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TECHNISCHER BEREICH
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Die
vorliegend Erfindung betrifft eine Technologie zum Verhindern des
Auftretens elektrolytischer Korrosion von Befestigungsteilen in
einer Befestigungsstruktur für
ein Magnesiumlegierungselement und ein Befestigungselement, hergestellt
aus einem Metall, das von demjenigen des Magnesiumlegierungselements
verschieden ist.
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HINTERGRUND TECHNIK
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In
jüngerer
Zeit gab es in der Automobilindustrie einen starken Anstieg der
Anforderungen hinsichtlich Brennstoffökonomie aufgrund dessen, dass
die Umweltprobleme zunehmen. Um solche Anforderungen zu erfüllen, erforscht
die Automobilindustrie Wege zum Verringern des Gewichts von Karosserieren
und versucht die Verwendung von Magnesiumlegierung in Automobilteilen
zu erhöhen,
da sie das geringste Gewicht unter den Metallen aufweist, welche
praktisch verwendet werden können.
In jüngerer
Zeit wurde insbesondere die Verwendung in Teilen erforscht, die
sehr hohe Korrosionsfestigkeit erfordern, wie etwa die Außenhülle und Strukturteile.
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Da
jedoch Magnesiumlegierung die häufigste
praktische Legierung ist, ist es wahrscheinlich, dass bei Befestigung
zusammen mit verschiedenen Metallen, wie etwa Eisen und Aluminium,
elektrolytische Korrosion in der Gegenwart von Elektrolyt-enthaltender
Feuchtigkeit auftritt. Im Besonderen im Motorraum und an der Unterseite
eines Fahrzeugs wird elektrolytische Korrosion extrem durch die
Wirkung von Elektrolyten gefördert,
die in Regenwasser, schmelzendem Schnee, Salz usw. enthalten sind,
und Probleme, d.h. ein Lösen
bzw. Lockern der befestigten Teile, können auftreten. Bisher wurden,
wie in dem japanischen Patent Nr. 2715758 offenbart, Aluminiumunterlegscheiben
durch anodische Oxidation isoliert oder Bolzen wurden mit Harz beschichtet,
wie in der japanischen Jedoch ist anodische Oxidation von Aluminiumunterlegscheiben
sehr teuer. Im Falle der Beschichtung von Bolzen mit Harz sind Kontaktadhäsion von
und Harzbeschichtungsfilme auf Bolzen und die Haltbarkeit unzureichend
und der Beschichtungsfilm kann sich ablösen bzw. abschälen, was
zu elektrolytischer Korrosion führt
und eine Verbesserung der Kontaktadhäsion ist erforderlich.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Gegenstand der Erfindung eine Struktur und ein Verfahren
für Beständigkeit
gegenüber
elektrolytischer Korrosion bereitzustellen, welche ausreichende
Kontaktbefestigung eines Magnesiumlegierungselements, fest und mit
geringen Kosten, bei Verhinderung elektrolytischer Korrosion liefert,
durch Isolieren eines Befestigungselements, wie etwa Stahlbolzen
oder Unterlegscheiben.
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Die
Struktur der Erfindung, welche widerstandsfähig gegenüber elektrolytischer Korrosion
eines Magnesiumlegierungselements ist, ist gekennzeichnet durch
Beschichten von mindestens der Oberfläche eines Befestigungselements,
welche in Kontakt mit dem Magnesiumlegierungselement ist, mit einer
ersten Beschichtungsschicht durch Elektroabscheidung und Beschichten
einer zweiten Beschichtungsschicht mit darin dispergierten Polytetrafluorethylenteilchen
(PTFE-Teilchen) auf die erste Beschichtungsschicht.
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Das
Verfahren zum Verhindern elektrolytischer Korrosion eines Magnesiumslegierungselements
der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Schritte des Aufbringens
einer ersten Beschichtungsschicht durch Elektroabscheidung auf mindestens
der Oberfläche
eines Befestigungselements, welche in Kontakt mit dem Magnesiumlegierungselement
ist, und einen Schritt des Aufbringens einer zweiten Beschichtungsschicht
mit darin dispergierten PTFE-Teilchen auf die erste Beschichtungsschicht,
wobei eine quervernetzende Struktur der ersten Beschichtungsschicht
und zweiten Beschichtungsschicht gebildet wird.
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Gemäß der Erfindung
besitzt die erste Beschichtungsschicht, die durch Elektroabscheidung
gebildet wird, hervorragende Kontaktadhäsion auf dem Befestigungselement
und hervorragende Haltbarkeit, verglichen mit herkömmlichen
Tauchbeschichtungen. Daher ist die erste Beschichtungsschicht schwer
von der Oberfläche
des Befestigungselements abzulösen
und elektrolytische Korrosion wird dadurch effektiv verhindert.
Die zweite Beschichtungsschicht, die durch Abscheiden von PTFE-Teilchen
gebildet wird, wird mit der ersten Beschichtungsschicht quervernetzt
und ist fest an die erste Beschichtungsschicht angehaftet. Die zweite
Beschichtungsschicht weist extrem geringen Reibungswiderstand auf
und die Kontaktadhäsion
und Haltbarkeit davon ist extrem hoch. Zusätzlich, da die zweite Beschichtungsschicht
wasserabweisend ist, sind die vorbeugenden Wirkungen für elektrolytische
Korrosion und die Witterungsbeständigkeit
der Beschichtung verbessert.
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Wenn
das Befestigungselement ein Bolzen ist, ist eine Veränderung
des Reibungswiderstands beim Befestigen verringert, da der Reibungswiderstand
gering ist. Dementsprechend ist das Befestigungsdrehmoment beim
Befestigen des Bolzens stabil, Variationen bzw. Veränderungen
der Axialkraft des Bolzens werden unterdrückt und eine gleichmäßige Axialkraft
wird erhalten. Bisher war es schwierig, eine gleichmäßige Axialkraft
in einem vollständig
entfetteten Zustand oder in einem mit Kühlmittel, Rostschutzmittel
oder anderem Öl oder
Fett verunreinigten Zustand oder wenn die Oberflächenbedingungen variierten,
zu erhalten; da jedoch die zweite Beschichtungsschicht, die die
Oberfläche
bildet, geringen Reibungswiderstand aufweist und wasserabweisend
ist, wird eine gleichmäßige Axialkraft
erhalten, unabhängig
von den Oberflächenbedingungen.
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Das
Material für
die erste Beschichtungsschicht der Erfindung umfasst verschiedene
Harze, wie etwa kationische oder anionische Epoxid-, Acryl-, Polybutadien-
und Alkydharze; kationische Epoxidharze werden vorzugsweise unter
dem Gesichtspunkt hoher Korrosionsbeständigkeit und Kontaktadhäsion verwendet.
Die Dicke der ersten Beschichtungsschicht sollte 5 μm oder mehr
sein, um Kontaktadhäsion
und Haltbarkeit sicherzustellen; wenn jedoch die Dicke 50 μm überschreitet,
kann eine gleichmäßige Dicke
nicht erhalten werden, und eine Verbesserung des Effekts wird nicht
erwartet und die Elektroababscheidung verbraucht zuviel Energie.
Daher ist die Dicke der ersten Beschichtungsschicht bevorzugt 5
bis 50 μm
oder bevorzugter 20 bis 50 μm. Beim
Bilden der ersten Beschichtungsschicht auf dem Befestigungselement
ist es in dem Falle, in welchem das Befestigungselement aus Stahl
hergestellt ist, bevorzugt eine Grundbeschichtung eines Filmes aus
Phosphat oder schwarzem Oxid zu bilden. Als die Grundbeschichtung
kann eine Zn- oder Cr-Plattierung ebenfalls aufgebracht werden.
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Die
zweite Beschichtungsschicht der Erfindung wird gebildet durch Dispergieren
von PTFE-Teilchen in einem synthetischen Harz und einem organischen
Lösungsmittel,
wie etwa Alkohol oder Keton, um noch stärker an die erste Beschichtungsschicht
anzuhaften, und Trocknen, und die Konzentration von PTFE-Teilchen
in dem Lösungsmittel
ist z.B. 1 bis 30 %. Zu dieser Zeit ist der Gehalt des synthetischen
Harzes bevorzugt 10 bis 50 % des Feststoffgehalts des PTFE. Damit
die zweite Beschichtungsschicht einen gewünschten niederen Reibungskoeffizienten
zeigen kann, ist das Molekulargewicht der PTFE-Teilchen bevorzugt
1000 oder weniger und die Teilchengröße sollte 1 μm oder weniger
sein. Die Dicke der zweiten Beschichtungsschicht ist bevorzugt 1
bis 10 μm,
um Haltbarkeit und Stabilität
des Reibungsdrehmoments zu erhalten. Diese Materialien für die erste
Beschichtungsschicht und zweite Beschichtungsschicht sind nicht
teuer und daher wird die Erfindung bei geringen Kosten realisiert.
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die das Konzept der Erfindung zeigt, worin
eine Grundbeschichtung 2 auf die Oberfläche eines Befestigungselements 1,
wie etwa einen Stahlbolzen, aufgebracht ist und ein kationisches
Epoxidharz auf die Oberfläche
der Grundbeschichtung 2 durch Elektroababscheidung aufgebracht
ist, und eine erste Beschichtungsschicht 11 gebildet ist.
Nach Trocknen der ersten Beschichtungsschicht 11 wird die
erste Beschichtungsschicht 11 für eine bestimmte Zeit in ein
Lösungsmittel
eingetaucht, in welchem PTFE-Teilchen dispergiert sind, und die
erste Beschichtungsschicht 11 und die zweite Beschichtungsschicht 12 werden
erhitzt und gehärtet.
Durch Härten
werden die PTFE-Teilchen quervernetzt und auf der Oberfläche der
ersten Beschichtungsschicht 11 gehalten und eine quervernetzte
Struktur wird gebildet. Das Befestigungselement 1 wird
befestigt wenn die zweite Beschichtungsschicht 12 in Kontakt
mit Magnesiumlegierungselement 20 kommt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die die schematische Struktur zum Verhindern
elektrolytischer Korrosion gemäß der Erfindung
zeigt.
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2 ist ein Diagramm, dass das Testverfahren
durch ein Ring-auf-Scheibe-Verfahren erklärt, worin (a) eine perspektivische
Ansicht eines Prüfkörpers ist
und (b) eine Seitenansicht ist, die die Vorrichtung schematisch
zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Kontaktadhäsion des Beispiels und der
Vergleichsbeispiele durch das Ring-auf-Scheibe-Verfahren zeigt.
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4 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Kontaktadhäsion der ersten Beschichtungsschicht
in dem Beispiel durch das Ring-auf-Scheibe-Verfahren zeigt.
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5 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Kontaktadhäsion der zweiten Beschichtungsschicht
in dem Beispiel durch das Ring-auf-Scheibe-Verfahren zeigt.
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6 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
der Axialkraft in dem Beispiel und im Stand der Technik zeigt.
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7 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
der Axialkraft in einem öligen
Zustand und in einem entfetteten Zustand des Beispiels und nach
dem Stand der Technik zeigt.
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8 ist
eine schematische Seitenansicht einer Testvorrichtung des Kugel-auf-Scheibe-Verfahrens.
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9 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Testunterschiede des Reibungskoeffizienten
des Beispiels durch das Kugel-auf-Scheibe-Verfahren zeigt.
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BESTES VERFAHREN ZUM DURCHFÜHREN DER
ERFINDUNG
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Wirkungen
und Effekte der Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf eine
Ausführungsform
beschrieben.
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(1) Testen durch das Ring-auf-Scheibe-Verfahren
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A. Adhäsionstest auf einer Oberflächenschicht
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Bezugnehmend
auf 2 wird das Testverfahren durch
ein Ring-auf-Scheibe-Verfahren
erklärt.
Prüfkörper sind
Scheibe 1 und Ring 2, wie in 2(a) gezeigt,
und wie in 2(b) gezeigt, unter Rotieren
der Scheibe 1 um die Achse durch eine Antriebsquelle 10,
wobei die Stirnfläche
von Ring 2 gegen eine Oberfläche davon bei einem angegebenen
Druck gepresst wird, und Änderungen
des Reibungsdrehmoments auf der Basis des Antriebsdrehmoments für die rotierende
Scheibe 1 werden gemessen.
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Gemäß den in
Tabelle 1 gezeigten Beschreibungen wurden Beschichtungsschichten
auf der Oberfläche
von Stahlscheiben mit 50 mm Durchmesser und 1 mm Dicke gebildet
und Prüfkörper des
Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden
erhalten. Unter Rotieren der Scheiben um die Achse mit einer Geschwindigkeit
von 20 UpM wurde die Stirnfläche
eines Magnesiumlegierungsrings mit einer Oberflächenrautiefe Ra von 0,13 bis
0,20 μm,
20 mm Innendurchmesser und 25,6 mm Außendurchmesser, gegen die Oberfläche gepresst
und unter Erhöhen
der Pressbelastung mit einer Rate von 980 N/min (100 kgf/min) wurden
Veränderungen
des Reibungsdrehmoments (Nm; kgf-cm) auf der Basis des Antriebsdrehmoments
zum Rotieren der Scheibe gemessen. Ergebnisse sind in 3 gezeigt.
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Die
Widerstandskraft gegenüber
Scherablösung
wird als geringwertiger beurteilt wenn das Reibungsdrehmoment hoch
ist, wie im Vergleich mit der Belastung des Rings, und ist ausgezeichnet
wenn das Reibungsdrehmoment gering ist. Wie in 3,
in Vergleichsbeispiel 1, gezeigt, steigt das Reibungsdrehmoment in
einem Bereich relativ geringer Belastung an und in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 löst sich
der erste Beschichtungsfilm bei einer geringeren Belastung ab. In
diesen Vergleichsbeispielen 1 bis 3, worin nur
die erste Beschichtungsschicht gebildet wird, ist die Beschichtungsschicht,
die gebildet wird durch Eintauchen in das Lösungsmitteltyp-Epoxidharz (Vergleichsbeispiel 2)
am schlechtesten bezüglich
Kontaktadhäsion
und die Adhäsion
steigt in der Reihenfolge Beschichtungsschicht, die durch Elektroabascheidung
von anionischem Epoxid (Vergleichsbeispiel 3) gebildet
wird und Beschichtungsschicht, die durch Elektroabascheidung von
kationischem Epoxid (Vergleichsbeispiel 1) gebildet wird.
Das heißt
das kationische Epoxid ist bevorzugt als das Harz und die Elektroabascheidung
ist als das Bildungsverfahren empfohlen. In Vergleichsbeispiel 4,
das mit der zweiten Beschichtungsschicht nach Härten der ersten Beschichtungsschicht
beschichtet wird, ist das Reibungsdrehmoment höher als in dem Beispiel der
quervernetzten Struktur der ersten Beschichtungsschicht und zweiten
Beschichtungsschicht und die Kontaktadhäsion ist niedriger. In dem
Beispiel wird, falls die Belastung erhöht ist, das Reibungsdrehmoment
nur sehr wenig erhöht
und die Kontaktadhäsion
ist im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen ausgezeichnet.
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B.
Adhäsionstest
für jede
Beschichtungsschicht in dem Beispiel In dem Beispiel wurde die erste
Beschichtungsschicht in fünf
Dicken von 3 μm,
5 μm, 20 μm, 50 μm und 70 μm hergestellt
und an diesen ersten Beschichtungsschichten wurde das Reibungsdrehmoment ähnlich durch
das Ring-auf-Scheibe-Verfahren gemessen. Darüber hinaus wurde die zweite
Beschichtungsschicht, die auf die erste Beschichtungsschicht zu laminieren
ist, in fünf
Dicken von weniger als 1 μm,
1 μm, 3 μm, 10 μm und 15 μm hergestellt
und an diesen zweiten Beschichtungsschichten wurde das Reibungsdrehmoment ähnlich durch
das Ring-auf-Scheibe-Verfahren gemessen. Ergebnisse der ersten Beschichtungsschichten
sind in 4 gezeigt und die Ergebnisse
für die
zweiten Beschichtungsschichten sind in 5 angegeben.
Gemäß 4 besteht
in dem Dickebereich der ersten Beschichtungsschicht von 5 bis 50 μm keine wesentliche
Veränderung
der Kontaktadhäsion
und eine vorteilhafte Adhäsion
ist sichergestellt. Entsprechend 5 wurde
in dem Dickebereich der zweiten Beschichtungsschicht von 1 bis 10 μm Gleichmäßigkeit
des Reibungsdrehmoments bestätigt.
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(2) Haltbarkeitstest von
Harz durch den Salzsprühtest
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Eine
Grundbeschichtung wurde auf die Oberfläche von Stahlprüfkörpern aufgebracht
und die erste Beschichtungsschicht wurde auf der Grundbeschichtung
durch Elektroabascheidung von Harzen, wie etwa kationisches oder
anionisches Epoxidharz, Acrylharz, Polybutadienharz und Alkydharz,
gebildet und Salzwasser wurde auf die Beschichtungsschichten für eine angegebene
Zeit gesprüht
und das Auftreten von Rost wurde untersucht. Das Testverfahren entspricht
JIS K 5400. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle
2 wurden die Ergebnisse beurteilt als: ⦾ :kein Rost, O kleine Rostflecken
und ∆ :
Anzeichen von Rost, jedoch keine praktischen Probleme.
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Entsprechend
Tabelle 2 wurde die Beschichtungsschicht aus Epoxidharz durch einen
Bleistift der Härte 3H nicht
abgetragen und sie wies daher hohe Festigkeit auf. Die Beschichtungsschichten
durch Acrylharz und Polybutadienharz waren stark genug gegenüber einem
Bleistift der Härte 2H und
die Beschichtungsschicht aus Alkydharz hatte kein praktisches Problem
gegenüber
einem Bleistift der Härte
H. Daher können diese
Harze als Harze für
die erste Beschichtung verwendet werden und insbesondere ist das
kationische Epoxidharz das geeignetste.
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(3) Wasserabweisungstest
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Gereinigtes
Wasser wurde auf die Oberfläche
des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit einem
Tropfendurchmesser von 2 mm getropft und der Kontaktwinkel des Wassertropfens
auf jeder Beschichtungsschicht wurde gemessen. Ergebnisse sind in
Tabelle 3 gezeigt. Umso größer der
Kontaktwinkel, umso höher
ist die Wasserabweisung.
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Gemäß Tabelle
3 ist die zweite Beschichtungsschicht des Beispiels überragend
bezüglich
Wasserabweisung gegenüber
der Beschichtungsschicht nach dem Stand der Technik. Im Vergleich
mit der ersten Beschichtungsschicht ist die zweite Beschichtungsschicht
des Beispiels extrem verbessert bezüglich Wasserabweisung und die
Wirkung der zweiten Beschichtungsschicht als eine Schicht mit darin
dispergierten PTFE-Teilchen wurde beobachtet.
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(4) Messung der Axialkraft
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Mehrere
Proben wurden hergestellt durch Bilden der Beschichtungsschicht
durch Anwenden des Beispiels auf M8 Flanschbolzen und diese wurden
in Eingriff gebracht und befestigt mit Nusselementen bzw. Schraubenmutterelementen
und das Befestigungsdrehmoment und die Axialkraft wurden gemessen.
Herkömmliche
Proben, welche galvanisiert wurden, wurden ähnlich getestet. Ergebnisse
sind in 6 gezeigt. Entsprechend 6 waren,
verglichen mit herkömmlich
galvanisierten Proben, die Schwankungen der Axialkraft bei den Bolzen
des Beispiels gering und daher wurde beurteilt, dass eine geeignete
Drehmomentkontrolle möglich
ist.
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(5) Messung der Axialkraft
(Vergleich zwischen geöltem
Zustand und entfettetem Zustand).
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Mehrere
Proben wurden hergestellt durch Bilden der Beschichtungsschicht
durch Anwenden des Beispiels auf M8-Flanschbolzen und diese wurden
in einem öligen
Zustand und in einem entfetteten Zustand getestet und das Befestigungsdrehmoment
und die Axialkraft wurden gemessen. Herkömmliche Proben, welche galvanisiert
waren, wurden ähnlich
getestet.
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Ergebnisse
sind in 7 gezeigt. Gemäß 7 war
im Vergleich mit herkömmlich
galvanisierten Proben die Axialkraft des Bolzens des Beispiels nicht
wesentlich verschieden zwischen dem geölten Zustand und dem entfetteten
Zustand und die Wasserabweisung war ausgezeichnet und eine gleichmäßige Axialkraft
könnte
ungeachtet der Oberflächenbedingung
erhalten werden.
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(6) Test durch das Kugel-auf-Scheibe-Verfahren
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Als
die zweite Beschichtungsschicht wurden Schichten mit drei Typen
von dispergierten PTFE-Teilchen verwendet, die verschiedenes Molekulargewicht
und verschiedene Teilchengröße aufwiesen,
und ihre Reibungskoeffizienten wurden durch das Kugel-auf-Scheibe-Verfahren
gemessen. In dem Kugel-auf-Scheibe-Verfahren, wie in 3 gezeigt,
wurde unter Rotieren einer Scheibe 3 aus Magnesiumlegierung
um die Achse durch eine Antriebsquelle 20 eine Stahlkugel 30 mit
einem Durchmesser von 10 mm, auf welcher die zweite Beschichtungsschicht
gebildet war, angepresst und gerollt. Die Kraft der Kugel 30,
die in der Rotationsrichtung zog, wurde durch einen Sensor nachgewiesen
und der Reibungskoeffizient wurde auf der Basis dieser Kraft gemessen.
In diesem Falle war die Belastung der Kugel 30, die auf
die Scheibe 3 drückt,
100 g und die Geschwindigkeit der Scheibe 3 zum Rollen
der Kugel 30 war 0,2 m/sec. Die drei Typen PTFE-Teilchen
hatten ein Molekulargewicht von 1000 oder weniger, mit einer mittleren
Teilchengröße von 1 μm oder weniger,
einem Molekulargewicht von 300.000 bis 400.000, mit einer mittleren
Teilchengröße von 1 μm oder weniger
und einem Molekulargewicht von 300.000 bis 400.000, bei einer mittleren
Teilchengröße von 4 μm. Ergebnisse
sind in 9 gezeigt. Gemäß 9 war
im Falle von PTFE-Teilchen
mit einem Molekulargewicht von 1000 oder weniger mit einer mittleren
Teilchengröße von 1 μm oder weniger
der Reibungskoeffizient viel kleiner bei Vergleich mit den anderen
beiden Typen PTFE-Teilchen und daher wurden solche PTFE-Teilchen
als am besten geeignet bestätigt.
