高強度ねじ込みアルミニウムボルトのマグネシウムパワートレイン部品への適用性

この論文の紹介は、'9th European All-Wheel Drive Congress Graz' が発行した「Applicability of high strength thread forming Aluminum bolts in magnesium power train components」に基づいて作成されました。

1. 概要:

タイトル: 高強度ねじ込みアルミニウムボルトのマグネシウムパワートレイン部品への適用性 (Applicability of high strength thread forming Aluminum bolts in magnesium power train components)
著者: Gerhard Gerstmayr, Philipp Oberhuber, Thomas Jakob, Heinz Leitner
発行年: 2009年
発行ジャーナル/学会: 第9回欧州全輪駆動車会議グラーツ (9th European All-Wheel Drive Congress Graz)
キーワード: アルミニウムねじ込みボルト、マグネシウム、パワートレイン部品、機械的特性、クリープ、リラクゼーション、腐食挙動、ボルト接合 (Aluminum thread forming bolts, magnesium, power train components, mechanical properties, creep, relaxation, corrosion behaviour, bolted joint)

Figure 1. Tightening process in pre-cast core hole of AZ91 with TAPTITE2000® M8x EN AW 6056 T6 (a); with
TAPTITE2000® M8 EN AW 7075 T6 (b) [8] — Figure 1. Tightening process in pre-cast core hole of AZ91 with TAPTITE2000® M8x EN AW 6056 T6 (a); with TAPTITE2000® M8 EN AW 7075 T6 (b) [8]

2. 概要または序論

概要

「パワートレイン部品のマグネシウム製クランプ部品と組み合わせたアルミニウム製ねじ込みボルトは、コストと重量を削減する高い可能性を提供します。本論文では、マグネシウムナット材における高強度ねじ込みボルトの適用性について、アルミニウムボルトとMgナット材の機械的特性、クリープとリラクゼーション、およびボルト接合部の腐食挙動に焦点を当てて議論します。」

序論

「マグネシウムパワートレイン部品を締結するための現在の技術は、メートルねじ鋼またはアルミニウムボルトの使用です。使用される材料の物理的および化学的特性により、高温での高い締結荷重損失や、費用のかかる腐食保護システムを必要とする強い腐食攻撃などの困難な問題が発生します。本論文の目的は、機械的特性、リラクゼーション、および腐食挙動に関して、マグネシウム部品用の高強度ねじ込みアルミニウムボルトを開発および評価することです。このボルト締結システムの利点は、鋼製ボルトと比較して軽量化、締結荷重損失の低減、接触腐食の低減、およびねじ込み技術（穴あけおよびねじ切り作業の排除）の使用によるコスト削減です。

ギアボックスなどのパワートレイン部品は、現在、主にアルミニウム合金から製造されています。CO2排出量を削減するというプレッシャーにより、OEMおよびサプライヤーは車両の重量を削減することを余儀なくされています。そのための選択肢の1つは、アルミニウム合金をマグネシウム合金に置き換えることです。しかし、マグネシウムは、特に腐食とリラクゼーションに関して、締結技術を適合させる必要があります。」

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

現在のマグネシウムパワートレイン部品の締結ソリューションは、主にメートルねじ鋼またはアルミニウムボルトを利用しています。しかし、これらの従来の方法では、高温での著しい締結荷重の損失や腐食攻撃を受けやすいなどの課題に直面しています。これらの問題は、複雑で費用のかかる腐食保護システムを必要とします。自動車産業におけるCO2排出量と車両重量の削減への推進は、ギアボックスなどのパワートレイン部品において、アルミニウム合金をより軽量なマグネシウム合金に置き換えることを推進しています。この移行には、特にマグネシウム用途における腐食およびリラクゼーション性能に関して、締結技術の適合が求められます。

既存研究の現状:

自動車におけるアルミニウムボルトの既存の用途は、主に機械加工されたねじ山を採用しており、通常は合金EN AW 6056（AlSi1MgCuMn）およびEN AW 6013（AlMg1Si0,8CuMn）を使用しています。しかし、ねじ込みアルミニウムボルトは、特に高いねじ山被覆率を持つダイカストコア穴において、ねじ山形成中のナット材の抵抗により、より高い強度特性を必要とします。現在の規格および出版物は、主にメートルISOねじ山と組み合わせて機械加工されたメートルナットねじ山に対処しており、マグネシウムにおけるねじ込みの特定の考慮事項を無視しています。

研究の必要性:

本研究は、特にマグネシウム部品用に調整された高強度ねじ込みアルミニウムボルトを開発および評価する必要性によって必要とされています。このアプローチは、鋼製ボルトと比較して軽量化を達成し、締結荷重の損失を最小限に抑え、接触腐食を低減し、穴あけおよびねじ切り作業を排除することにより、ねじ込み技術を通じてコスト削減を実現することを目的としています。機械的特性、リラクゼーション挙動、および耐食性の包括的な評価は、要求の厳しいパワートレイン環境におけるこの締結ソリューションの適用性を検証するために不可欠です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

主要な研究目的は、「機械的特性、リラクゼーション、および腐食挙動に関して、マグネシウム部品用の高強度ねじ込みアルミニウムボルトを開発および評価すること」です。

主要な研究:

本論文は、「マグネシウムナット材における高強度ねじ込みボルトの適用性」の評価に焦点を当てており、特に以下の点を強調しています。

アルミニウムボルトの機械的特性。
マグネシウムナット材の機械的特性。
ボルト接合部のクリープおよびリラクゼーション特性。
ボルト接合部の腐食挙動。

研究仮説:

正式な仮説として明示されていませんが、研究は「マグネシウム合金に使用されるねじ込み高強度アルミニウムボルトは、コストと重量を削減する大きな可能性を提供する」という暗黙の前提の下で実施されています。この研究は、機械的特性、リラクゼーション、および耐食性において許容可能な性能を示すことにより、この可能性を検証することを目的としています。

5. 研究方法

研究デザイン:

本研究では、異なる材料の組み合わせと条件の比較試験を含む実験的デザインを採用しています。この研究では、静的および動的負荷、高温、および腐食環境下でのさまざまなマグネシウムダイカスト合金におけるねじ込みアルミニウムボルトの性能を調査します。

データ収集方法:

データは、一連の管理された実験を通じて収集されました。

締付けプロセス分析: ボルトの破損までの締付け中のトルクと締付け荷重を測定。
静的ボルト試験: 異なる熱処理条件およびコア穴径におけるボルトの締付け特性を評価。
リラクゼーション試験: 静的および脈動サービス荷重下での高温（120℃）での経時的な締付け荷重の損失を評価。
腐食試験: 塩水噴霧試験（ISO 9227:2006）を720時間実施して、ガルバニック腐食および応力腐食割れ抵抗を評価。

分析方法:

収集されたデータは、以下を用いて分析されました。

比較分析: さまざまな試験にわたるさまざまなアルミニウムボルト合金（EN AW 6056 T6、EN AW 7075 T6、EN AW 7075 T79）およびマグネシウム合金（AZ91、AE44、MRI153）の性能を比較。
金属組織学的調査: 締付け中の破損メカニズムと材料挙動を理解するために、ボルトとナットのねじ山を検査。
外挿法: クリープモデル（ノートン）を使用して、リラクゼーション試験データをより長い期間（4000時間）に外挿。
統計分析: 熱処理、コア穴径、および負荷条件がボルト性能に及ぼす影響を評価。

研究対象と範囲:

研究は以下に焦点を当てました。

材料: マグネシウムダイカスト合金 AZ91、AE44、および MRI153。アルミニウム合金 EN AW 6056 (AlSi1MgCuMn) T6、EN AW 7075 (AlZn5,5MgCu) T6 および T79。
締結具: 異なる熱処理条件（T6、T79、FTR、FHT）の TAPTITE2000® M8 ねじ込みアルミニウムボルト。
試験パラメータ: 温度（室温、120℃）、静的および脈動荷重、塩水噴霧腐食環境、さまざまなコア穴公差（LCT、UCT）。
範囲: マグネシウムパワートレイン部品における高強度ねじ込みアルミニウムボルトの適用性、特に機械的性能、リラクゼーション、および腐食に対処。

6. 主な研究成果:

主要な研究成果:

材料強度と締付け: EN AW 7075 T6 ボルトは、優れた材料強度により、EN AW 6056 T6 ボルトと比較して、より高い破壊トルクを示しました。EN AW 7075 T6 は、締付け荷重の構築のためにより大きな利用可能なトルク範囲も提供しました。
熱処理と締付け: EN AW 7075 T79 は、強度と延性のより良いバランスにより、過弾性締付けへの適合性を示し、低いコア穴公差限界と高いコア穴公差限界の両方で T6 に匹敵する締付け荷重を達成し、大幅に大きな引抜き角度を示しました。
リラクゼーション挙動: 120℃ で、Mg 合金 AE44 は AZ91 よりも大幅に優れたリラクゼーション特性を示し、経時的に高い締付け荷重を維持しました。EN AW 7075 T79 ボルトは、T6 ボルトと比較して締付け荷重の低下が少なくなりました。最終熱処理 (FHT) ボルトは、最終ねじ転造 (FTR) ボルトと比較して、より低いリラクゼーション率を示しました。
脈動サービス荷重: 120℃ での重畳された脈動サービス荷重は、AE44 の静的荷重挙動と比較して、わずかに高いリラクゼーション率をもたらしました。ただし、AZ91 は、脈動荷重下でリラクゼーション挙動の著しい劣化を示しました。
耐食性: アルミニウムボルト (EN AW 6056 および EN AW 7075) は、マグネシウムと組み合わせた鋼製ボルトと比較して、優れたガルバニック腐食挙動を示しました。ただし、アルミニウムカップワッシャー付きの鋼製ボルトは、アルミニウムボルトと同様の腐食性能を示しました。応力腐食割れは、特定の条件 (ステンレス鋼製クランプ部品) 下の EN AW 7075 T6 ボルトで観察されましたが、調査対象の用途を代表する Al-Mg 構造では観察されませんでした。

提示されたデータの分析:

図 1: 締付けプロセスを示しており、EN AW 7075 T6 ボルトが EN AW 6056 T6 と比較して、破損前に高いトルクと締付け荷重を達成していることを示しています。成形トルクは EN AW 7075 T6 の方が低くなっています。
図 2: EN AW 7075 の機械的特性を T6 および T79 条件で比較し、強度と延性のトレードオフを強調しています。T6 は強度が高く、T79 は破断伸びが高くなっています。
図 3: 熱処理 (T6 対 T79) およびコア穴公差 (LCT 対 UCT) が EN AW 7075 ボルトの締付け特性に及ぼす影響を示しています。T79 は、特に UCT で、より大きな引抜き角度を示しています。
図 4 & 5: AZ91 および AE44 の 120℃ でのリラクゼーション挙動を示しています。AE44 は、より遅いリラクゼーション率と、より長い時間経過後も高い締付け荷重を示しています。4000 時間への外挿 (図 5) は、AE44 の優れた長期性能をさらに強調しています。
図 6: MRI153 におけるリラクゼーションに対する熱処理条件と製造順序の影響を示しています。T79 ボルトと FHT ボルトは、T6 ボルトと FTR ボルトと比較して、改善されたリラクゼーション抵抗を示しています。
図 8, 9 & 10: 脈動サービス荷重がリラクゼーションに及ぼす影響を示しています。図 9 および 10 (対数スケール) は、動的荷重下での加熱段階中の初期締付け荷重の低下を強調しており、特に AZ91 で顕著です。
図 11 & 12: 720 時間の塩水噴霧試験後のマグネシウムフランジとアルミニウムボルト (EN AW 6056 および EN AW 7075) の腐食攻撃を示しています。両方のアルミニウムボルトは、かなりの腐食を示しています。
図 13 & 14 & 15: さまざまな保護システムを備えた鋼製ボルトの腐食攻撃を示しています。アルミニウムカップワッシャー付きの鋼製ボルト (図 13) は、最小限の腐食を示していますが、亜鉛フレークコーティングおよびシールされた鋼製ボルト (図 15) は、マグネシウムに著しい腐食を示しています。
図 16 & 17: 応力腐食割れ試験およびガルバニック腐食試験用に準備されたボルト接合部を示しています。
表 1: 塩水噴霧試験で試験されたボルトシステムをリストアップし、ボルトタイプ、材料、コーティング、および追加の保護について詳述しています。

図の名前リスト:

Figure 2. Minimum tensile strength Rm, yield strength Rp0,2 and breaking elongation of M8 EN AW 7075 in T6 and T79 heat treatment condition and different final production step

Figure 3. EN AW 7075 in conditions T6 and T79 tightened in AZ91 core holes with minimal and maximum core hole size

Figure 8. Influence of pulsating service load on drop in clamping load at RT of Mg-alloy AE44 (UCT)

Figure 9. Influence of pulsating service load on drop in clamping load at 120°C of AE44 (UCT) (a); logarithmic scale (b)

Table 1: Bolt systems tested in salt spray test for 720 hours

Figure 11. Side view and longitudinal cut of M8 EN AW 6056 after 720 hours of salt spray test

Figure 12. Side view and longitudinal cut of M8 EN AW 7075 after 720 hours of salt spray test

Figure 15. Side view and longitudinal cut of 10.9 steel bolt, zinc flake coated and sealed after 720 hours salt spray test

Figure 16. Bolted joints for stress crack corrosion and galvanic corrosion testing

Figure 17. Bolted joints for stress crack corrosion testing

Figure 1. TAPTITE2000® M8x EN AW 6056 T6 (a) および TAPTITE2000® M8 EN AW 7075 T6 (b) [8] を用いた AZ91 のプレキャストコア穴における締付けプロセス
Figure 2. T6 および T79 熱処理条件と異なる最終製造工程における M8 EN AW 7075 の最小引張強度 Rm、耐力 Rp0.2、および破断伸び
Figure 3. 最小および最大のコア穴径で AZ91 コア穴に締め付けられた T6 および T79 条件の EN AW 7075
Figure 4. EN AW 7075 T79 条件を使用して、アッパーコア穴公差でプレキャストコア穴に締め付けられた AZ91 および AE44 の 120℃ での締付け荷重の低下
Figure 5. AZ91 および AE44 の 4000 時間へのリラクゼーション試験データの外挿
Figure 6. MRI153 の 120℃ (LCT) における締付け荷重の低下に対する EN AW 7075 の熱処理条件と製造順序の影響
Figure 7. リラクゼーション試験装置
Figure 8. Mg 合金 AE44 (UCT) の RT における締付け荷重の低下に対する脈動サービス荷重の影響
Figure 9. Mg 合金 AE44 (UCT) の 120℃ における締付け荷重の低下に対する脈動サービス荷重の影響 (a); 対数スケール (b)
Figure 10. Mg 合金 AZ91 (UCT) の 120℃ における締付け荷重の低下に対する脈動サービス荷重の影響 (a); 対数スケール (b)
Figure 11. 720 時間の塩水噴霧試験後の M8 EN AW 6056 の側面図および縦断面図
Figure 12. 720 時間の塩水噴霧試験後の M8 EN AW 7075 の側面図および縦断面図
Figure 13. 720 時間の塩水噴霧試験後の Al カップワッシャー付き電気メッキ 9.8 鋼製ボルトの側面図および縦断面図
Figure 14. 720 時間の塩水噴霧試験後の電気メッキ、厚膜不動態化、およびシールされた 10.9 鋼製ボルトの側面図および縦断面図
Figure 15. 720 時間の塩水噴霧試験後の亜鉛フレークコーティングおよびシールされた 10.9 鋼製ボルトの側面図および縦断面図
Figure 16. 応力腐食割れおよびガルバニック腐食試験用のボルト接合部
Figure 17. 応力腐食割れ試験用のボルト接合部

7. 結論:

主な調査結果の要約:

本研究では、EN AW 7075 T6 および T79 アルミニウム合金の両方が、マグネシウム合金 AZ91、AE44、および MRI153 へのねじ込みに適していると結論付けています。EN AW 7075 T79 は、その改善された延性と T6 に匹敵する締付け荷重性能により、過弾性締付けに推奨されます。Mg 合金 AE44 は、特に脈動サービス荷重下で、AZ91 よりも優れた 120℃ でのリラクゼーション抵抗を示します。EN AW 7075 ボルトの熱処理と製造順序は、リラクゼーション挙動に大きな影響を与え、T79 と最終熱処理がより優れた性能を示します。アルミニウムボルトは、一般に、マグネシウム接合部における鋼製ボルトよりも優れた耐食性を示します。ただし、アルミニウムカップワッシャー付きの鋼製ボルトは例外です。EN AW 7075 T79 は、一般的な自動車用途における応力腐食割れに関して、問題がないと見なされます。

研究の学術的意義:

本研究は、マグネシウム部品における高強度ねじ込みアルミニウムボルトの適用性に関する包括的なハンドブックレベルの理解を提供します。材料選択、熱処理、負荷条件、および環境要因が、これらのボルト接合部の性能に及ぼす相互作用を体系的に調査します。調査結果は、軽量材料接合の分野、特に要求の厳しい環境におけるマグネシウム用途に貴重なデータと洞察を提供します。

実践的な意義:

調査結果は、マグネシウムパワートレイン部品用のボルト接合部を設計するエンジニアに実用的なガイドラインを提供します。この研究は、EN AW 7075 T79 ねじ込みアルミニウムボルトが、クリープ抵抗性マグネシウム合金（AE44 など）と組み合わせると、重量とコストの削減に実行可能なソリューションを提供することを示唆しています。EN AW 7075 T79 ボルトを使用し、リラクゼーション性能を向上させるために最終熱処理を検討するという推奨事項は、産業環境に直接適用できます。鋼製ボルトとの比較、およびアルミニウムカップワッシャーが鋼製ボルトの効果的な腐食保護方法であることの特定も、設計者にとって貴重な選択肢を提供します。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究は、特定の材料 (AZ91、AE44、MRI153、EN AW 7075、EN AW 6056)、ボルトサイズ (M8)、および試験条件に限定されています。今後の研究では、範囲を拡大して以下を含めることができます。

他のマグネシウム合金およびアルミニウム合金の調査。
さまざまなボルトサイズとねじ形状の評価。
ねじり疲労やさまざまな温度プロファイルなど、より複雑で現実的なサービス条件下での長期性能評価。
アルミニウム-マグネシウム接合部の高度な腐食保護方法のさらなる探求。
量産シナリオにおけるコア穴鋳造公差が接合部性能に及ぼす影響の詳細な分析。
使用中の成形されたマグネシウムナットねじ山の再利用性の調査。

8. 参考文献:

1. S.M. Zhu, M.A. Gibson, J.F. Nie, M. A. Easton, T.B. Abbott, "Microstructural analysis of the creep resistance of die-cast Mg-4AI-2RE alloy", Scripta Materialia 58, 2008, pp. 477-480
2. I.P. Moreno, T.K. Nandy, J.W. Jones, J.E. Allison, T.M. Pollock, "Microstructural stability and creep of rare-earth containing magnesium alloy", Scripta Materialia 48, 2003, pp. 1029-1034
3. P. Bakke, A. Fischersworring-Bunk, I deLima, H. Lilholt, I. Bertilsson, F. Abdulwahab, P. Labelle, "The European Union Mg-Engine Project - Generation of Material Property Data for Four Die Cast Mg-Alloys", SAE technical paper 2006-01-0070, 2004
4. F. vonBuch, S. Schumann, H. Friedrich et al, „New Die Casting Alloy MRI153 for Power-Train Applications“, Magnesium Technology, 2002
5. F. Heinrich: „Aluminiumschrauben mit gesteigerten mechanischen Eigenschaften für höher beanspruchte Leichtmetallverbindungen“, 8. Informations- und Diskussionsveranstaltung, Darmstadt, 10.05.2006
6. K. Westphal: „Verschraubung von Magnesium-komponenten“, Metall 56. Jahrgang, 1-2/2002, Seite 32ff
7. H. Friedrich: „Werkstofftechnische Anforderungen an gewindefurchende Verbindungselemente“, DVM Bericht 671, 2004, S. 23
8. C. Hinteregger "Innovative Leichtmetall-verschraubungen im Fahrzeuggetriebebau“, PhD-Thesis, University of Leoben, 2008
9. Forschungsvereinigung Antriebstechnik [Drive Technology Research Association] FVA project 470 – maximum strength aluminum bolts
1. VDA Prüfblatt 621-415, Prüfung des Korrosionsschutzes von Kraftfahrzeuglackierungen bei zyklisch wechselnder Beanspruchung
1. Aluminium Taschenbuch 15. Auflage, Band 1: Grundlagen und Werkstoffe, ISBN 3-87017-241-X, Düsseldorf, 1995

9. 著作権:

この資料は、Gerhard Gerstmayr, Philipp Oberhuber, Thomas Jakob, Heinz Leitner 氏の論文：「Applicability of high strength thread forming Aluminum bolts in magnesium power train components」に基づいています。
論文ソース: DOI URL (テキストには記載されていません。判明している場合は挿入してください)

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