DE102011012319A1

DE102011012319A1 - Verfahren zum Fügen eines Bauteils aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem Bauteil aus einem Metall und Verbindungsanordnung solcher Bauteile

Info

Publication number: DE102011012319A1
Application number: DE102011012319A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2012113426A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall, bei welchem ein Fügebereich des ersten Bauteils vor dem Fügen mit einer Korrosionsschutzschicht (42) zum Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion versehen wird, wobei die Korrosionsschutzschicht (42) durch thermisches Spritzen aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines erstens Bauteils aus einem kohlefaserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbindungsanordnung solcher Bauteile nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Im Zuge moderner Leichtbaubestrebungen werden im Kraftwagenbau zunehmend kohlefaserverstärkte Verbundmaterialien eingesetzt. Solche Teile finden beispielsweise für Außenbeplankungen oder dergleichen Verwendung und müssen dann mit metallischen Bauteilen, wie beispielsweise Trägerteilen des Kraftwagens oder dergleichen gefügt werden. Auf Grund der Leiftähigkeit der Kohlefaser kann sich im Kontaktbereich zwischen derartigen Bauteilen ein Lokalelement ausbilden. Besonders problematisch ist dies beim Fügen von kohlefaserverstärkten Kunststoffen mit Leichtmetallbauteilen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis. Elektrochemisch ist der Kohlenstoff im Verbundbauteil nämlich edler als das jeweilige Metall des damit verbundenen Bauteils, wodurch es zu elektrochemischer Kontaktkorrosion auf Seiten des metallischen Bauteils kommen kann. Auch Stahlbauteile können beim Kontakt mit Kohlefasern einer derartigen Kontaktkorrosion unterliegen.
Damit ein derartiger elektrochemischer Korrosionsprozess abgelaufen kann, ist das Eindringen von Feuchtigkeit sowie ein leicht saures oder alkalisches Milieu notwendig. Zum Schutz von Korrosion werden daher heutzutage die Kontaktstellen zwischen Metallbauteilen und kohlefaserverstärkten Bauteilen üblicherweise entsprechend abgedichtet. Dies kann beispielsweise durch kathodische Tauchlackierung des metallischen Bauteils erfolgen. Es ist ferner bekannt, die Bauteile durch Klebstoffauftrag gegeneinander zu dichten. Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Methode zur Verhinderung von Kontaktkorrosion ist es, den Fügebereich eines kohlefaserverstärkten Bauteils vor dem Fügen mit einer Glasfaser verstärkten Schicht zu laminieren. Diese ist elektrisch nicht leitfähig, so dass die Kontaktkorrosion unterbunden wird.
Die bekannten Verfahren sind mit dem Nachteil behaftet, dass der Auftrag des Korrosionsschutzes entweder aufwendig ist, wie beispielsweise im Fall der Laminierung mit Glasfaser, oder die Korrosionsschutzschicht keine hohe mechanisch Beständigkeit aufweist, so dass es bei Beschädigungen dieser Schicht wieder zu unerwünschten Korrosionsprozessen kommen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 bereitzustellen, welche ein einfaches und korrosionssicheres Fügen von kohlefaserverstärkten Bauteilen mit metallischen Bauteilen erlauben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall wird ein Fügebereich des ersten Bauteils vor dem Fügen mit einer Korrosionsschicht zum Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion versehen. Erfindungsgemäß ist dabei. vorgesehen, dass die Korrosionsschutzschicht durch thermisches Spritzen aufgebraucht wird. Durch das thermische Spritzen können auf verfahrenstechnisch einfache Art und Weise besonders dichte und porenfreie und dabei gleichzeitig gut haftende Korrosionsschutzschichten aufgebracht werden, die auch in mechanisch belasteten Fügebereichen einen zuverlässigen Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion bieten. Das Verfahren ist kostengünstig und schnell in seiner Durchführung kann besonders gut automatisiert werden. Hierdurch wird eine schnelle und günstige Möglichkeit zur Verfügung gestellt, die Kontaktbereiche zwischen Bauteilen aus Metall und kohlefaserverstärkten Kunststoff auch langfristig zuverlässig vor Kontaktkorrosion zu schützen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für die Korrosionsschutzschicht ein elektrischer Isolator oder Metall, welches elektrochemischer edler als das Metall des zweiten Bauteils ist, verwendet. Insbesondere eignen sich hierfür Keramiken auf Basis von Chromoxid, Aluminiumoxid oder Titanoxid, die durch übliche Spritzverfahren gut aufzubringen sind. An metallischen Beschichtungen ist insbesondere die Verwendung von Nickel, Zinn oder Legierungen davon zweckmäßig. Die zuletzt genannten Metalle eignen sich insbesondere zum Korrosionsschutz von Aluminium- oder Magnesiumbauteilen, sind jedoch auch zur Verwendung auf Stahlbauteilen geeignet.
Zum Aufbringen der Korrosionsschutzschicht können alle üblichen thermischen Spritzverfahren verwendet werden. Insbesondere eignet sich jedoch das Kaltgasspritzen und dabei besonders das Kaltgas-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Hierbei werden die Spritzpartikel, die üblicherweise in Form eines Drahtes, eines Pulvers oder dergleichen bereitgestellt werden, in einem vergleichsweise kalten Trägergas von wenigen 100°C Temperatur auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Beim Auftreffen der Partikel auf das Bauteil bilden die nicht oder nur partiell aufgeschmolzenen Partikel eine dichte und porenarme Schicht.
Kohäsion und Haftung der Spritzschicht entsteht dabei durch die hohe genetische Energie der Partikel im hochbeschleunigten Trägergasstrom, die beim Auftreffen der Spritzpartikel zu plastischer Verformung und daraus resultierender lokaler Wärmefreigabe sorgt. Durch die Verwendung von Edelgasen wie Argon oder anderen Inertgasen als Trägergas lässt sich Oxidation bzw. Phasenumwandlungen im Spritzmaterial besonders zuverlässig vermeiden. Durch die lediglich lokale Aufheizung auf Grund der kinetischen Energie der Spritzpartikel und die geringe Trägergastemperatur wird die Matrix des kohlefaserbasierenden Werkstoffes dabei kaum beeinträchtigt, so dass sich eine hochqualitative Spritzschicht ergibt, die sich nicht negativ auf die Haltbarkeit des kohlefaserverstärkten Bauteils auswirkt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verbindungsanordnung eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall, bei welchem der Fügebereich der Bauteile eine Korrosionsschutzschicht zum Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion angebracht ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Korrosionsschutzschicht durch thermisches Spritzen auf das erste Bauteile aufgebracht ist. Wie bereits anhand des Verfahrens erläutert, ergibt sich so eine besonders dichte, gut haftende und porenarme Korrosionsschutzschicht, die auch bei mechanischer Belastung der Verbindungsanordnung am kohlefaserverstärkten Bauteil haften bleibt und das Eindringen von Feuchtigkeit und elektrochemischer Kontaktkorrosion besonders zuverlässig verhindert.
Als Materialien für die Korrosionsschutzschicht eignet sich insbesondere elektrische Isolatoren, insbesondere Keramiken auf Chromoxid, Aluminiumoxid oder Titanoxidbasis, sowie Metalle, die edler sind als Metall des zweiten Bauteils. Unter dem Begriff edler ist hierbei zu verstehen, dass das Metall des Beschichtungswerkstoffs ein positiveres Normalpotential aufweist, als das Material des zweiten Bauteils. Bei der Verwendung von Aluminium oder Magnesiumbauteilen, die ein Normalpotential von –1,66 V bzw. –2,36 V aufweisen, eignet sich somit insbesondere Nickel mit einem Normalpotential von –0,25 V oder Zinn mit einem Normalpotential von –0,14 V. Die beiden genannten Metalle sind auch zur Beschichtung von Stählen (Normalpotential Eisen: –0,44 V) geeignet. Um unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials des kohlefaserverstärkten Verbundbauteils und der Spritzschicht zu kompensieren, können gegebenenfalls noch Zwischenschichten mit angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten eingespritzt werden.
Die Korrosionsschutzschicht kann durch beliebige Spritzverfahren, vorzugsweise jedoch das Kaltgasspritzen, insbesondere durch das Kaltgas-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht werden. Im Detail wurden die Vorteile dieser Spritztechniken bereits bei der Besprechung des Verfahrens erläutert.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Verbindungsanordnung aus einem kohlefaserverstärkten Bauteil und einem metallischen Bauteil nach dem Stand der Technik;
2 das Korrosionsbild einer derartigen Verbindungsanordnung nach dem Stand der Technik nach Durchführung eines VDA-Wechseltests;
3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung der Vorgänge beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
Zum Herstellen einer im Ganzen mit 10 bezeichneten Verbindungsanordnung aus einem kohlefaserverstärkten Bauteil 12 mit einem Aluminiumbauteil 14 nach dem Stand der Technik wird im Fügebereich 16, zwischen den Bauteilen 12, 14 zunächst eine glasfaserverstärkte Kunststofflage 18 auf eine Oberfläche 20 des kohlefaserverstärkten Bauteils 12 aufgebracht. Die glasfaserverstärkte Decklage, die beispielsweise durch Laminieren befestigt werden kann, bildet eine elektrische Barriere zwischen dem Bauteilen 12, 14 und verhindert so elektrochemische Kontaktkorrosion. Die Bauteile 12, 14 werden in der Folge mit einer Schraube 22 verschraubt, wobei auch der Auflagebereich 24 des Schraubenkopfes 26 durch eine Glasfaserlage 18 elektrochemisch isoliert wird. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zwischen die Bauteile zu vermeiden, wird im Kantenbereich des Fügebereiches 16 noch eine Nahtabdichtung 28 angebracht, so dass die Kontaktkorrosion besonders zuverlässig vermieden wird. Insbesondere kann hier durch das Eindringen von Feuchtigkeit in den Gewindebereich der Schraube 22 verhindert werden.
2 zeigt auf der linken Seite typische Korrosionsbilder ungeschützter Verbindungsanordnungen zwischen kohlefaserverstärkten Bauteilen und Aluminiumbauteilen, wobei links oben die Verbindung durch die Verwendung von Blindnieten aus AlMg 2.5 mit Nietdornen aus Chrom-Nickel-Stahl und links unten durch die Verwendung von Stahlnieten hergestellt wurde. In beide Fällen sind deutlich Korrosionsspuren 30 zu erkennen. Wie die auf der rechten Seite gezeigten Abbildungen erkennen lassen, werden solche Korrosionsspuren 30 durch die Verwendung von Glasfaserdeckschichten 18 zuverlässig vermieden. Nachteilig bei der Herstellung solcher Verbindungsanordnung 10 ist jedoch der hohe Aufwand. Das Fügen von kohlefaserverstärkten Bauteilen 12 mit Aluminiumbauteilen 14 ist nach dem Stand der Technik somit sehr zeit- und kostenaufwendig.
Um das Fügen derartiger Bauteile zu vereinfachen, kann das in 3 schematisch dargestellte Verfahren Anwendung finden. Hierbei wird der Fügebereich eines Aluminiumbauteils, welches mit einem kohlefaserverstärkten Bauteil gefügt werden soll, mit einer thermisch gespritzten Schutzschicht versehen. In einem ersten Verfahrensschritt S10 erfolgt dabei im Fügebereich des Aluminiumteils eine Substratvorbehandlung. Das Bauteil wird hierzu entfettet und dessen Oberfläche gegebenenfalls durch Sandstrahlen aufgeraut. Hierbei wird idealerweise ein Mittenrauwert R_A von 4,5 bis 5 Mikrometer bzw. eine gemittelte Rautiefe R_Z von 25 bis 30 Mikrometer angestrebt.
Im Folgenden Verfahrensschritt S12 wird ein nicht zu beschichtender Bereich des Bauteils maskiert, woraufhin im Verfahrensschritt S14 die eigentliche Beschichtung durch thermisches Spritzen erfolgt. Hierzu können übliche Spritzverfahren verwendet werden, wobei das Kaltgas-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen besonderes zweckmäßig ist. Hierzu wird in einer Spritzpistole 32 das Beschichtungsmaterial in Form eines Drahtes, Pulver eines Stabes oder einer Schnur zugeführt und in einer Energiequelle 34, beispielsweise einer Flamme, einen Lichtbogen oder einem Plasma zumindest teilweise aufgeschmolzen. In einem Trägergasstrom 36 werden die so erhaltenen Partikel 38 auf die zu beschichtende Oberfläche 40 hin beschleunigt.
Durch die kinetische Energie der Partikel 38 verformen sich diese beim Aufprall auf die Oberfläche 40, wodurch es zu einer lokalen Wärmeabgabe kommt. Hierdurch werden sowohl die Partikel 38 als auch das Material 40 lokal angeschmolzen, wodurch sich eine dichte, gut haftende und weitgehend porenfreie Spritzschicht 42 ergibt. Durch die Verwendung in Erdgasen wie beispielsweise Argon als Trägergas kann eine Oxidation oder Phasenveränderung des Spritzmaterials beim Auftrag vermieden werden. Durch die niedrigen Auftragstemperaturen werden gleichzeitig Beschädigungen der Matrix der kohlefaserverstärkten Bauteils vermieden. Als Auftragsmaterialien eignen sich Metalle, die in der elektrochemischen Spannungsreihe ein positiveres Normalpotential aufweisen – also edler sind – als das Material des zu beschichtenden metallischen Bauteils. Für Aluminiumbauteile sind dabei besonders Nickel oder Zinn geeignet. Auch Keramiken, beispielsweise auf der Basis von Titanoxiden, Chromoxiden oder auch Aluminiumoxiden können Anwendung finden, um so eine vollständige elektrische Isolierung des Aluminiumbauteils zu erreichen.
Nach der Durchführung des thermischen Spritzens kann im Verfahrensschritt S16 noch eine Nachbehandlung erfolgen. Diese kann thermisch oder auch mechanisch durchgeführt werden, beispielsweise durch Schleifen, Polieren, Umschmelzen oder Laserstrukturieren, um so die gewünschten Oberflächeneigenschaften im Bereich der Beschichtung 42 einzustellen. Auch eine Kombination der genannten Verfahren ist selbstverständlich möglich.
Um eine besonders gute Haltbarkeit zu erreichen, kann im folgenden Verfahrensschritt S20 auch eine Polymerversiegelung auf die Beschichtung aufgebracht werden.
Insgesamt wird so eine besonders flexibel und auf Grund der hohen Automatisierbarkeit kostengünstig aufzubringende Beschichtung zum zuverlässigen Korrosionsschutz des Aluminiumbauteils geschaffen. Die Schichten sind hochkompakt und zeigen daher kein Setzverhalten und gleichzeitig eine äußerst gute Haftfestigkeit. Zwischen die Beschichtung 42 und die Oberfläche 40 des Aluminiumbauteils kann gegebenenfalls noch eine Zwischenschicht gespritzt werden, um so gegebenenfalls noch vorhandene Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien kompensieren zu können.
Bezugszeichenliste

10: Verbindungsanordnung
12: Bauteil
14: Bauteil
16: Fügebereich
18: Kunststofflage
20: Oberfläche
22: Schraube
24: Auflagebereich
26: Schraubenkopfes
28: Nahtabdichtung
30: Korrosionsspuren
32: Spritzpistole
34: Energiequelle
36: Trägergasstrom
38: Partikel
40: Oberfläche
42: Spritzschicht
R_A: Mittenrauwert
R_Z: Rautiefe

Claims

Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall, bei welchem ein Fügebereich des ersten Bauteils vor dem Fügen mit einer Korrosionsschutzschicht (42) zum Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) durch thermisches Spritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Korrosionsschutzschicht (42) ein elektrischer Isolator oder ein Metall, welches elektrochemisch edler als das Metall des zweiten Bauteils ist, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Korrosionsschutzschicht (42) eine Keramik, insbesondere Chromoxid, Aluminiumoxid oder Titanoxid, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Korrosionsschutzschicht (42) Nickel, Zinn oder eine Legierung davon verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) durch Kaltgasspritzen, insbesondere durch Kaltgas-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, aufgebracht wird.
Verbindungsanordnung eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem Metall, bei welchem im Fügebereich der Bauteile eine Korrosionsschutzschicht (42) zum Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) durch thermisches Spritzen auf das erste Bauteil aufgebracht ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) aus einem elektrischer Isolator oder einem Metall, welches elektrochemisch edler als das Metall des zweiten Bauteils ist, besteht.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) aus einer Keramik, insbesondere Chromoxid, Aluminiumoxid oder Titanoxid, besteht.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) aus Nickel, Zinn oder eine Legierung davon besteht.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (42) durch Kaltgasspritzen, insbesondere durch Kaltgas-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, aufgebracht ist.