DE102007058716A1

DE102007058716A1 - Korrosionsschutz für Befestigungselemente von Bauteilen aus hochlegierten Stählen

Info

Publication number: DE102007058716A1
Application number: DE200710058716
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr. Rer. Nat. Bressel; Heinz-Dieter Dr.-Ing. Hesse; Martin Dipl.-Ing. Schirmer (FH); Daniel Dipl.-Ing. Krause
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-10
Also published as: EP2215287A1; WO2009071136A1; JP5323083B2; JP2011509204A

Abstract

Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl, und ein Zwischenelement aus einem metallischen und nicht-rostenden Werkstoff, der elektrochemisch vergleichbar oder unedler ist als das Befestigungsmittel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere eine Abgasleitung oder ein Auspuffsrohr für die Verbrennungsgase von mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1.
Heutige Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge bestehen größtenteils aus Stahlblechen bzw. Stahlrohren. Werden Auspuffanlagen, insbesondere die Endschalldämpfer oder Endrohre in den Sichtbereich von Fahrzeugen gelegt, so werden hohe Anforderungen an deren optische Erscheinung gestellt. Sowohl aus funktionellen wie auch aus optischen Gründen werden derartige Abgasanlagen häufig aus hochlegierten ferritischen oder austenitischen Edelstählen hergestellt.
Für freiliegende bzw. im Sichtbereich von Fahrzeugen angeordnete Bauteile der Auspuffanlage sind unter anderem hochlegierte Cr- und CrNi-Stähle besonders geeignet, da diese ihre hochwertige und stahlglänzende Anmutung im Außenbereich unter Betriebsbedingungen nur wenig einbüßen.
Während die hochlegierten Stähle somit eine befriedigende Korrosionsstabilität für den Außenbereich aufweisen, ist dies für die Befestigungselemente, die für wieder lösbare Verbindungen eingesetzt werden, in der Regel nicht der Fall. Zu den typischen Befestigungselementen, welche die Abgasleitung bzw. die Auspuffanlage mit der Karosserie eines Kraftfahrzeugs verbinden, zählen Schraubverbindungen zu Trägern sowie Muffen, Schellen oder Bänder, die aus niedriglegierten bzw. einfachen Stählen gebildet sind. Befestigungselemente aus Kunststoff oder Gummi sind für den unmittelbaren Kontakt zu den heißen Bereichen der Abgasanlage nicht geeignet und kommen daher nur zum Einsatz, wenn konstruktiv über Zwischenelemente ein geeigneter Abstand bzw. thermische Isolation gewährleistet wird.
Unter den Betriebsbedingungen einer Auspuffanlage, insbesondere einer Abgasanlage von Kraftfahrzeugen, führen die Wechselbelastung aus wässrigen korrosiven Medien durch Bewitterung und die Hitzeeinwirkung durch die heißen Abgase bei ungeschützten oder unedlen Metallen zu korrosivem Angriff und im Falle von einfachen Stählen zur Rostbildung.
Die Befestigungselemente aus Stählen sind zwar häufig mit Korrosionsschutzbeschichtungen versehen, beispielsweise Zn-Beschichtungen oder Zinklamellenbeschichtungen, diese werden in der Regel jedoch relativ schnell aufgezehrt oder bei der Montage bereits beschädigt. Außerdem kann sich im direkten Kontakt mit dem elektrochemisch edleren Stahl der Auspuffanlage, beispielsweise bei Schraubverbindungen, ein Lokalelement ausbilden, das die Korrosion der unedleren Befestigungselemente unterstützt. Bei der Verwendung üblicher Befestigungselemente, deren Korrosionsschutz durch Überzüge aus elektrochemisch unedleren Werkstoffen gewährleistet wird, kommt es durch Ausbildung von Kontaktkorrosionselementen mit dem elektrochemisch edleren hochlegierten Stahl zur starken Korrosion der Befestigungs- und Verbindungselemente, die bisher nur durch erheblich teurere hochwertigere Elemente ersetzt werden konnten.
In der Folge bildet sich durch die Befestigungselemente Rost, der optisch nachteilig in Erscheinung tritt. Bereits geringe Rostmengen können sich durch Bildung von Schlieren oder Fahnen großflächig auf der Oberfläche (Außenseite) der Auspuffanlage verteilen und sich durch Hitzeeinwirkung sogar noch auf der Oberfläche einbrennen. Obwohl eine Korrosionserscheinung der Befestigungselemente auftritt, wird der Rostbelag durch den Anwender eher als Schädigung des befestigten Stahlbauteils, bzw. des Auspuffs empfunden. Es ist somit ein wichtiges Bedürfnis, die hochwertige und stahlglänzende (Chrom-Glänzende) Anmutung der Auspuffanlage im Betrieb, möglichst ungestört zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Befestigungsanordnung für ein der Bewitterung und Hitzeeinwirkung ausgesetztes Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere für eine Abgasleitung für Verbrennungsgase, welche keine störenden, insbesondere optisch auffälligen Korrosionsprodukte freisetzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement, wobei das Zwischenelement aus einem metallischen und nicht-rostenden Werkstoff besteht, der sich elektrochemisch vergleichbar oder unedler als das Befestigungsmittel verhält, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Wesen der Erfindung beruht darauf, dass mittels eines Zwischenelements, das hinsichtlich der Befestigungsmittel als Opferanode wirkt, beziehungsweise für das Befestigungsmittel einen kathodischen Korrosionsschutz bewirkt, eine Rostbildung innerhalb der Befestigungsanordnung unterbunden wird. Im elektrochemischen System aus edlem Stahlbauteil, unedlem metallischen Befestigungsmittel und Zwischenelement bildet das Zwischenelement den unedelsten Systempartner und wirkt, da in unmittelbarem leitendem Kontakt mit dem Befestigungsmittel als Opfermaterial für letzteres.
Dies trifft auch auf Befestigungsmittel mit eigener Korrosionsschutzbeschichtung zu, insofern derartige Korrosionsschutzbeschichtungen nur zeitlich begrenzte Wirkung zeigen. Typischerweise wird das metallische Befestigungsmittel aus einem niedrig legierten Stahl gebildet, welcher eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zn-Basis, insbesondere eine Zinklamellenbeschichtung trägt, oder eine Lackbeschichtung trägt. Bei Ausführung des Zwischenelements aus Werkstoffen, die durch vergleichbares elektrochemisches Verhalten nicht zu einer Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung durch Kontaktkorrosion führen (z. B. ZnNi) oder elektrochemisch unedleres Werkstoffhalten aufweisen, wird eine vorzeitige Zehrung der Korrosionsschutzbeschichtung des Befestigungselements wirksam verhindert.
Als weiterer günstiger Effekt tritt auch ein kathodischer Korrosionsschutz des edlen Stahls, insbesondere des CrNi-Stahls, hinzu. Dies ist im Bereich der Befestigung vorteilhaft, da gerade hier Spaltkorrosion vermehrt auftreten kann.
Das Zwischenelement ist eine Zwischenlage bzw. Trennschicht aus elektrochemisch vergleichbarem oder unedlerem Werkstoff, der als nicht-rostender Werkstoff beispielsweise aus Al- und seinen Legierungen ausgebildet ist. Zur Gruppe der elektrochemisch vergleichbaren Werkstoffe fallen beispielsweise ZnNi-Beschichtungen, die auch auf Zn-Beschichtungen der Verbindungsmittel aufgrund zu geringer Potentialdifferenzen nicht zur Bildung von Kontaktkorrosionselementen führen können. Hinsichtlich seiner Geometrie und Anordnung ist wesentlich, dass eine größtmögliche stoffliche Trennung zwischen dem Befestigungsmittel und dem Bauteil gewährleistet wird. Eine vollständige Trennung ist insofern nicht erforderlich, als Rostbildung nicht im Sichtbereich stattfinden kann, bzw. der Austritt von Rost in den Sichtbereich nicht stattfinden kann. Bevorzugt ist das metallische Befestigungsmittel zumindest im Sichtbereich der Befestigungsanordnung vollständig durch das Zwischenelement von dem Bauteil getrennt wird.
Das Zwischenelement kann beispielsweise als spezielles Bauteil, Blech, plattierte Auflage oder Unterlegscheibe ausgebildet sein. Ebenso ist durch das Zwischenelement begrifflich auch eine Beschichtung umfasst, die den unedlen Korrosionsschutzüberzug des Verbindungselements, beispielsweise eine Schraube mit Zinklamellenbeschichtung, zumindest partiell im Tragbereich vor direktem Kontakt mit dem hochlegierten Stahl abdeckt. Als Zwischenelement ist sowohl die Anwendung als vollflächige Lage mit geringer Schichtdicke als auch die Verwendung einzelner lokaler Abstandshalter im Tragbereich mit größerer Schichtdicke möglich.
Das Zwischenelement muss dabei zumindest die Größe der Kontaktfläche aufweisen, kann aber auch einen Überstand aufweisen, so dass es über die seitliche Begrenzung des Befestigungsmittels hinausragt. Ein Überstand des Zwischenelements ist beispielsweise bei Anwendung eines Spannbandes oder bei Schrauben von Vorteil.
In bevorzugter Ausgestaltung bildet das Zwischenelement bei seiner elektrochemischen Korrosion voluminöse Korrosionsprodukte aus. Durch Ausbildung voluminöser Korrosionsprodukte des Zwischenelements bzw. der Zwischenlage wird der Spaltbereich wirksam vor Zutritt weiterer korrosiver Medien geschützt und die Lebensdauer des Befestigungselements signifikant erhöht.
Als weitere wichtige Eigenschaft ist die Haftfähigkeit des Korrosionsproduktes des Zwischenelements auf dem Untergrund.
Hierdurch wird vermieden, dass das Korrosionsprodukt ungehindert durch wässrige Medien ausgewaschen und großflächig verteilt wird. Ein typisches nicht-haftendes Korrosionsprodukt stellt Eisenoxid/Eisenhydroxid oder Rost dar. Insofern ist das Zwischenelement im Wesentlichen frei von Fe und seinen Legierungen. Zu den Elementen bzw. auf ihnen basierende Legierungen die vergleichsweise gut auf der Oberfläche haftende Oxide/Hydroxide bilden zählen dagegen Al, Mg, Si, Zn und Sn.
Besonders geeignete Legierungen für das Zwischenelement bilden zudem Korrosionsprodukte aus, die in der Hitze feste wasserunlösliche Krusten bilden. In der Regel werden durch elektrochemische Korrosion zunächst Hydroxide gebildet, welche in der Hitze an der Oberfläche der Abgasanlage dehydratisiert zu Hydroxid/Oxid-Mischverbindungen umgesetzt werden. Die Hydroxide von Al, Mg, Si, Zn und Sn bilden typischweise gelartiges Hydroxid-Material aus, das in der Hitze zu krustigem Oxid bzw. einem mehr oder weniger wasserhaltigen Oxid umgesetzt wird. Dieses Material hat den Vorteil einer gewissen mechanischen Stabilität, so dass der Spalt wirksam gefüllt und verschlossen wird. Zudem ist dieses Material durch Wassereinwirkung nur noch schlecht mobilisierbar, so dass ein Ausschwemmen verhindert wird.
Während durch die Verwendung von nicht-rostendem Material für das Zwischenelement klar gestellt ist, dass keine rostbraunen/roten Korrosionsprodukte gebildet werden sollen, ist es besonders vorteilhaft Material zu verwenden, das lediglich weiße oder farblose Reaktionsprodukte bildet. Durch Auftreten eher unauffälliger weißer Korrosionsprodukte anstelle des heute auftretenden Rotrosts wird das Bauteil optisch nicht negativ und somit weniger kundenauffällig verändert. Insbesondere wird ein weißes Korrosionsprodukt im Gegensatz zu Rotrost vom Anwender nicht als Beschädigung des hochwertigen Auspuffrohres bzw. des Bauteils aus hochlegiertem Stahl empfunden.
Zu den besonders geeigneten Materialien des Zwischenelements zählen Aluminiumlegierung, insbesondere aus der Gruppe der Al/Zn-, Al/Mg-, Al/Sn-, oder Al/Si-Legierungen, sowie Zn/Ni-Legierungen. Diese Legierungen weisen neben den aufgezeigten Korrosions- und Korrosionsschutzeigenschaften auch gute Gebrauchseigenschaften auf. Zudem handelt es sich auch um ein im Vergleich zu Stählen von Bauteil und Verbindungsmittel weiches und deformierbares Material, so dass die Verbindungsmittel sehr fest angezogen beziehungsweise fest sitzend montiert werden können.
Die Befestigungsanordnung kann unterschiedlichen Einsatz finden. Abgasanlagen von Befeuerungsanlagen, wie bspw. die Kamine von Hausbefeuerungsanlagen sind dabei ebenso geeignet wie Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen.
Bevorzugt ist die Befestigungsanordnung als Teil eines Auspuffrohrs von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ausgebildet, insbesondere wenn das Auspuffrohr zum überwiegenden Teil im Sichtbereich eines Kraftfahrzeugs angebracht ist.

Claims

Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einem metallischen und nicht-rostenden Werkstoff besteht, der elektrochemisch vergleichbar oder unedler ist als das Befestigungsmittel.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement bei elektrochemischer Korrosion voluminöse Korrosionsprodukte bildet.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement bei elektrochemischer Korrosion auf dem Grundmaterial des Zwischenelements haftende Korrosionsprodukte bildet.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsprodukte weiß oder farblos sind.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsprodukte in der Hitze feste wasserunlösliche Krusten bilden.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer ZnNi-Legierung gebildet ist.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Legierung ausgewählt ist aus der Gruppe der Al/Zn-, Al/Sn-, oder Al/Si-Legierungen.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Befestigungsmittel aus einem niedrig legierten Stahl aufgebaut ist.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zn-Basis, insbesondere eine Zinklamellenbeschichtung trägt.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einer ZnNi-Legierung gebildet ist.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Befestigungsmittel zumindest im Sichtbereich der Befestigungsanordnung vollständig durch das Zwischenelement von dem Bauteil getrennt wird.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Bauteil das Auspuffrohr von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auspuffrohr zum überwiegenden Teil im Sichtbereich eines Kraftfahrzeugs angebracht ist.
Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsanordnung einer Wechselbelastung aus wässrigen korrosiven Medien und Hitzeeinwirkung ausgesetzt ist.