AT275973B - Verfahren zur Herstellung gleitschichtüberzogener Verbindungs- oder Trennelemente - Google Patents

Description

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   Verfahren zur Herstellung gleitschichtüberzogener   Verbindungs- oder Trennelemente   
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gleitschichtüberzogenen Verbindung- oder Trennelementes. 



   Verbindungselemente der in Betracht kommenden Art sind im allgemeinen als Schrauben oder
Nägel ausgebildet, während als Trennelemente beispielsweise Keile zu nennen sind. Schrauben, Nägel und Keile für Holz oder Spanplatten haben einen verhältnismässig hohen Eindringwiderstand, so dass es eines erheblichen Kraft-und Zeitaufwandes bedarf, um Befestigungen mit Schrauben oder Nägeln in
Holz oder Spanplatten herzustellen oder letztere zu trennen.

   Vor allem müssen Schrauben oder Nägel viel dicker und materialaufwendiger gefertigt werden als es unter Berücksichtigung nur der Zugfestigkeit notwendig wäre, damit den Beanspruchungen beim Einschrauben, Herausschrauben, Einnageln oder
Herausziehen von Schrauben usw. standgehalten werden kann ; daher werden Nägel wegen des hohen Eindringwiderstandes leicht krumm geschlagen und Schrauben reissen entweder am Gewindeschaft ab oder am Schlitz- oder Kreuzschlitz aus. Diese Nachteile treten insbesondere bei weniger festen Metallen, wie Messing, Aluminium usw. auf, so dass sich gerade Aluminiumschrauben und -nägel trotz ihrer vorzüglichen Korrosionsfestigkeit, geringen Gewichtes und wirtschaftlicher Erzeugnismöglichkeiten nicht durchsetzen konnten.

   Dabei wäre gerade bei Aluminiumschrauben als Verbindungselementen die Festigkeit voll ausreichend, wenn sie beim Einschrauben nicht durch Überbeanspruchung überlastet würden. So lassen sich Aluminiumschrauben nur in den leichtesten Fällen und auch dann   häufig   nur mit Misserfolg anwenden, da sie regelmässig am Schlitz des Schraubenkopfes ausreissen oder am Schaft abgedreht werden. Bei den üblichen Holzschrauben aus Eisen ist man aus Gründen der Torsionsfestigkeit und nicht der Zugfestigkeit gezwungen, das Gewinde auf Kosten der Gewindetiefe und Ganghöhe mit einem sehr grossen Kernquerschnitt der Schraube ausführen zu müssen.

   Das führt dazu, dass insbesondere bei   Pressspan-und   Hartfaserplatten der Ausreisswiderstand wegen zu geringer Verzahnung der Holzschraube so klein wird, dass oft schon beim Einschrauben die Gewindegänge infolge der hohen Scherbeanspruchungen ausreissen. Diese Nachteile könnte man beseitigen, wenn man in der Lage wäre, die Reibung zwischen Schrauben oder Nägel einerseits und dem Aufnahmewerkstoff, beispielsweise Holz, anderseits stark herabzusetzen. 



   Demgemäss hat es bisher auch nicht an Versuchen gefehlt, das zu erreichen. Im einfachsten Fall wird hiezu Seife benutzt, jedoch rosten dann die Schrauben und sie lockern sich infolge eines Entquellvorganges des Holzes. Ausserdem ist das Verfahren zeitraubend und stört beim späteren Anstrich. Als festhaftender Schmierfilm ist schon Bienenwachs empfohlen worden, jedoch ist eine Verminderung des Eindringwiderstandes allenfalls um 20 von hundert festzustellen. Bekanntgeworden sind weiter Schrauben mit kräftigen, meistens gefärbten Polyäthylenschichten auf ihren Köpfen ; die Schichten sind mittels eines Wirbelsinterverfahrens aufgetragen und sollten hauptsächlich das Aussehen der Schrauben verbessern.

   Bringt man ausser Bienenwachs andere, bekannte Schmiermittel wie Graphit, Molybdänsulfid, Polyäthylen, Silicone, Polyamide, Polyoxymethylen, Metallstearate od. dgl. m. auf 

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Schrauben auf, so bleibt die erzielte Verbesserung nur geringfügig. Aus diesem Grunde waren bisher keine wirkungsvoll behandelten Schrauben oder Nägel im Handel, obschon ein erhebliches Bedürfnis hiefür zu verzeichnen ist. Bringt man Polytetrafluoräthylen auf Schrauben oder Nägel oder auf
Trennmittel wie Keile auf, so kann unter Verwendung ausgesucht weniger, im Handel erhältlicher
Polymerdispersionen ein brauchbarer Effekt erzielt werden.

   Brauchbar sind im allgemeinen aber nur wässerige, ammoniakalische Polymerdispersionen aus reinem hochpolymerem Tetrafluoräthylen, die bei
400 C eingebrannt werden müssen, da der Sinterungspunkt bei dieser Temperatur für Polymere liegt. 



   Es sind auch schon Dispersionen beschrieben worden, die Polytetrafluoräthylen mit einem Molekulargewicht von 2000 bis 10000 enthalten und daneben noch hochmolekulares Polytetrafluoräthylen mit einem Molekulargewicht von 500000 enthalten können. Dabei ist der Bestandteil PTFE mit einem Molekulargewicht bis 10000 die wichtigere Komponente, da der Anteil des hochmolekularen Polytetrafluoräthylens auch 0% betragen, das Polytetrafluoräthylen mit dem Molekulargewicht bis 10000 dagegen nicht fortgelassen werden kann. Die angestrebte, reibungsvermindernde Wirkung ist also bei dieser Dispersion nur erzielbar, wenn niedermolekulares PTFE vorhanden ist. Damit sind aber erhebliche Nachteile verbunden. Das wachsartige, niedermolekulare Tetrafluoräthylen ist nicht so beständig wie das hochmolekulare PTFE.

   An das Lösungsmittel werden besonders weitgehende Anforderungen gestellt ; es soll den   Duro-oder   Thermoplast lösen, nicht aber die Fluorcarbonpolymeren. Als geeignete Lösungsmittel kommen daher ausschliesslich organische Stoffe in Betracht, als n-Butylalkohol, Toluol, Xylol, Methylisobutylketon, Äthylacetat, Äthylenglykol und Amylacetat genannt werden. Beim Auftragen einer derart zusammengesetzten Dispersion müssen besondere Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, um einerseits Verdunstungsverluste und unerwünschtes Eindicken der Dispersion zu verhüten, anderseits Feuer-und Explosionsgefahren vorzubeugen sowie ein Überschreiten der zulässigen Anreicherung der Atmosphäre im Arbeitsraum an Lösungsmitteldämpfen zu vermeiden.

   Erforderlich sind verhältnismässig hohe Einbrenntemperaturen, die das metallurgische Gefüge der überzogenen Gegenstände in unerwünschtem Ausmasse verändern können. Auch liegt das nicht fluorierte Polymere in homogener Lösung vor, so dass die Dispersion eine hohe Viskosität annimmt. 



   Die sich damit ergebenden Aufgaben werden durch das erfmdungsgemäss vorgeschlagene Verfahren gelöst, das sich dadurch kennzeichnet, dass das Polytetrafluoräthylen und ein niedrigschmelzender Thermoplast, z. B. Wachs, Siliconöl usw. oder ein hochmolekulare Polyäther, aus einer wässerigen Suspension durch Tauchen,   Übergiessen,   Aufspritzen oder anderes Überziehen aufgebracht werden und dass der Überzug bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des Polytetrafluoräthylens zwischen 140 und 3300 vorzugsweise jedoch bei 2000, wenige Minuten lang eingebrannt wird. Werden die 
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 ergeben sich völlig überraschende Reduktionen des Einschraubwiderstandes mit 60 bis 75 von hundert.

   Wird das Polyäthylen ohne Zusatz von GP 1 benutzt, so ergibt sich eine Verbesserung höchstens von 20 von hundert, wobei sich gezeigt hat, dass der Überzug beim Eindringen von Schrauben oder Nägeln in den aufnehmenden Werkstoff abgedrückt oder abgeschabt wird. Reines GP 1 lässt sich nur in einem engen Temperaturbereich von 3900C einsintem, wobei für Eisen-und Messingwerkstoffe ein verhältnismässig kostspieliges Schutzgas unentbehrlich ist, das Sauerstoff nur in wenigen ppm-Gehalten enthält (Reinstickstoff oder Lampenstickstoff, gegebenenfalls explosionsgefährlicher Wasserstoff). 



  Reines Polytetrafluoräthylen muss in ausreichender Menge auf den Schrauben aufgebracht sein, wozu in eine Dispersion mit 20% Feststoffgehalt getaucht werden muss. Der Werkstoffverbrauch an diesem teuren Polymeren wird dadurch verhältnismässig hoch. Verwendet man geringere Konzentrationen, so erhält man schlechtere Werte. Dagegen lassen sich Gemische aus einer Polyäthylensuspension mit einer Teflon-Suspension mit nur   4% Polytetrafluoräthylen   und 2, 5% Polyäthylengehalt ohne Verminderung ihrer Wirkung anwenden, so dass eine sehr starke und für eine industrielle Verwertung entscheidende Kostenersparnis entsteht. Diese synergistische Wirkung des Thermoplasten auf die Wirksamkeit des PTFE-Anteiles war dabei völlig unerwartet und sie lässt sich durch keine Theorie erklären.

   Eine solche Thermoplast-PTFE-Suspension schmilzt bei 1400C zu einem praktisch unsichtbaren, dünnen Film ein, so dass kein Schutzgas für das Verfahren benötigt wird ; das Verfahren benötigt infolge der weiten zulässigen Erhitzung-un Temperaturspanne zwischen 140 und 2200C keine aufwendigen Erhitzung-un Temperaturregelvorrichtungen. Da auch die Verweilzeit unkritisch ist, lassen sich alle denkbaren Erhitzungsvorrichtungen anwenden, wohingegen bei Einsatz einer reinen PTFE-Suspension ausser der notwendig hohen Beschichtungsmenge eine Erhitzung auf 370 bis 4000C notwendig wird. Dadurch werden teure Schleusenverfahren, kostspieliger Schutzgasverbrauch und hohe Verfahrens- 

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 aufwendungen für die Temperaturregelung und zur Vermeidung von überhitzungen erspart.

   Bei einem erfindungsgemäss durchgeführten Verfahren werden infolge der niedrigeren Temperaturen beim
Einbrennen keine giftigen Gase frei, die andernfalls beim Sintern von Polytetrafluoräthylen auftreten. 



   Als Thermoplastkomponenten eignen sich vorzugsweise Polyolefine, insbesondere Polyäthylen-
Mischpolymerisate, mit polaren Monomeren wie Acrylsäure. Anstatt der Polymeren lassen sich auch höherschmelzende Wachssuspensionen oder Lösungen verwenden, wofür wässerige Synthesewachs- emulsionen oder Lösungen hochmolekularen Polyäthylenoxyds in Frage kommen. Jedoch haben sich die bereits erwähnten Suspensionen von Polyäthylen, die vorteilhaft Carboxylgruppen enthalten, besonders bewährt. Weniger wirtschaftlich ist der Einsatz von Suspensionen hochpolymerer Silicone, die allein für sich nur eine   20% igue,   mit PTFE jedoch eine 70% ige Verbesserung bringen. Das
Mischungsverhältnis der beiden Komponenten kann in weiten Bereichen variiert werden.

   Ohne die
Anwendbarkeit der Erfindung einzuschränken, lassen sich Gemische im Verhältnis zwischen 1 Teil
Polyäthylen und 20 Teilen PTFE und 10 Teilen Polyäthylen zu 1 Teil PTFE anwenden. Am vorteilhaftesten sind jedoch Mischungsverhältnisse zwischen   1 : 1   bis 1 : 4 PE : PTFE, wovon ein
Gemisch von 1 Teil carboxylgruppenhaltiges Polyäthylen zu 2 Teilen Polytetrafluoräthylen mit einem
Gehalt von 4, 4% PTFE mit nichtionogenem Emulgator als wässerige Suspension die besten Ergebnisse bringt. Man taucht ein, übergiesst oder besprüht die Schrauben oder Nägel, schleudert ab oder lässt abtropfen, trocknet und erhitzt etwa 5 min auf eine Temperatur zwischen 180 und 2200C an der Luft. 



   Als Werkstoffe eignen sich Eisen, blank oder mit galvanischen Überzügen, Messing oder Aluminium. 



   Normalerweise reicht die natürliche Rauheit der Metalloberfläche für die Behandlung eus, doch ist es in einigen Fällen von Vorteil, die Schrauben oder Nägel etwas zu beizen. Insbesondere Messingschrauben lassen sich durch Beizen in Säuren gut vorbereiten. Bei Aluminium kann man weitere Verbesserungen durch Beizen mit Chromsäure, Chromat, Natronlauge oder durch anodische Aufrauhung erzielen, doch werden   75% igue   Verbesserungen bereits mit nicht vorbehandelten Aluminiumschrauben erreicht. In allen
Fällen wird das erforderliche Einschraubdrehmoment bei Schrauben bzw. der Eindringwiderstand bei Nägeln ohne Vorbereitung der Metalloberfläche bereits um 65 bis 75% herabgesetzt. 



   Erst nach einer erfindungsgemäss durchgeführten Behandlung lassen sich Schrauben für Holz aus Aluminium ohne Misserfolg verwenden. Das Torsionsmoment wird so stark reduziert, dass die Schrauben weder am Schlitz ausreissen, noch am Schaft brechen, was bei Verwendung von Bienenwachs oder andern Gleitmaterialien nicht erreichbar war. Durch die angewendete niedere Temperatur erleiden gehärtete Aluminiumschrauben keine störende Gefügeänderung, wie dies bei der Sintertemperatur von Tetrafluoräthylen der Fall ist. Eine Absenkung um 20%, wie dies nach früheren Vorschlägen erreichbar ist, reicht nicht aus, um Aluminiumschrauben ohne   häufigen   Bruch in Holz einzuschrauben.

   Bei Holzschrauben kann der Gewindekerndurchmesser bei Erhaltung gleicher Torsionsfestigkeit um 35 bis 43% gesenkt werden, wodurch bei geringerem Gewicht entweder die Gewindetiefe bei üblichen Handelsschrauben mehr als verdoppelt oder bei ausreichender Zugfestigkeit eine schwächere Schraube verwendet werden kann. Eine solche, die Vorteile des Überzugs ausnutzende, konstruktiv richtig ausgestaltete Schraube besitzt bei einem geringen Gewicht einen mehr als doppelt so hohen Ausreisswiderstand bei gleichzeitiger Verminderung des notwendigen Einschraubdrehmomentes um etwa 80% gegenüber einer handelsüblichen Schraube. Es erübrigt sich ausserdem bei gebräuchlichen Grössen, die Löcher vorzubohren. Besonders geeignet sind diese Schrauben für   Pressspan-und   Hartfaserplatten, die zur Gefahr des Ausreissens der Gewindegänge neigen.

   Entsprechend dem grösseren Ausreisswiderstand können nunmehr kleinere als vergleichsweise angewendete, unbehandelte Schrauben bei gleichem Nutzeffekt angewendet werden, was zu einer weiteren Verringerung des Kraft-und Zeitaufwandes führt. Der holzverarbeitenden Industrie entstehen dadurch, ausser der Verringerung des Materialaufwandes, beträchtliche Kraft-und Arbeitszeitersparnisse. Der Verwendung grösserer Schrauben stehen keine Schwierigkeiten mehr durch zu grosse menschliche Kraftanstrengungen entgegen, womit neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden. 

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Herstellung gleitschichtüberzogener Verbindungs- oder Trennelemente wie EMI3.1 Polytetrafluoräthylen und ein niedrigschmelzender Thermoplast, z. B. Polyäthylen, Wachs, Siliconöl usw. oder ein hochmolekularer Polyäther aus einer wässerigen Suspension durch Tauchen, Übergiessen, Aufspritzen oder anderes Überziehen aufgebracht werden und dass der überzug bei Temperaturen <Desc/Clms Page number 4> unterhalb der Sintertemperatur des Polytetrafluoräthylens zwischen 140 und 330oC, vorzugsweise jedoch bei 200oC, wenige Minuten lang eingebrannt wird. EMI4.1 oder Trennelemente mit einer wässerigen Suspension aus Polytetrafluoräthylen und einem Äthylen-Acrylsäure-Copolymerisat überzogen werden, das noch freie Carboxylgruppen enthält.