DE2211138A1

DE2211138A1 - Verfahren zum Aufbringen einer die Selbstsicherung herbeiführenden Abdeckschicht auf das Gewinde eines Befestigungselementes und Befestigungselement, dessen Gewinde eine solche Abdeckschicht trägt

Info

Publication number: DE2211138A1
Application number: DE19722211138
Authority: DE
Inventors: Ram Dev Dr. Southfield Mich. Bedi (V.StA.)
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1972-09-21
Also published as: DE2211138C3; CA975627A; US3818525A; GB1389229A; JPS5517249B1; DE2211138B2; IT949963B

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Roger

73 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 9, Postfach 348 7 ?/λτ·7 1079 Telefon

/. ,larZ LJ/Z s.u.tgort (0711)356539

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Essllngenneckar

Eaton Corporation/ 100 Erieview Plaza, Cleveland/ Ohio 44114,

USA

Verfahren zum Aufbringen einer die Selbstsicherung herbeiführenden Abdeckschicht auf das Gewinde eines Befestigungseleinentes und Befestigungselement/ dessen Gewinde eine solche Abdeckschicht trägt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum .Aufbringen einer Hie Selbstsicherung herbeiführenden Abdeckschicht auf das Gewinde eines Befestigungselementes und ein Befestigungselement, dessen Gewinde "eine solche Abdeckschicht trägt.

Bei den bekannten Befestigungselementen der vorgenannten Art besteht die Abdeckschicht aus Kunststoff. Bei ihnen wird das "elastische Erinnerungsvermögen" des Kunststoffs dafür ausgenutzt, ura für eine Anzahl von Benutzungen des Befestigungselenentes eine Selbstsicherung herbeizuführen. Während diese Abdeckschichten aus Kunststoff beim normalen Gebrauch im allgemeinen befriedigen,ist der Umfang ihrer Benutzung durch den verhältnismäßig kleinen Elastizitätsmodul der Abdeckschicht aas Kunststoff verringert. Dies kommt dadurch zustande, daß die Audeckschicht: vorzeitig eine endgültige Gestalt annimmt, so daß sie nicht mehr in der Lage-ist, die selbstsichernde Wirkung auszuüben. Die bekannte Abdeckschicht aus Kunststoff besitzt darüborhinauij eine geringe Beständigkeit bei hohen Temperaturen und gegenüber organischen Flüssigkeiten, beispielsweise Lösungen

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen einer die Selbstsicherung herbeiführenden Abdeckschicht auf das Gewinde eines Eefestigur.gselementes und ein solches Be- . festigungselement selbst zu schaffen, bei dem die Abdeckschicht eine vielfache Benutzung des Befestigungselementes zuläßt und außerdem gegenüber hohen Temperaturen und gegenüber organischen Flüssigkeiten widerstandsfähig ist. Die die Selbstsicherung herbeiführende Abdeckschicht wird gemäß der Erfindung auf das Gewinde eines Befestigungselementes aufgebracht, indem durch Reinigen zumindest auf einem Teil des Gewindes des Befestigungselementes eine saubere Metalloberfläche hergestellt wird und diese sodann mit einem geschmolzenen Metall besprüht wird. Vorzugsweise wird das Befestigungselement mit Reinigungslösungen behandelt, um die löslichen Fette zu beseitigen, wird es sodann mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses gereinigt, um Eisenoxide zu entfernen und die Oberfläche aufzurauhen und wird es schließlich mit Druckluft angeblasen, um den restlichen Sand zu entfernen. Vorteilhaft wird es nach dem Reinigen getrocknet, um weitere Fremdbestandteile zu entfernen.

Das Metall kann in fein verteilter Form in halb geschmolzenem Zustand mit Hilfe einer Flammensprühpistole auf das Befestigungselement aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise im Rahmen einer Massenfertigung durchgeführt, ind.em die Befestigungselemente selbsttätig durch die verschiedenen Vorbehandlungsstationen und die Metallsprühstation hindurch gefördert v/erden.

Das ein Metallgewinde aufweisende Befestigungselement selbst ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auf das Metallgewinde zumindest teilweise eine Abdeckschicht aus Metall aufgebracht ist. Vorzugsweise besteht das Befestigungselement aus einer Kopfschraube, deren Gewindeschaft die Abdeckschicht trägt. Diese besteht vorteilhaft aus einer Legierung aus Kupfer und Zink.

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In der Zeichnung ist ein Ausführüngsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es"zeigen:

Fig. 1 eine selbstsichernde Schraube gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 die Schraube in einem senkrechten Schnitt gemäß der Linie II-II der Fig„ 1,

Fig. 3 einen Gewindeteil in einem axialen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 2 und

Fig. 4 den Sprühvorgang beim Aufbringen des metallischen Abdeckmaterials in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 weist eine Schraube 10 üblicher Abmessungen.einen ,Kopf 11, einen Gewindeschaft 12 und eine metallische Abdeckschicht 13 auf, die in einem ausgewählten Bereich des Gewindes des Gewindeschaftes 12 aufgebracht ist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bedeckt die Metallschicht 13 die Kehlen 16, die geneigten Flanken 18 und die Spitzen 20 des Gewindes des Gewindeschaftes 12. Die Abdeckschicht 13 ist derart aufgebracht, daß sie zwischen der Gewindeflache des Gewindeschaftes 12 und einem Muttergewinde eines zugehörigen Befestigungselementes elastisch verformt wird, mit dem die Schraube zusammengeschraubt ist, so daß ein erhöhter Reibungswiderstand zustande kommt gegenüber einem unerwünschten Lösen der Schraubverbindung zwischen der Schraube 10 und dem zugehörigen Befestigungselement.

Wie Fig. 2 zeigt, erstreckt sich die Oberfläche-der metallischen Abdockschicht 13 in einer fortlaufenden konvexen Kurve von einer radialen Fläche 22 bis zu einer anderen radialen Fläche 24. Der Neigungswinkel CK zwischen den Ebenen.22 und 24 ist vorzugsweise größer als 90 ° und kleiner als 180 °. Die radiale Stärke

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der Metallschicht 13 ist in der Mitte zwischen den Ebenen 22 und 24 am größten und nimmt in dem Maße allmählich ab, in dem sie sich den begrenzenden radialen Flächen nähert, so daß die Oberfläche der metallischen Abdeckschicht 13 mit einer Tangente, die an den begrenzenden radialen Flächen an die Gewindeflache gelegt v/ird, nur einen kleinen Winkel bildet. Diese sich verjüngende Gestalt der Abdeckschicht hat ihre besondere Bedeutung, v/eil-sie das leichte Zusammenfügen der Schraube IO mit dem zugehörigen Befestigungselement ermöglicht, während sie andererseits einen erhöhten Widerstand gegen das Lösen der sich ergebenden Schraubverbindung bietet- Wenn auch die gezeichnete Abdeckschicht eine etwa rechteckige Gestalt besitzt, so ist es offensichtlich, daß verschiedene andere Gestaltungen der Abdeckschicht möglich sind.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gesamte Schaft der Schraube 10 oder ein ausgewählter Te;Ll dieses Schaftes zunächst einer Vorbehandlung unterzogen, wobei in einem mehrstufigen Reinigungsverfahren alle unerwünschten Schmutzteilchen entfernt werden. Insbesondere wird die Schraube zunächst einer Behandlung mit einer Metallbürste unterzogen, bei welcher der Gewindeschaft derart gebürstet wird, daß alle losen Schmutzteilchen entfernt werden. Hiernach wird·die Schraube mit einer Reinigungslösung.behandelt, wobei der Schaft mit Trichlorethylen oder Methyl-Äthyl-Keton gereinigt wird, um alle löslichen Fette zu beseitigen. Die vorgereinigte Schraube wird sodanr mit einem Sandstrahlgebläse behandelt, wobei auf den Gewindeschaft während etwa drei bis fünf Sekunden ein feingepulvertes Aluminiumoxid aufgeblasen wird. Hiernach wird die Schraube einem Luftstrahl ausgesetzt, um die losen Sandteilchen von ihr zu entfernen. Sodann v/ird die Schraube mit Hilfe einer Infrarotlampe öder einer anderen geeigneten Vorrichtung auf etwa 93 bis 104 erwärmt, de
standteile verdampfen,

bis 104 erwärmt, damit alle etwa noch vorti&ndeaeii fremdbe-

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wach' dor oben beschriebenen Vorbehandlung wird auf den gereinigten Schaft in einem Sprühverfahren ein Metall aufgebracht. Das auf diese Weise aufgebrachte Metall besteht vorzugsweise aus einem Metall ode?¹M§iallegierung, die einen Elastizität smodul von 10 χ 10 bis 30 χ 10 besiticn. Besonders befriedigende Ergebnisse sind zu erzielen, wenn Metalle wie nichtrostender Stahl, Molybdän, Kupferlegierungen oder Kohlenstoffstahl aufgebracht werden.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, besteht die Sprühvorrichtung aus einer F lammen sprühpistole 26. Das Metall 13 wird der Sprühpistole 26 in Gestalt eines Drahtes zugeführt und tritt aus der Pistole in Gestalt eines Metallsprühstrahls 13 a aus. Zwischen der Schraube 10 und der Sprühpistole 26 ist eine Maske 30 angeordnet. Diese enthält eine zentrale öffnung 21, die den Metallsprühstrahl 13 a auf eine vorbestimmte Kreisbogenfläche auf dem Gewindeschaft 12 der Schraube 10 leitet, -die gegenüber der öffnung 21 liegt und deren Längsachse etwa rechtwinklig zur Sprühachse der Pistole 26 verläuft. Auf diese Weise wird auf der Oberfläche des Gewindeschaftes 12 eine metallische Abdeckschicht 13 erzeugt, deren seitliche und axiale Ausdehnung durch die Gestaltung der öffnung 21 und die Lage der Pistole 26 und der Schraube 10 gegenüber der öffnung 21 vorbestimmt ist. Die oben beschriebene sich verjüngende Gestalt dar Abdeckschicht kommt selbsttätig zustande durch die kreisrunde Gestaltung der Schraaboberflache und die rechtwinklige Lage der Schraubenachse mit bezug auf die Richtung des Sprühstrahls.

liach dein Aufsprühen des Metalls können die Schrauben in einer v/eiteren Stufe oder in mehreren v/eiteren Stufen einer Nachbehandlung unterzogen v/erden. So können die Schrauben z. B. ge-' i.iocGori v/erden, um sicherzustellen, daß die gewünschte Dicke der /'.Ldockschicht und die gewünschte Gestalt dieser Schicht vorliegt, and/oder die Schrauben können mit einer dünnen Schicht eines Schmiermittels versehen werden, das z. B. aus Molybdän-, SAE-30-ül oder Wachs bestehen kann.

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Die Erfindung ist zv/ar oben an dem Ausführungsbeispiel einer Schraube beschrieben worden als einzelnes Befestigungselement, das verschiedenen Behandlungsstufen unterworfen worden ist. In der Praxis nuß das erfindungsgemäße Verfahren naturgemäß in Rahmen der Massenfertigung durchgeführt werden. Demgemäß müssen in einem bestimmten Arbeitsbereich eine Mehrzahl von Arbeitsstationen vorgesehen sein, in denen sich im Rahmen einer Reihenfertigung das Bürsten, Reinigen, Sandstrahlen» Luftanblasen, Erhitzen, Metallsprühen' und Nachbehandeln vollzieht. In diesem Ralunen können z. B. die Schrauben 10 mit Hilfe geeigneter Fördermittel nacheinander an der Sprühpistole 26 vorbeibewegt v/erden, wobei die Achsen der Schrauben rechtwinklig zur Achse der Sprühpistole verlaufen und rechtwinklig zu der Richtung der Bewegung der Schrauben..

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens v/erden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele beschrieben:

Ausführungsbeispiel 1

Eine Stahlschraube der Standardausführung- SAE 1O-33 wird zunächst mit Hilfe einer Metallbürste von losen Teilchen befreit. Hiernach wird sie mit Hilfe von Trichloräthylen gereinigt, um das Fett zu beseitigen. Sodann wird auf die Schraube mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses drei Sekunden lang ein Aluminiumoxid von einer Feinheit von 46 Siebmaschen aufgebracht, um die Eisenoxide zu beseitigen und der Gewindefläche eine gut bindende, rauhe Oberfläche zu erteilen. Auf die Schraube wird sodann ein Luftstrahl gerichtet, um etwaigen losen Sand zu entfernen. Hierauf wird die Schraube mit Hilfe einer Infrarotlampe auf 104 erwärmt, um etwa vorhandene fremde Bestandteile zu verdampfen. Sodann wird eine Colmonoy-Weitsprühpistole WG-550 verwendet, um auf die vorbereitete Schraubenfläche "Sprabronse C" aufzubringen. "Sprabronze C" besteht aus einer Legierung

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aus 90 3 Kupfer und 10 % Zink. Sie wird der Sprühpistole in Gestalt eines Drahtes zugeführt und tritt aus der Sprühpistole als halbgeschmolzener metallischer Sprühstrahl' aus, der auf die Oberfläche der Schraube auftrifft und hier eine metallische Abdcckschicht bildet, die sich mit der Gewindefläche verbindet. Die Maske wird etwa 2,5 cm von der benachbarten Gewindeflache des Gewindeschaftes 12 angeordnet, während die Sprühpistole in einem Abstand von 7,5 bis 12,5 cm von der Maske 30 gehalten wird. Der Schraubenschaft wird fünf Sekunden lang mit "Sprabronze C" besprüht, bis sich eine zusammenhängende metallische Abdeckschicht 13 gebildet hat (Fig. 2), die dne Dicke von 0,25 bis 0,5 um, in der Mitte der Schicht gemessen, besitzt und eine schwammige, poröse Beschaffenheit -aufweist, was auf den Sprühvorgang zurückzuführen ist, durch den sie erzeugt worden ist.

Nach dem Abkühlen wurde eine Schraube der vorgenannte;n Art unter Verwendung von Standard-Stahlmuttern auf Verdrehung geprüft. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Diese enthält auch Ergebnisse von Verdrehungsversuchen an Schrauben, auf welche Abdeckschichten aus verschiedenen Metallen nach dem oben beschrfebenen Verfahren aufgebracht worden sind. In jedem' der angeführten Fälle wurde die S-tandard-Mutter in geeigneter Weise befestigt. Die Test-Schraube wurde in die Mutter eingeschraubt und das größte aufzuwendende Drehmoment dan beim Einbringen der Abdeckschicht in die Mutter aufzuwenden war, wurde aufgezeichnet. Hierauf wurde die Schraube wieder aus der Mutter herausgeschraubt und wiederum das größte Drehmoment aufgezeichnet,das aufzw.-zenden war, wenn die Abdeckschicht v/iederurri die Mutter passierte.. Hiermit war der erste Prüf gang beendet. Mit dem gleichen Verfahren wurden weitere Prüfgänge durchgeführt.

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Material der
Abdeckschicht

"Sprabronze C"

Größtes Dreh- Größten Drehmoment beim ■ moment beim Befestigen (cmkg) Lösen (cmkg)

104 75 58 52

58 58 40 35

Prüfgang

1 2 3

Molybdän

172 161 143 126

121 143 126 1O4

1 2 3

"Wirespra Hr. 10"
(Kohlenstoffstahl)

109 75 G3 46

63 58 46 29

1 2 3 4

"Bronze A"
(Aluminium enthaltende Bronze)

40 40 40 35

1 2

"Walcoloy Nr. 1"
(nichtrostender
Stahl 18-8)

109 63 58 46

75 58 52 35

1 2 3 4

Ks ergibt sich, daß die.selbstsichernden Schrauben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt' worden sind, ihren großen Widerstand gegen das Lösen auch nach mehrfacher Benutzung behalten und bei jeder Benutzung nur einen kleinen Teil ihrer Widerstandsfähigkeit gegen das Lösen verlieren.

Die selbstsichernde Schraube, die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung behandelt worden ist, ist auch den bekannten selbstsichernden Schrauben überlegen, die eine Abdeckschicht aus Kunststoff besitzen und zwar insbesondere mit Bezug auf ihre Fähigkeit, ihre selbstsichernden Eigenschaften selbst in hohen Temperaturbereichen beizubehalten, bei denen die bekannten

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Abdeckschichten aus Kunststoff schmelzen. Die erfindungsgemäß behandelte Schraube ist auch widerstandsfähig gegenüber organischen Flüssigkeiten, welche die Äbdeckschichten aus Kunststoff angreifen und ihre selbstsichernden Eigenschaften zerstören.

Eine selbstsichernde Schraube gemäß der Erfindung besitzt daher ihre ausgezeichneten Eigenschaften auch nach wiederholter Benutzung und eine sehr große Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Bedingungen in der Umgebung. Die große Leistungsfähigkeit einer Befestigungsschraube gemäß der Erfindung in hohen Temperaturbereichen ergibt sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel;

Ausführungsbeispiel 2

Zwei Standard-Schrauben 3/8 χ 16 aus Stahl, von denen eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Abdeckschicht aus "Sprabronze C" versehen worden ist, während die andere in bekannter Weise eine Abdeckschicht aus Nylon besitzt, wurden in einen Ofen eingebracht und eine Stunde lang auf 425 ° erhitzt, worauf die Schrauben aus dem Ofen herausgenommen wurden und mit den folgenden Ergebnissen dem vorbeschriebenen Verdrehungstest unterzogen wurden:

Material der
Abdeckschicht

'Sprabronze C"

Größtes Dreh	Größtes Dreh	Prüf
moment beim	moment beim	gang
Befestigen (cmkg)	Lösen (cmkg)
172	161	1
143	98	2
31	69	3
81	92	4
81	86	5
69	63	6

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- ίο -

Die Abdeckschicht aus nylon verschrnorte v/ährend der Erhitzung weitgehend und zerbröckelte, als sie beim ersten Prüfgang in die Prüf mutter eingebracht wurde. Die mit der erfindungsgernäßen Abdeckschicht versehene Schraube behielt auch nach sechs Prüfgängen eine mehr als ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen das Lösen.

Dadurch, daß Schraubenbolzen gemäß der Erfindung die Fähigkeit besitzen, auch durch hohe Temperaturen unbeeinflußt zu bleiben, sind sie z. B. zur Verschraubung der heißen Teile von Verbrennungskräftmasehinen besonders geeignet.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Aufbringen einer die Selbstsicherung herbeiführenden Abdeckschicht auf das Gewinde eines Befestigungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß durch Reinigen zumindest auf einem Teil des Gewindes des Befestigungselementes eine saubere Metalloberfläche hergestellt wird und diese sodann mit einem geschmolzenen Metall besprüht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus einer Kupferlegierung, Molybdän, nichtrostendem Stahl oder Kohlenstoffstahl besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus einer Kupferlegierung besteht, die etwa 90 % Kupfer und etwa 10 % Zink enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte Metalloberfläche zur Verbesserung ihrer Bindefähigkeit aufgerauht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall einen Elastizitätsmodul zwischen 10 χ 10 und 50 χ 10 besitzt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement mit Reinigungslösungen behandelt wird, um die löslichen Fette zu beseitigen, daß es sodann mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses gereinigt wird, um Eisenoxide zu entfernen und die Oberfläche aufzurauhen, und daß es schließlich mit Druckluft angeblasen wird, um den restlichen Sand zu entfernen.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement nach dem Reinigen getrocknet wird, um weitere Freiadbestandteile zu entfernen.
3. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement nach dem Aufbringen der Abdeckschicht gebürstet wird, um lose Metallteile zu entfernen.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sandstrahlgebläse ein feinpulvriges Aluminiumoxid verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement mit Hilfe einer Infrarotlampe auf etwa 93 bis 104 ° erwärmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in fein verteilter Form in halb geschmolzenem Zustand mit Hilfe einer Flammensprühpistole auf das^ Befestigungselement aufgebracht wird.

Metall-
12. Befestigungselement mit einem gewinde, auf das zur Selbstsicherung eine Abdeckschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Metallgewinde zumindest teilweise eine Abdeckschicht aus Metall aufgebracht ist.
13. Befestigungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht aus einer Kupferlegierung, Molybdän, nichtrostendem Stahl oder Kohlenstoffstahl besteht.
14. Befestigungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdecknchicht eine schwammige, poröse Beschaffenheit besitzt.
15. Befestigungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement aus einer Kopfschraube besteht, deren Gewindeschaft die Abdeckschicht trägt.

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