Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand und Verfahren zur Herstellung derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beim Eindrehen von Holzschrauben in Werkstoffe, die, wie insbesondere Holz, es ermöglichen, dass die Holzschraube beim ersten Eindrehen ihr eigenes Gewinde schneidet, entsteht ein verhältnismässig hoher Eindrehwiderstand, der dazu führt, dass zur Aufnahme der Torsionsbeanspruchungen der Holzschraube Festigkeitseigenschaften erteilt werden müssen, die über diejenigen hinausgehen, die die Holzschraube aufweisen müsste, wenn sie nach dem Eindrehen lediglich auf Zug beansprucht würde. Mit anderen Worten, man könnte Holzschrauben mit weniger Werkstoffaufwand herstellen, wenn es gelingt, den Eindrehwiderstand auf ein Ausmass zu senken, bei dem die mit Rücksicht auf die Torsionsfestigkeit erforderliche Dimensionierung nicht über diejenige hinausgeht, die mit Rücksicht auf die Beanspruchung der Schraube im Gebrauch erforderlich ist.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass der Eindrehwiderstand den genannten Voraussetzungen entspricht.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Schraube einen Überzug trägt, der feinstverteilt angeordnetes Polytetrafluoräthylen, eingebettet in eine einen Thermoplast enthaltende Grundmasse, aufweist.
Entsprechend der allgemeinen Abkürzung von Polytetrafluoräthylen mit PTFE wird diese Abkürzung im Folgenden benutzt.
Eine sprunghafte Herabziehung des Eindrehwiderstandes tritt ein, wenn der Überzug ein Polyolefin enthält, etwa als Polyäthylen. Ausserdem können Gehalte an polaren Monomeren vorhanden sein, die chemisch eingebaut sind und beispielsweise aus Acrylsäure bestehen.
Überzüge auf Holzschrauben und anderen Verbindungsmitteln wie Maschinenschrauben, für die das Gewinde vorgeschnitten sein muss, also Überzüge auf Nägeln, Stiften, Nadeln usw., sind an sich nicht neu, wobei sie aus den verschiedensten Werkstoffen bestehen, etwa aus Seife. Jedoch rosten seifenüberzogene Schrauben und sie lockern sich infolge einer Entquel lung von sie aufnehmendem Holz; das Aufbringverfahren se!bst ist zeitraubend und ein Seifenüberzug stört beim späteren Anstrich. Als festhaftendes Gleitmittel ist auch bereits Bienenwachs empfohlen worden, jedoch ist eine Verminderung des Eindrehwiderstandes allenfalls mit 20 von 100 erreichbar.
Bekannt geworden sind auch Schrauben mit kräftigen, meist gefärbten Polyäthylenschichten auf ihren Köpfen; die Schichten sind mittels eines Wirbelsinterverfahrens aufgetragen und sollen hauptsächlich das Aussehen der Schrauben verbessern. Bringt man ausser Bienenwachs andere, bekannte Schmiermittel wie Graphit, Molybdänsulfid, Polyäthylen, Silikone, Polyamide, Polyoxymethylen (DELRIN (D), Metallstearate 0. dgl. auf Schrauben auf, so bleibt die erzielte Verminderung des Eindrehwiderstandes nur geringfügig. Aus diesem Grunde sind keine wirkungsvoll behandelten Holzschrauben im Handel, obschon ein erhebliches Bedürfnis hierfür besteht.
Bringt man Tetrafluoräthylen (TEFLON e) auf, so kann unter Verwendung ausgesucht weniger, im Handel erhältlicher Polymerdispersionen ein wirkungsvoller Effekt erzielt werden. Brauchbar sind im allgemeinen aber nur die Polymerdispersionen GP 1 der Firma Imperial Chem. Industries (ICI); ein ähnliches Erzeugnis der Firma Du Pont hat die Handelsbezeichnung T 30. Es handelt sich um wässrige, ammoniakalische Dispersionen aus reinem hochpolymeren Tetrafluor äthylen, 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 2000-10 000 enthalten und daneben noch hochmolekulares Polytetrafluoräthylen mit einem Molekulargewicht von 500 000 aufweisen können.
Dabei ist der Bestandteil PTFE mit einem Molekulargewicht bis 10 000 die wichtigere Komponente, da der Anteil des hochmolekularen Polytetrafluoräthylens auch 0 o/o betragen, das Polytetrafluoräthylen mit dem Molekulargewicht bis 10 000 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 Fluorcarbonpolymere. Als geeignete Lösungsmittel kommen daher ausschliesslich organische Stoffe in Betracht, als die n-Butylalkohol, Toluol, Xylol, Methylisobutylketon, Äthylacetat, < 2ithy- lenglykol und Amylacetat genannt werden.
Beim Auftragen einer derart zusammengesetzten Dispersion müssen besondere Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, um einerseits Verdunnstungsverluste und unerwünschtes Eindicken der Dispersion zu verhüten, andererseits Feuer- und Explosionsgefahren vorzubeugen sowie ein Überschreiten der zulässigen Anreicherung der Atmosphäre im Arbeitsraum an Lösungsmitteldämpfen zu vermeiden. Erforderlich sind weiter verhältnismässig hohe Einbrenntemperaturen, die das metallurgische Gefüge der überzogenen Gegenstände in unenvünschtem Ausmasse verändern können. Auch liegt das nichtfluorierte Polymer in homogener Lösung vor, so dass die Dispersion eine hohe Viskosität annimmt.
Sämtlichen Vorschlägen dieser Art lag dabei das Vorhaben zugrunde, eine Gleitschicht zu erzeugen, die das Eindringen der Schraube in das Holz erleichtert.
Nun hat es sich aber gezeigt, dass zwischen dem für die Gleiteigenschaften eines Stoffes massgebenden Reibungskoeffizienten und dem Eindrehwiderstand einer Holzschraube kein gesetzmässig festzulegender Zusammenhang besteht. Beispielsweise hat Molybdändisulfid einen Reibungskoeffizienten von 0,02 (BOYD und ROBERTSON, Transactions A.S.M.E. pp. 51-59 Januar 1945), der unterhalb desjenigen von PTFE liegt, wobei die Angaben des Schrifttums zwischen 0,05 und 0,24 schwanken [D.G. FLOM und N.T. PORILE, Nature 175. 682 (1955) mit 0,05-0,08; 0,10-0,16; 0,10-0,24; 0,10 Proc. Rog. London A 212, 491 (1952 mit 0,05-0,08) D.G. FLOM und N.T. PORILE, J.Appl. Physic 26, 1088, September 1955].
Bestände der envähnte, gesetzmässig definierte Zusammenhang, dann hätte eine Molybdändisulfidschicht auf einer Holzschraube zu einer Erniedrigung des Eindrehwiderstandes gegenüber einer unbehandelten Holzschraube führen müssen. Der Versuch aber ergab, dass eine Holzschraube nach DIN 97 mit den Abmessungen 4,0X4,5 mm, mit Molybdändisulfid beschichtet, zum Eindrehen ein Drehmoment von 8,6 cmkg erforderte, während die unbehandelte. völlig identische Schraube ein Eindrehmoment von nur 7,0 cmkg erforderte. Beschichtete man eine Schraube gleicher Grösse mit Graphit, so war der Eindrehwiderstand 6,0 cmkg und lag daher nur geringfügig unter dem Eindrehmoment von 7,0 cmkg für unbehandelte Schrauben, trotzdem Graphit denselben niedrigen Reibungskoeffizienten von 0,03 [STUPP, Lubrication Eng. 14, 1958; 0,02 Brit. ,.Appl.
Physics Supplement 1,2 (1951) 42] wie PTFE im Mittel besitzt. Mit 6,25 cmkg für Oktadecylamid lag das Eindrehmoment beschichteter Schrauben unwesentlich niedriger als für unbehandelte Schrauben, obschon alle langkettigen aliphatischen Amine die Reibungskoeffizienten auf 0,04-0,05 [LEVINE und ZIS MAN J.Phys.Chem. 61, 1068 (1957)] vermindern. Als Holz wurde eine Ramin-Hartholzsorte mit einer Vorbohrung von 2 mm Durchmesser benutzt. Das Drehmoment wurde bei einer Eindringtiefe der Schraube nach acht vollen Umdrehungen gemessen.
Überraschenderweise wurde nun, entgegen allen Erwartungen, die aus dieser Einflusslosigkeit oder in jedem Falle aus diesem geringen Einfluss des Reibungskoeffizienten auf das Verhalten einer Schicht in Bezug auf das Eindrehmoment gezogen werden können, gefunden, dass eine sprunghafte Verminderung des Eindrehmomentes eintritt, wenn man die erfindungsgemäss vorgeschlagene Überzugsschicht benutzt, die deshalb ein völlig ungewöhnliches Verhalten zeigt, weil ein nach den oben genannten Messbedingungen bei der unbehandelten Schraube festgestelltes Eindrehmoment von rund 7,0 cmkg auf den überraschend niedrigen Wert von 1,8-2,2 cmkg abfällt, trotzdem beispielsweise in der Mischung vorhandenes Polyäthylen mit 0,20 einen noch höheren Reibungskoeffizient als PTFE aufweist.
Ebenso ungewöhnlich ist es, dass erfindungsgemäss ausgebildete Holzschrauben auch noch nach langer Zeit bei Aufwand des gleichen, niedrigen Drehmomentes lösbar waren und dasselbe niedrige Drehmoment trotz mehrfacher Verwendung weitestgehend beibehielten. Ebenso sprunghaft war der Fortschritt, der in Bezug auf die Korrosionsfestigkeit zu erreichen war. Wurde bei unbehandelten Schrauben ein Salzsprühtest bei 20 C gemacht, so traten Rostspuren bereits nach 30 Minuten auf, während Holzschrauben, die einen erfindungsgemäss ausgebildeten Überzug hatten, den ersten Rostanflug nach einer 16-fach längeren Zeit, nämlich nach 8 Stunden zeigten.
Der erzielte technische Fortschritt ist umso bedeutender, als das Eindrehmoment bei Überzügen aus reinem PTFE 3,7 cmkg betrug, so dass dieses Eindrehmoment noch rund um das Doppelte höher war als das niedrigste Eindrehmoment, das erfindungsgemäss zu erzielen ist. Es tritt also eine auf Grund der bisherigen Kenntnisse nicht zu erwartende synergistische Wirkung der Mischung auf, die nach den hier gemachten Vorschlägen aufzubringen ist. Bemerkenswert ist dabei, dass diese fortschrittliche Wirkung im wesentlichen auf das Auftreten bei Holzschrauben beschränkt ist.
Bekanntlich ist auch bereits der Vorschlag gemacht worden, die Schneiden von Rasierklingen mit den verschiedensten, gute Gleiteigenschaften aufweisenden Stoffen zu beschichten, weil man der Auffassung war, die Erleichterung des Gleitens der Klinge beim Schnitt durch das Barthaar führe zu einem massgeblichen Erfolg, so dass ebenfalls Überzüge auf der Basis von Silikon und, später PTFE vorgeschlagen wurden. Es lag daher nahe, nach den vorliegenden Vorschlägen ausgebildete Überzüge auf den Schneiden von Rasierklingen anzuordnen. Dabei zeigte sich kein Erfolg, der über den mit PTFE erreichten Fortschritt hinausgeht, so dass also auch kein Zusammenhang zwischen den zu vorliegender Erfindung führenden Erkenntnissen und dem auf dem Gebiete der Rasierklingenbeschichtung auftretenden Stand der Technik besteht. Vielmehr ist die Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, insoweit einzigartig.
Der technische Fortschritt, der nach den hier gemachten Vorschlägen erreicht wird, ist dabei umso be merkenswerter, als Überzüge verwendbar sind, die zwi schen 140 und 3300 C eingebrannt sind. Reines Polytetrafluoräthylen verlangt Einbrenntemperaturen von etwa 390" C, so dass für Eisen- und Messingwerkstoffe verhältnismässig kostspielige Schutzgase unentbehrlich werden, die Sauerstoff nur in wenigen ppm-Gehalten enthalten (Reinstickstoff oder Lampenstickstoff, gegebenenfalls explosionsgefährlicher Wasserstoff). Dabei muss Polytetrafluoräthylen in ausreichender Menge aufgebracht sein, so dass man Dispersionen mit mindestens 20 O/o Feststoffgehalt benutzen muss, in welche die zu behandelnden Gegenstände eingetaucht werden.
Der Werkstoffverbrauch an diesen teuren Polymeren wird dadurch verhältnismässig hoch. Verwendet man aber geringere Konzentrationen, so treten schlechtere Werte auf. Dagegen lassen sich die hier vorgeschlagenen Gemische aus Polyäthylen- und PTFE-Suspensionen mit nur 40/0 Polytetrafluoräthylen und etwa 2,5 /o Polyäthylengehalt ohne Verminderung der Wirkung anwenden, so dass eine merkliche und für eine industrielle Verwertung entscheidene Kostenersparnis entsteht. Eine so ausgebildete Suspension schmilzt bereits bei 140 C zu einem praktisch unsichtbaren, dünnen Film ein so dass Schutzgase nunmehr entbehrlich werden.
Weiter benötigt das Herstellungsverfahren infolge der angegebenen. verhältnismässig breiten, zulässigen Erhitzungs- und Temperaturspanne zwischen 140 und 2200 C keine aufwendigen Erhitzungs- und Temperaturregelvorrichtungen. Da auch die Verweilzeit unkritisch ist, lassen sich alle bekannten und denkbaren Erhitzungsvorrichtungen anwenden, während bei Einsatz einer reinen PTFE-Suspension ausser der notwendigen hohen Beschichtungsmenge eine Erhitzung auf 370-4000 C notwendig wird. Ausserdem fallen teure Schleusenverfahren für das Schutzgas und die hohen Verfahrensaufwendungen für die Temperaturregelung zur Vermeidung von Üherhitzungen weg.
Schliesslich ist darauf hinzuweisen, dass infolge der nunmehr möglich gewordenen, geringeren Sintertemperaturen nicht mehr die giftigen Gase auftreten, die bei der Sinterung von Polytetrafluoräthylen frei werden.
Das Verfahren zur Herstellung der Holzschrauben kennzeichnet sich dadurch, dass auf der Holzschraube ein Überzug aus einer Suspension, die feinstverteiltes Polytetrafluoräthylen enthält, mit einem Gehalt an einem niedrigschmelzenden Thermoplast im Überzug erzeugt und der Überzug bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des PTFE eingebrannt wird.
Die Beschichtung kann dabei in jeder in Betracht kommenden Weise aufgebracht werden, wobei Tauchen, Übergiesçen, An- oder Aufspritzen, Be- oder Aufstreichen nur beispielsweise zu nennen sind, da es auf die Art des Aufbringens nur dahin ankommt, eine geschlossene und möglichst dünne Schicht zu erzeugen.
Entsprechend dem Hinweis auf die Zusammensetzung der Überzugsschicht ist verfahrenstechnisch von Bedeutung, dass als Thermoplas,tkomponenten hauptsächlich Polyolefine, insbesondere Polyäthylen-Mischpolymerisate mit polaren Monomeren wie Acrylsäure in die Mischung einzubringen sind. Anstelle der Polymeren lassen auch höher schmelzende Wachssuspensionen oder Lösungen verwenden, wofür wässrige Synthesewachsemulsionen oder Lösungen hochmolekularen Polyäthylenoxyds in Frage kommen. Jedoch haben sich die bereits erwähnten Suspensionen von Polyäthylen, die vorteilhaft Carboxylgruppen enthalten, besonders bewährt. 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 Poly äthylen 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 carboxylgruppenhaltigem Polyäthylen zu 2 Teilen Polytetrafluoräthylen mit einem Gehalt von 4,4 ovo PTFE mit nichtionogenem Emulgator als wässrige Suspension die bsten Ergebnisse bringt. Man taucht ein, übergisst oder besprüht die Schrauben, schleudert ab oder lässt abtropfen, trocknet und erhitzt etwa 5 Minuten auf eine Temperatur zwischen 180 und 2200 C 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 aus, doch ist es in einigen Fällen von Vorteil, die Schrauben etwas. zu beizen; insbesondere Messingschrauben lassen sich durch Beizen ill Säuren gut vorbereiten. Bei Aluminium kann man weitere Verbesserungen durch Beizen mit Chromsäure, Chromat, Natronlauge oder durch anodische Aufrauhung erzielen, doch werden 75 0/0 Verbesserungen bereits mit nicht vorbehandelten Aluminiumschrauben erreicht. In allen Fällen wird das erforderliche Einschraubdrehmoment bei Schrauben ohne Vorbereitung der Metalloberfläche bereits um 65-75 O/o herabgesetzt.
Besondere Verhältnisse liegen bei Aluminium- und Messingsehrauben vor. Deren Torsionsfähigkeit ist so gering, dass diese Schrauben im unbehandelten Zustand unter dem Einfluss der Eindrehkräfte einerseits, des Eindrehwiderstandes andererseits entweder am Schlitz ausreissen oder im Schaft brechen. Daran hat die Beschichtung mit Bienenwachs oder mit anderen Werkstoffen hoher Gleitfähigkeit bzw. niedrigen Reibungskoeffizienten nichts geändert. Auch Überzüge aus Tetrafluoräthylen kamen deshalb nicht in Betracht, weil bei den zur Aufsinterung dieses tJberzugeswerk- stoffes Temperaturen erforderlich waren, bei denen sich das Gefüge der Aluminiumschrauben in störender Weise änderte.
Eine Absenkung des Eindrehwiderstandes um 20 O/o, wie sie nach früheren Vorschlägen zu erreichen war, reichte nicht aus, um Aluminiumschrauben ohne häufige Brüche in Holz einschrauben zu können. Tragen jedoch die Aluminiumschrauben Überzüge nach den hier niedergelegten Vorschlägen, so konnte der Gewindedurchmesser bei Erhaltung gleicher Torsionsfestigkeit cm 35-43 O/o 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 Überzuges 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 800/0 gegenüber einer handelsüblichen Schraube. Es erübrigt sich ausserdem bei gebräuchlichen Grössen, die Löcher vorzubohren. Besonders geeignet sind die neuen Schrauben für Presspan- 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, so dass eine weitere Verringerung des Kraft- und Zeitaufwandes auftritt.
Der holzverarbeitenden Industrie entstehen dadurch, ausser der Verringerung des Materialaufwandes, beträchtliche Kraft- und Arbeitsersparnisse. Der Verwendung grösserer Schrauben stehen keine Schwierigkeiten mehr durch zu grosse menschliche Kraftanstrengungen entgegen, womit neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden.
Low resistance wood screw and method of making the same
The present invention relates to a wood screw with low screw-in resistance and a method for producing the same.
When screwing wood screws into materials that, such as wood in particular, allow the wood screw to cut its own thread the first time it is screwed in, a relatively high screw-in resistance arises, which means that the wood screw must be given strength properties in order to absorb the torsional stresses Go beyond those that the wood screw would have to have if it were only subjected to tension after screwing in. In other words, wood screws could be produced with less material if it was possible to reduce the screw-in resistance to an extent at which the dimensioning required with regard to torsional strength does not go beyond what is required with regard to the stress on the screw in use is.
It is the object of the present invention to create the prerequisites for the screwing resistance to meet the requirements mentioned.
The invention solves the problem in that the screw carries a coating which has finely distributed polytetrafluoroethylene embedded in a base material containing a thermoplastic.
In accordance with the general abbreviation for polytetrafluoroethylene with PTFE, this abbreviation is used in the following.
A sudden decrease in the screwing resistance occurs when the coating contains a polyolefin, such as polyethylene. In addition, there may be contents of polar monomers which are chemically incorporated and consist, for example, of acrylic acid.
Coatings on wood screws and other fasteners such as machine screws for which the thread has to be pre-cut, i.e. coatings on nails, pins, needles, etc., are not in themselves new, although they consist of a wide variety of materials, such as soap. However, soap-coated screws rust and loosen as a result of de-swelling from receiving wood; the application process se! bst is time consuming and a soap coating interferes with later painting. Beeswax has also been recommended as a firmly adhering lubricant, but a reduction in the screwing resistance of 20 out of 100 can be achieved.
Screws with strong, mostly colored polyethylene layers on their heads have also become known; the layers are applied by means of a fluidized bed process and are mainly intended to improve the appearance of the screws. If, besides beeswax, other well-known lubricants such as graphite, molybdenum sulfide, polyethylene, silicone, polyamides, polyoxymethylene (DELRIN (D), metal stearates etc.) are applied to screws, the achieved reduction in screw-in resistance remains only slight. For this reason, none effectively treated wood screws in the trade, although there is a considerable need for this.
If tetrafluoroethylene (TEFLON e) is applied, an effective effect can be achieved by using a small number of commercially available polymer dispersions. In general, however, only the polymer dispersions GP 1 from Imperial Chem. Industries (ICI) can be used; A similar product from Du Pont has the trade name T 30. These are aqueous, ammoniacal dispersions made from pure high-polymer tetrafluoroethylene, which must be stoved at 400 "C, since the sintering point for polymers is at this temperature.
Dispersions have also already been described which contain polytetrafluoroethylene with a molecular weight of 2000-10,000 and in addition can also have high molecular weight polytetrafluoroethylene with a molecular weight of 500,000.
The constituent PTFE with a molecular weight of up to 10,000 is the more important component, since the proportion of high molecular weight polytetrafluoroethylene is also 0 o / o, while polytetrafluoroethylene with a molecular weight of up to 10,000 cannot be omitted. The desired friction-reducing effect can only be achieved with this dispersion if low molecular weight PTFE is present.
However, this is associated with considerable disadvantages. The waxy, low molecular weight tetrafluoroethylene is not as stable as the high molecular weight PTFE. Particularly extensive requirements are made of the solvent; it should dissolve the thermoset or thermoplastic, but not the fluorocarbon polymers. Only organic substances come into consideration as suitable solvents, such as the n-butyl alcohol, toluene, xylene, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate, 2-ethylene glycol and amyl acetate.
When applying such a composed dispersion, special precautionary measures must be taken, on the one hand to prevent evaporation losses and undesired thickening of the dispersion, on the other hand to prevent fire and explosion hazards and to avoid exceeding the permissible concentration of solvent vapors in the atmosphere in the work area. Furthermore, relatively high baking temperatures are required, which can change the metallurgical structure of the coated objects to an undesirable extent. The non-fluorinated polymer is also present in a homogeneous solution, so that the dispersion assumes a high viscosity.
All proposals of this kind were based on the project to create a sliding layer that makes it easier for the screw to penetrate the wood.
However, it has now been shown that there is no legally defined relationship between the coefficient of friction, which is decisive for the sliding properties of a material, and the screwing resistance of a wood screw. For example, molybdenum disulfide has a coefficient of friction of 0.02 (BOYD and ROBERTSON, Transactions A.S.M.E. pp. 51-59 January 1945), which is below that of PTFE, with the information in the literature varying between 0.05 and 0.24 [D.G. FLOM and N.T. PORILE, Nature 175, 682 (1955) with 0.05-0.08; 0.10-0.16; 0.10-0.24; 0.10 Proc. Rog. London A 212, 491 (1952 with 0.05-0.08) D.G. FLOM and N.T. PORILE, J. Appl. Physic 26, 1088, September 1955].
If the aforementioned, legally defined relationship existed, then a molybdenum disulphide layer on a wood screw should have led to a reduction in the screwing resistance compared to an untreated wood screw. The experiment showed, however, that a wood screw according to DIN 97 with the dimensions 4.0X4.5 mm, coated with molybdenum disulfide, required a torque of 8.6 cmkg to screw in, while the untreated one. completely identical screw required a tightening torque of only 7.0 cmkg. If a screw of the same size was coated with graphite, the screw-in resistance was 6.0 cmkg and was therefore only slightly below the screw-in torque of 7.0 cmkg for untreated screws, although graphite had the same low coefficient of friction of 0.03 [STUPP, Lubrication Eng. 14, 1958; 0.02 Brit. , .Appl.
Physics Supplement 1,2 (1951) 42] like PTFE on average. At 6.25 cmkg for octadecylamide, the insertion torque of coated screws was insignificantly lower than for untreated screws, although all long-chain aliphatic amines had coefficients of friction to 0.04-0.05 [LEVINE and ZIS MAN J.Phys.Chem. 61, 1068 (1957)]. The wood used was a type of Ramin hardwood with a pre-drilled hole 2 mm in diameter. The torque was measured at a screw penetration depth after eight full turns.
Surprisingly, contrary to all expectations that can be drawn from this lack of influence or in any case from this slight influence of the coefficient of friction on the behavior of a layer in relation to the screwing-in torque, it has now been found that a sudden reduction in the screwing-in torque occurs if the according to the invention proposed coating layer is used, which therefore shows a completely unusual behavior because a screwing-in torque of around 7.0 cmkg determined according to the above-mentioned measuring conditions for the untreated screw drops to the surprisingly low value of 1.8-2.2 cmkg, nevertheless, for example in The polyethylene present in the blend has an even higher coefficient of friction than PTFE with 0.20.
It is just as unusual that wood screws designed according to the invention could be released even after a long time with the same, low torque and largely retained the same low torque despite repeated use. The progress that could be achieved with regard to corrosion resistance was just as leaps and bounds. If a salt spray test was carried out on untreated screws at 20 C, traces of rust appeared after just 30 minutes, while wood screws that had a coating formed according to the invention showed the first appearance of rust after a time 16 times longer, namely after 8 hours.
The technical progress achieved is all the more important as the screw-in torque for coatings made of pure PTFE was 3.7 cmkg, so that this screw-in torque was around twice as high as the lowest screw-in torque that can be achieved according to the invention. A synergistic effect of the mixture that cannot be expected on the basis of previous knowledge occurs, which is to be applied according to the proposals made here. It is noteworthy that this progressive effect is essentially limited to the occurrence of wood screws.
As is well known, the suggestion has already been made to coat the cutting edges of razor blades with a wide variety of materials that have good sliding properties, because it was believed that making it easier for the blade to slide when cutting through the whisker would lead to significant success, so that too Coatings based on silicone and, later, PTFE have been proposed. It was therefore natural to arrange coatings formed in accordance with the present proposals on the cutting edges of razor blades. There was no success that goes beyond the progress achieved with PTFE, so that there is no connection between the knowledge leading to the present invention and the prior art occurring in the field of razor blade coating. Rather, the knowledge on which the invention is based is unique in this respect.
The technical progress that is achieved according to the proposals made here is all the more remarkable as coatings that are baked between 140 and 3300 C can be used. Pure polytetrafluoroethylene requires baking temperatures of around 390 "C, so that relatively expensive protective gases are indispensable for iron and brass materials, which only contain a few ppm of oxygen (pure nitrogen or lamp nitrogen, possibly explosive hydrogen). A sufficient amount of polytetrafluoroethylene must be applied so that one must use dispersions with at least 20% solids content in which the objects to be treated are immersed.
This makes the material consumption of these expensive polymers relatively high. However, if lower concentrations are used, poorer values occur. On the other hand, the mixtures of polyethylene and PTFE suspensions proposed here with only 40/0 polytetrafluoroethylene and about 2.5 / o polyethylene content can be used without reducing the effect, so that a noticeable cost saving, which is decisive for industrial use, arises. A suspension formed in this way already melts at 140 C to form a practically invisible, thin film, so that protective gases are now unnecessary.
Next, the manufacturing process requires the specified. relatively wide, permissible heating and temperature range between 140 and 2200 C, no expensive heating and temperature control devices. Since the dwell time is also uncritical, all known and conceivable heating devices can be used, while when using a pure PTFE suspension, in addition to the necessary high amount of coating, heating to 370-4000 C is necessary. In addition, there are no expensive lock processes for the protective gas and the high process costs for temperature control in order to avoid overheating.
Finally, it should be pointed out that as a result of the lower sintering temperatures that have now become possible, the toxic gases that are released during sintering of polytetrafluoroethylene no longer occur.
The process for producing the wood screws is characterized in that a coating of a suspension containing finely divided polytetrafluoroethylene with a content of a low-melting thermoplastic is produced on the wood screw and the coating is burned in at temperatures below the sintering temperature of the PTFE.
The coating can be applied in any possible way, dipping, pouring over, spraying on or spraying on, painting or brushing on are only to be mentioned as examples, since the type of application only depends on a closed and as thin layer as possible to create.
In accordance with the reference to the composition of the coating layer, it is important in terms of process technology that the thermoplastic components to be introduced into the mixture are mainly polyolefins, in particular polyethylene copolymers with polar monomers such as acrylic acid. Instead of the polymers, higher melting wax suspensions or solutions can also be used, for which aqueous synthetic wax emulsions or solutions of high molecular weight polyethylene oxide are suitable. However, the above-mentioned suspensions of polyethylene, which advantageously contain carboxyl groups, have proven particularly useful. The mixing ratio of the two components can be varied within wide limits.
Without limiting the applicability of the invention, mixtures in a ratio between 1 part of polyethylene and 20 parts of PTFE and 10 parts of polyethylene to 1 part of PTFE can be used. Most advantageous, however, are mixing ratios between 1: 1 to 1: 4 PE: PTFE, of which a mixture of 1 part of carboxyl-containing polyethylene to 2 parts of polytetrafluoroethylene with a content of 4.4 ovo PTFE with a nonionic emulsifier as an aqueous suspension gives the best results. You immerse, pour or spray the screws, spin them off or let them drip off, dry and heat for about 5 minutes to a temperature between 180 and 2200 C in air. Suitable materials are iron, bare or with galvanic coatings, brass or aluminum.
Usually the natural roughness of the metal surface is sufficient for the treatment, but in some cases it is beneficial to remove the screws a little. to pickle; Brass screws in particular can be prepared well with pickling and acids. In the case of aluminum, further improvements can be achieved by pickling with chromic acid, chromate, caustic soda or by anodic roughening, but 75% improvements are already achieved with aluminum screws that have not been pretreated. In all cases, the required screw-in torque for screws without preparation of the metal surface is already reduced by 65-75%.
Special conditions exist with aluminum and brass screws. Their torsional capacity is so low that, in the untreated state, these screws either tear out at the slot or break in the shaft under the influence of the screwing forces on the one hand and the screwing resistance on the other hand. The coating with beeswax or other materials with high sliding properties or low coefficients of friction has not changed this. Coatings made of tetrafluoroethylene were also out of the question because the temperatures required for sintering on this coating material would cause the structure of the aluminum screws to change in a disruptive manner.
A reduction in the screwing resistance by 20%, as was achieved according to earlier proposals, was not enough to be able to screw aluminum screws into wood without frequent breaks. However, if the aluminum screws have coatings in accordance with the suggestions made here, the thread diameter could be reduced to cm 35-43 o / o while maintaining the same torsional strength, whereby either the thread depth of conventional commercial screws is more than. doubled or, if the tensile strength is sufficient, a weaker screw can be used.
Such a screw that is structurally correct and utilizes the advantages of the coating has a low weight and more than twice as high a pull-out resistance while at the same time reducing the necessary screw-in torque by approximately 800/0 compared to a commercially available screw. It is also unnecessary to pre-drill the holes with common sizes. The new screws are particularly suitable for pressboard and hardboard, which tend to run the risk of pulling out the threads; corresponding to the greater pull-out resistance, screws smaller than those used in comparison, untreated screws can now be used with the same efficiency, so that there is a further reduction in effort and time.
In addition to reducing the cost of materials, this also saves the woodworking industry considerable energy and labor savings. The use of larger screws is no longer faced with difficulties due to excessive human exertion, which opens up new application possibilities.