispiel einem KTL-Verfahren auf deren Sichtseite lackiert werden.

Ein gattungsgemäßes Nietverfahren wird mittels eines Halbhohlnietelementes durchgeführt, das einen Nietkopf mit daran anschließendem Hohlschaft aufweist. Das Halbhohlnietelement durchstößt beim Nietvorgang das in der Nietrichtung erste Bauteil und wird in das zweite Bauteil eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restmaterialstärke zwischen dem Halbhohlnietelement und der dem Halbhohlnietelement abgewandten Bauteil-Seite.

Das Halbhohlnietelement kann bevorzugt aus einem Drahtwerkstoff, etwa einem Kaltstauchstahl, hergestellt werden. Im Anschluss erfolgt eine Oberflächenveredelung, bei der eine Korrosionsschutzschicht auf das Halbhohlnietelement aufgetragen wird. Dies erfolgt in gängiger Praxis durch ein mechanisches Trommelverfahren, wobei die Korrosionsschutzschicht ZnSnAI (Almac) mechanisches Zink oder ZnSn aufweist (zinkhaltige Korrosionsschutzschicht). Die Beschichtung erfolgt in einem sauren Bad innerhalb einer rotierenden Trommel. Das Zinn (speziell bei Almac) wirkt als vergleichsweise weiches Metall als ein Haftvermittler, der die Korrosionsschutzschicht auf der Metalloberfläche des Halbhohlnietelementes hält. Nach dem Auftragen der Korrosionsschutzschicht kann eine Warmauslagerung (Tempern) der beschichteten Nietelement durchgeführt werden, um eine Wasserstoffversprödung der beschichteten Nietelemente zu vermeiden.

Die oben spezifizierte Korrosionsschutzschicht (Almac, ZnSn und mechanisches Zn) ergibt bei Verwendung des Nietelementes in der vollautomatischen Prozesskette im Automobilbau die folgende Problematik: So bildet das Zink zusammen mit Zinn bei ca. 200°C ein Eutektikum, was zu einer Perlenbildung im Bereich des Nietkopfes führt, die auf dem fertigen, lackierten Produkt zu erkennen sind. Zudem führt die Almac®-Beschichtung aufgrund ihrer Prozeßführung (mechanisches Trommelverfahren) zu einem erhöhten Abrieb bei der Handhabung der Nietelemente. Der Abrieb hat einen negativen Einfluss auf die in der Prozesskette eingesetzte Förder- und Zuführtechnik der Setzwerkzeuge in Form von Verschmutzungen bzw. Kaltaufschweißungen, die sich über die Nietförderzyklen in der Produktion immer weiter aufbauen und zu Störungen führen.

Zur Beseitigung dieser beiden Nachteile müsste in der vollautomatisierten Prozesskette in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt die Perlenbildung beseitigt werden und in einem zusätzlichen Wartungsschritt die Förder- und Zuführtechnik mit hoher Regelmäßigkeit gewartet werden, was mit einem hohen prozess- und fertigungstechnischen Aufwand verbunden ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Halbhohlnietelement bereitzustellen, mit dem in prozess- und fertigungstechnisch einfacher Weise eine für die oben genannten vollautomatisierte Prozesskette geeignete Nietverbindung bereitstellbar ist.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 wird die Korrosionsschutzschicht des Halbhohlnietelementes unter Bildung eines Zweischichtsystems von einer Deckschicht überdeckt, mit der der Reibwert des Halbhohlnietelementes reduziert ist. Erfindungsgemäß ist die Korrosionsschutzschicht im Hinblick auf ihre Isolierfähigkeit optimiert, während die Deckschicht dahingehend optimiert ist, den Nietvorgang prozesssicher zu gestalten. Eine Weglassung der Deckschicht würde zu einem erhöhten Reibwert des Halbhohlnietelementes führen, wodurch die Gefahr besteht, dass beim Setzvorgang das Material des ersten Bauteiles in das Material des zweiten Bauteiles gezogen wird und die geschlossene Kontur des zweiten Bauteiles zerstört wird.

Das Grundmaterial des Halbhohlnietelementes ist bevorzugt ein Drahtwerkstoff, der auf eine Festigkeit von zumindest 1200 MPa vergütet ist. Die Vergütung auf eine derart hohe Bauteilfestigkeit ist im Hinblick auf einen prozesssicheren Nietvorgang von besonderer Bedeutung, damit das Halbhohlnietelement während des Nietvorgangs unter Bildung eines Hinterschnitts im matrizenseitigen Bereich gezielt umgeformt wird. Die Deckschicht kann eine Schichtdicke zwischen 2 und 6 μ ^η τι aufweisen. Zudem kann die Deckschicht bevorzugt in einem Tauch-Schleuderverfahren aufgetragen werden. Die Korrosionsschicht kann zum Beispiel Zink oder Aluminium aufweisen. Bevorzugt besteht die Korrosionsschutzschicht aus einer Zink-Nickel- Verbindung, wobei deren Schichtdicke zwischen 5 bis 12 μιτι liegt.

Es ist bevorzugt, wenn sowohl die Deckschicht als auch die Korrosionsschicht frei von niedrig schmelzenden Werkstoffen ist, das heißt insbesondere zinnfrei ist. In diesem Fall kann die in der Förder- und Zuführtechnik der Setzwerkzeuge entstehende Kaltaufschweißung - im Vergleich zum Stand der Technik - weitgehend minimiert werden, wodurch zusätzliche Wartungsschritte in der vollautomatisierten Prozesskette (vom Karosseriebau bis zur Fertigmontage) nicht erforderlich sind.

Zudem bildet sich bei einer in der Korrosionsschutzschicht verwendeten Kombination aus Zink und Nickel zumindest im für die Prozesskette relevanten Temperaturbereich kein Eutektikum bei einer Wärmebehandlung, was zu der im Stand der Technik bekannten Perlenbildung am Nietkopf führt. In einem Verfahren zur Herstellung kann auf das Halbhohlnietelement vor dem Nietvorgang in einem ersten Prozessschritt die Korrosionsschutzschicht aufgetragen werden. In einem nachfolgenden zweiten Prozessschritt kann anschließend die Deckschicht aufgetragen werden, mit der unter Reduzierung des Reibwerts ein prozesssicheres Setzverhalten beim Nietvorgang gewährleistet ist.

Von besonderer Bedeutung ist es, wenn die Korrosionsschutzschicht sowohl an der Außenkontur als auch in der Hohlraumkontur des Halbhohlniet- elementes durchgängig mit konstanter Schichtdicke aufgetragen ist, um eine ausreichende Isolationsfähigkeit bereitzustellen. Vor diesem Hintergrund ist speziell das Auftragen in einem mechanischen Trommelvorgang nachteilig, da in diesem Fall speziell an der Innenkontur keine durchgängige Beschichtung erzielbar ist.

In Abkehr dazu ist es von Vorteil, wenn die Korrosionsschutzschicht in einem Tauch-Schleuderverfahren aufgebracht wird, bei dem die Ausgangskomponente flüssig aufgetragen wird und deren tropfenförmiges Material in einem Schleudervorgang wieder entfernt wird. Auf diese Weise werden mehrere Schichten übereinander gestapelt aufgebracht, wodurch partiell unbeschichtete Stellen mit freigelegter metallischer Oberfläche am Nietelement vermieden werden können.

Im Tauch-Schleuderverfahren wird die Korrosionsschutzschicht in reiner Oberflächenhaftung auf der metallischen Oberfläche des Nietelementes gehalten. Zudem ist die Korrosionsschutzschicht zwar durchgängig vorhanden, kann jedoch speziell an der Innenkontur des Nietelementes inhomogen verteilt sein. Im Hinblick auf eine weitere Homogenisierung der Korrosionsschutzschicht sowie auf eine verbesserte Schichthaftung ist es von Vorteil, die Korrosionsschutzschicht mittels Galvanotechnik auf das Nietelement aufzutragen. Speziell ein galvanischer Prozess kann mit einem hohen Wasserstoffeintrag in den metallischen Grundstoff des Nietelementes verbunden sein, der im galvanischen Prozess als Nebenprodukt abgeschieden wird. Um eine Wasserstoffversprödung des Nietelementes bzw. der Nietverbindung zu vermeiden, erfolgt speziell hier eine nachgeschaltete Warmauslagerung (Tempern) des mit der Korrosionsschutzschicht beschichteten Nietelements. Im nachfolgenden zweiten Prozessschritt kann die Deckschicht bevorzugt in einem Tauch-Schleuderverfahren aufgetragen werden und anschließend zielgerichtet eingebrannt oder getrocknet werden. Auf diese Weise ergibt sich zwischen der Deckschicht und der Korrosionsschutzschicht eine ausreichend stabile Schichthaftung während des Nietvorgangs.

In Abgrenzung zum Stand der Technik besteht ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, dass die ersten und zweiten Prozessschritte separat voneinander erfolgen können, das heißt örtlich, zeitlich und/oder funktionell voneinander getrennt. Die beiden Prozessschritte können in unterschiedlichen Prozessumgebungen und/oder in unterschiedlichen Verfahrensweisen stattfinden. Zum Beispiel kann im ersten Prozessschritt die Korrosionsschicht in Galvanotechnik auf die metallische Oberfläche des Niethohlelements aufgebracht werden und im zweiten Prozessschritt die Deckschicht im Tauch- Schleuder-Verfahren aufgebracht werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessschritt kann die bereits oben erwähnte Warmauslagerung erfolgen.

Im weiteren Verlauf der vollautomatisierten Prozesskette wird nach erfolgtem Nietvorgang die Bauteilverbindung zu einer Lackierstation geführt, in der die Sichtseite der Nietverbindung insbesondere in einem KTL-Verfahren beschichtet wird. Speziell bei Verwendung eines KTL-Lackes ist es von Vorteil, wenn die Deckschicht aus einem organischen Material hergestellt wird. Andernfalls kann die Deckschicht auch aus einem anorganischen Material hergestellt sein.

Das Hohlnietelement kann vor dem Auftragen des Zweischichtsystems auf einen vorgegebenen Härtezustand vergütet werden, und zwar bei einer Anlasstemperatur, die zum Beispiel bei etwa 250°C liegen kann. Dadurch ergibt sich ein hochfestes Nietelement, dessen Festigkeit bei zumindest 1200 MPa liegen kann. Die Anlasstemperatur (und auch weitere Werkstoffeigenschaften, etwa der Kohlenstoffgehalt) beim Vergüten muss dabei deutlich größer ausgelegt sein als die Temper-Temperatur bei der Warmauslagerung, die dem ersten Prozessschritt folgt. Ansonsten besteht die Gefahr, dass sich bei der Warmauslagerung die Gefügestruktur des hochfesten Hohlnietelements ändert.

Bei der Erfindung ist das Setzverhalten beim Setzvorgang aufgrund des reduzierten Reibwertes wesentlich verbessert, so dass das Halbhohl- nietelement mit reduzierten mechanischen Belastungen konfrontiert wird.

Im Hinblick auf die oben genannten Weiterbildungen der Erfindung ist die folgende Kombination aus Material sowie Verfahrensschritten im Hinblick auf Prozesssicherheit und Abriebsfestigkeit hervorzuheben: So ist die Korrosionsschutzschicht aus Zink und Nickel aufgebaut sowie in Galvanotechnik auf die metallische Oberfläche des Nietelementes aufgebracht. Die Deckschicht ist anschließend in einem Tauch-Schleuderverfahren aufgetragen sowie getrocknet/gezielt eingebrannt. Zudem ist die Deckschicht im Hinblick auf das folgende KTL-Verfahreri aus organischem Material hergestellt.

Dem oben erwähnten Einbrennen kann eine Vortrocknungsstufe vorgelagert sein, bei dem zum Beispiel bei einer Temperatur zwischen 80 und 100°C die noch flüssige Ausgangskomponente der Deckschicht vorgetrocknet wird, und zwar bei gleichzeitig kinematischer Belastung der Hohlnietelemente. Auf diese Weise wird eine nachteilige Haftverbindung zwischen den Hohlnietelementen gelöst. Anschließend erfolgt der eigentliche Einbrennvorgang (zum Beispiel bei einer Temperatur von 200°C). Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils eine fertiggestellte Bauteilverbindung;

Fig.3 ein Blockschaltbild, mit dem eine vollautomatisierte Prozesskette bis zur Fertigstellung der in der Fig. 1 oder 2 gezeigten Bauteilverbindung veranschaulicht ist;

Fig. 4 in einer Seitenschnittdarstellung das beschichtete Hohlnietelement; und Fig. 5 jeweils Ansichten, die eine Prozessfolge zur Herstellung eines Halbhohlnietelementes sowie einer Nietverbindung veranschaulichen.

In der Fig. 1 ist eine Bauteilverbindung gezeigt, bei der ein erstes Bauteil 1 mit einem zweiten Bauteil 3 verbunden ist. Die Bauteile 1 , 3 können Aluminiumhalbzeuge, zum Beispiel Blech- und Gusswerkstoffe, sowie Profile, und/oder Stahlwerkstoffe sein, die in Mischbauweise zusammengefügt sind. Beispielhaft können die beiden Bauteile 1 , 3 Bestandteile einer Fahrzeug- Karosserie sein, deren Sichtseite mit einer Lackschicht 5 überdeckt ist. Die beiden Bauteile 1 , 3 liegen mit ihren Randflanschen übereinander und sind mit Hilfe eines Halbhohlnietelementes 7 in Nietverbindung. Das Halbhohl- nietelement 7 weist einen Nietkopf 9 sowie einen Hohlschaft 11 auf. Der Nietkopf 9 ist im Wesentlichen flächenbündig zur Sichtseite des Bauteils 1 vorgesehen. Beim Nietvorgang durchstößt das Halbhohlnietelement 7 das Material des ersten Bauteils 1 und wird bis in das zweite Bauteil 3 eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restmaterialstärke r des zweiten Bauteils 3. Auf diese Weise verbleibt die Nietverbindung auf der, der Sichtseite gegenüberliegenden Seite geschlossen. Beim Nietvorgang wird das, dem Nietkopf 9 abgewandte Ende des Hohlschafts 1 des Nietelements 7 gezielt ausgeweitet, wodurch sich ein Hinterschnitt bildet. Die in der Fig. 2 gezeigte Nietverbindung ist im wesentlichen identisch mit der Fig. 1 , mit der Ausnahme, dass zwischen dem ersten und zweite Bauteil 1 , 3 ein weiteres Bauteil 2 zwischengeordnet ist.

Die Figuren sind im Hinblick auf einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau der Fahrzeugkarosserie wiedergeben.

In der Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild die vollautomatisierte Prozesskette zur Herstellung der in der Fig. 1 gezeigten Bauteilverbindung angedeutet. Demzufolge werden die beiden Bauteile 1 , 3 zunächst zum Beispiel als Aluminiumhalbzeuge bereitgestellt. Die beiden Bauteile 1 , 3 werden anschließend in einem Nietvorgang unter Verwendung des in der Fig. 1 gezeigten Halbhohlnietelementes 7 miteinander verbunden. Gleichzeitig wird das in der Fig. 1 gezeigte Halbhohlnietelement 7 bereitgestellt und mittels einer Förder- und Zuführtechnik zu einem Setzwerkzeug geführt, in dem der Nietvorgang stattfindet. Nach erfolgtem Nietvorgang wird die Bauteilverbindung zu einer Lackierstation geführt, in dem in einem KTL-Verfahren die Sichtseite der Bauteilverbindung mit der Lackschicht 5 überdeckt wird. In der Fig. 4 ist in Schnittdarstellung das Halbhohlnietelement 7 gezeigt, das speziell bei einer solchen vollautomatisierten Prozesskette einsetzbar ist. Demzufolge weist das Halbhohlnietelement 7 als metallisches Grundmaterial einen Kaltstauchstahl auf. Der Kaltstauchstahl ist auf eine Festigkeit von zumindest 1200 MPa vergütet, damit das Nietelement 7 während des Setzvorganges unter Hinterschnittbildung gezielt ausgeweitet werden kann. Auf der metallischen Oberfläche des Nietelementes ist eine Korrosionsschutzschicht 13 aufgetragen, und zwar mit einer sowohl an der Innenkontur als auch der Außenkontur des Nietelementes 7 konstanten Schichtdicke s^ Diese liegt in einem Bereich zwischen 5 und 12 [im. Auf der Korrosionsschutzschicht 13 ist unter Bildung eines Zweischichtaufbaus eine organische Deckschicht 15 aufgetragen, mit der der Reibwert des Nietelementes 7 reduziert ist. Auf diese Weise wird beim Nietvorgang das Setzverhalten wesentlich verbessert, wodurch das ausgestanzte Material 17 des Bauteiles 1 beim Nietvorgang soweit eingeformt wird, dass die geschlossene Kontur des Bauteiles 3 nicht zerstört wird.

In der Fig. 5 ist in einer Prozessfolge die Herstellung der Halbhohlniet 7 angedeutet. Demzufolge wird zunächst das Halbhohlnietelement 7 mit freigelegter metallischer Oberfläche bereitgestellt. Das Halbhohlnietelement 7 wird mit einer vorgegebenen Anlasstemperatur auf eine Festigkeit von zum Beispiel 1200 MPa vorvergütet. Anschließend wird in einem ersten Prozessschritt I in Galvanotechnik die Korrosionsschutzschicht 13 aufgetragen. In dem galvanischen Prozess wird als Korrosionsschutzschicht eine Zink- Nickel-Verbindung aufgetragen. Im ersten Prozessschritt I kann ein hoher Wasserstoffeintrag in das metallische Material des Halbhohlnietelementes 7 erfolgen, was zu einer Wasserstoffversprödung führen kann.

Um eine solche Wasserstoffversprödung zu vermeiden, wird das galvanisch beschichtete Nietelement 7 in einem Zwischenschritt warmausgelagert (getempert), wodurch der Wasserstoff aus dem metallischen Gefüge des Nietelementes 7 entweicht. Anschließend erfolgt in einem zweiten Prozessschritt II das Auftragen der Deckschicht 15 im Tauch- Schleuderverfahren, und zwar mit einer Schichtdicke s ₂ in einem Bereich 2 bis 6 μιτι. Im Anschluss daran wird die Deckschicht 15 gezielt eingebrannt bzw. bei geringeren Temperaturen lediglich getrocknet.

Die beiden Prozessschritte I und II werden erfindungsgemäß separat voneinander durchgeführt, das heißt örtlich, zeitlich sowie funktionell voneinander getrennt. Auf diese Weise können die beiden Prozessschritte I, II in unterschiedlichen Prozessumgebungen und/oder in unterschiedlichen Verfahrensweisen erfolgen, das heißt der erste Prozessschritt I in der Galvanotechnik und der zweite Prozessschritt II im Tauch-Schleuder- Verfahren.

Die Deckschicht 15 ist im Gegensatz zur Korrosionsschutzschicht 13 zinnfrei, wodurch der Abrieb in der Förder- und Zuführtechnik zum Setzwerkzeug wesentlich reduziert ist. Zudem ist aufgrund der verwendeten Nickel-Zink- Verbindung in der Korrosionsschutzschicht 13 eine Perlenbildung auf der flachen Nietkopf-Oberseite 19 des Nietelementes 7 verhindert. Um eine prozesssichere Lackanhaftung der Lackschicht 5 zu erzielen, ist die Deckschicht 15 aus einem organischen Grundmaterial hergestellt.

Durch die Reduzierung der prozessbedingten Verschmutzung im Zuführprozess wird die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Zudem können charakteristische Qualitätsmerkmale (zum Beispiel Hinterschnitt, Restbodendicke, Staubverhalten) der Nietverbindung über die dünnere Deckschicht 15 gezielt eingestellt werden.