DE2211138B2

DE2211138B2 - Verfahren zur Herstellung einer Abdeckschicht durch Besprühen mit geschmolzenem Metall auf einen zuvor gereinigten Teil eines Gewindes

Info

Publication number: DE2211138B2
Application number: DE2211138A
Authority: DE
Inventors: Ram Dev Dr. Southfield Mich. Bedi (V.St.A.)
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DE2211138A1; IT949963B; US3818525A; GB1389229A; DE2211138C3; JPS5517249B1; CA975627A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Abdeckschicht durch Besprühen mit geschmolzenem Metall auf einen zuvor gereinigten Teil eines Gewindes um auf diese Weise ein selbsisicherndes Befestigungselement zu erzeugen.

Bei bekannten selbstsichernden Befestigungselemente η besteht die Abdeckschicht aus Kunststoff. Bei ihnen wird das »elastische Erinnerungsvermögen« des Kunststoffs dazu ausgenutzt, eine mehrmalige Wiederverwendung des selbstsichernden Befestigungselements zu ermöglichen. Während diese Abdeckschichten aus Kunststoff bei normalem Gebrauch im allgemeinen befriedigen, ist der Umfang ihrer Benutzung durch den verhältnismäßig kleinen Elastizitätsmodul der Abdeckschicht aus Kunststoff verringert. Dies kommt dadurch zustande, weil die Abdeckschicht vorzeitig eine solche endgültige Gestalt annimmt, daß sie nicht mehr in der Lage ist, die selbstsichernde Wirkung zu erbringen. Die bekannte Abdeckschicht aus Kunststoff weist darüber hinaus eine geringe Beständigkeit bei hohen Temperaturen und gegenüber organischen Flüssigkeiten, beispielsweise Lösungen auf.

Aus der Zeitschrift »Schweißtechnik«, Heft 3, 1959, Seite 83 bis 85 ist es bekannt, zur Oberflächenveredelung oder Reparatur von Werkstücken MeIaII aufzuspritzen.

Die Haftung der aufgespritzten Metallschicht ist sehr stark abhängig von dem Rauhigkeitsgrad der Oberfläche des Werkstückes und es wird deshalb in dem Artikel vorgeschlagen und untersucht als Haftgrundvorbereitung auf ein rundes Werkstück ein Gewinde aufzuschneiden. Hierbei dient das Gewinde lediglich der Verankerung des aufgespritzten Metalles, mit dem die ursprüngliche Werkstückgestalt wieder hergestellt werden solL

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Selbstsicherung auf dem Gewinde eines Befestigungselements zu schaffen, bei dem die Selbstsicherung eine vielfache Wiederverwendung des Befestigungselements zuläßt und außerdem gegenüber is hohen Temperaturen und gegenüber organischen Flüssigkeiten widerstandsfähig ist

Die Aufgabe wird dadurch gelöst daß das eingangs genannte Verfahren bei der Herstellung eines eine Selbstsicherung tragenden Befestigungselements angewendet wird.

Das Metall kann in fein verteilter Form in halb geschmolzenem Zustand mit Hilfe einer Flammsprühpistole auf das Befestigungselement aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise im Rahmen einer Massenfertigung durchgeführt bei dem die Befestigungselemente selbsttätig durch die verschiedenen Vorbehandlungsstationen und die Metallsprühstation hindurch gefördert werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstandes dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schraube in perspektivischer Darstellung,

Fig.2 die Schraube in einem senkrechten Schnitt entlang der Linie H-H der F ig. 1,

Fig.3 einen Gewindeteil in einem axialen Schnitt entlang der Linie IH-HI der F i g. 2 und

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

F i g. 1 zeigt eine gemäß dem Verfahren behandelte selbstsichernde Schraube 10 mit üblichen Abmessungen, die einen Kopf U, einen Gewindeschaft 12 und eine metallische Abdeckschicht 13 aufweist die in einem ausgewählten Bereich des Gewindes des Gewindeschaftes 12 aufgebracht ist.

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

Wie F i g. 2 zeigt, erstreckt sich die Oberfläche der

metallischen Abdeckschicht 13 in einer fortlaufenden konvexen Kurve von einen radialen Fläche 22 bis zu einer anderen radialen Fläche 24. Der Neigungswinkel α zwischen den Ebenen 22 und 24 ist vorzugsweise größer als 90° und kleiner als 180°. Die radiale Stärke 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 näihert, so daß die Oberfläche der metallischen

Abdeckschicht 13 mit einer Tangente, die an den begrenzenden radialen Flächen an die Gewindefläche gelegt wird, nur einen kleinen Winkel bildet Dies sich verjüngende Gestalt der Abdeckschicht hat ihre besondere Bedeutung, weil sie das leichte Zusammenfügen der Schraube 10 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 Verfahrens wird der gesamte Schaft eurer Schraube oder ein ausgewählter Teil 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 gebüistet wird, daß alle losen Schnwtzteilchen entfernt werden. Hiernach wird die Schraube mit einer Reinigungslösung behandelt, wobei der Schaft mit Trichloräthylen oder Methyl-Äthyl-Keton gereinigt wird, um alle löslichen Fette zu beseitigen. Die vorgereinigte Schraube wird sodann bestrahlt, wobei der Gewindeschaft während drei bis fünf Sekunden mit pulverisiertem Aluminiumoxid behandelt wird. Hiernach wird die Schraube einem Luftstrahl ausgesetzt, um die losen Sandteilchen von ihr zu entfernen. Anschließend wird die Schraube mit Hilfe einer Infrarotlampe oder einer anderen geeigneten Vorrichtung auf etwa 93 bis 104⁰C erwärmt, damit alle etwa noch vorhandenen Fremdbestandteile verdampfen.

Nach der 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 oder einer Metallegierung, die einen Elastizitätsmodul von 10 χ 10* bis 30 χ 10⁶ aufweist Besonders befriedigende Ergebnisse sind zu erzielen, wenn Metalle wie nichtrostender Stahl, Molybdän, Kupferlegierungen oder Kohlenstoffstahl aufgebracht werden.

Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, enthält die Sprühvorrichtung eine Flammsprühpistole 26 und eine davor angeordnete Maske 30. Ein geeignetes Metall 13 wird der Sprühpistole 26 in Gestalt eines Drahtes zugeführt und tritt aus der Pistole in Gestalt eines Metallsprühstrahls 13a aus. Hinter der eine öffnung 21 enthaltene Maske 30 ist die Schraube 10 angeordnet. Die zentrale öffnung 21 leitet den Metallsprühstrahl 13a auf eine vorbestimmte, auf dem Gewindeschaft 12 der Schraube 10 liegende Kreisbogenfläche, 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 die eben beschriebene metallische Andeckschicht 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 der Abdeckschicht kommt durch die zylinderförmige Gestalt der Schrauboberfläche und die rechtwinklige Lage der Schraubenachse mit Bezug auf die Richtung des Sprühstrahls selbsttätig zustande.

Nach dem Aufsprühen des Metalls können die Schrauben in einer weiteren Stufe oder in mehreren weiteren Stufen einer Nachbehandlung unterzogen werden. So können die Schrauben τ. Β. gemessen werden, um sicherzustellen, daß die gewünschte Dicke der Abdeckschicht und die gewünschte Gestalt dieser Schicht vorliegt, und/oder die Schrauben können mit einer dünnen Schicht eines Schmiermittels versehen werden, das z.B. aus Molybdän-Disulfid, SAE-30-Ö1 oder Wachs bestehen kann.

Die Erfindung ist an dem Ausführungsbeispiel einer Schraube als einzelnes Befestigungselement beschrieben worden, das verschiedenen Bchandlungsstufen unterworfen worden ist In der Praxis muß das erfindungsgemäße Verfahren naturgemäß im 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 Rahmen können z. B. die Schrauben 10 mit Hilfe geeigneter Fördermittel nacheinander an der Sprühpistole 26 vorbeibewegt werden, wobei die Achsen der Schrauben rechtwinklig zur Achse der Sprühpistole verlaufen und rechtwinklig zu der Richtung der Bewegung der Schrauben.

Zur weiteren Erläuterung des erfmdungsgemäßen Verfahrers werden im folgenden zwei Versuche beschrieben:

Versuch 1

Eine Stahlschraube SAE 10-38 nach der USA-Norm SAE (Society of American Automotive Engineers) wird zunächst mit Hilfe einer Metallbürste von losen Teilchen befreit Hiernach wird sie mit Hilfe von Trichloräthylen gereinigt um das Fett zu beseitigen.

Sodanr. wird die Schraube mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses drei Sekunden lang mit Aluminiumoxidkies mit einem maximalen Durchmesser der Kiespartikel von 035 mm gestrahlt 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 104⁰C erwärmt um etwa vorhandene fremde Bestandteile zu verdampfen. Sodann wird mittels einer Sprühpistole auf die vorbereitete Schraubeniläche eine Legierung aufgebracht, die aus 90 Vol.-% Kupfer und 10 VoI.-% Zink besteht 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 Abdeckschicht bildet, die sich mit der Gewindefläche verbindet. Die Maske wird etwa 2,5 cm von der benachbarten Gewindefläche des Gewindeschafts 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 dieser Legierung besprüht, bis sich eine zusammenhängende metallische Abdeckschicht 13 gebildet hat (F i g. 2), die eine Dicke von 0,25 bis 0,5 mm, in der Mitte der Schicht gemessen, aufweist und von schwammiger, poröser Beschaffenheit ist.

Nach dem Abkühlen wurde eine Schraube der vorgenannten Art unter Verwendung von Norm-Stahlmuttern auf Verdrehung geprüft. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Diese enthält auch Ergebnisse von Verdrehungsversuchen an Schrauben, auf die Abdeckschichten aus verschiedenen Metallen nach dem oben beschriebenen Verfahrpn

aufgebracht worden sind. In jedem der angeführten Fälle wurde die Mutter in geeigneter Weise befestigt Die Test-Schraube wurde in die Mutter eingeschraubt und das größte aufzuwendende Drehmoment das 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 aufzuwenden war, wenn die Abdeckschicht wiederum die Mutter passierte. Hiermit war der erste Prüfgang beendet. Mit dem gleichen Verfahren wurden weitere Prüfgänge durchgeführt

Material der	Größtes	Größtes	Prüf
Abdeckschicht	Drehmoment	Drehmoment	gang
	beim	beim
	Befestigen	Lösen
	(cmkg)	(cmkg)

Legierung aus	104
90 Vol.-% Kupfer	75
10 VoI.-% Zink	58
	52
Molybdän	172
	161
	143
	126
Kohlenstoffstahl	109
	75
	63
	46
Kupfer-Zink-Alu-	81
miniumlegierung	69
	63
	58
Nichtrostender Stahl	109
	63
	58
	46

58 58 40 35

121 143 126 104

63 58 46 29

40 40 40 35

75 58 52 35

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

ίο Eine erfindungsgemäß hergestellte Schraube zeigt daher ihre ausgezeichneten Eigenschaften auch nach wiederholter Benutzung und weist eine sehr große Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Umgebungsbedingungen auf. Die große Leistungsfähigkeit einer derartigen Befestigungsschraube bei hohen Temperaturen ergibt sich aus dem folgenden Versuch:

Ausführungsbeispiel 2

Zwei Norm-Schrauben aus Stahl, von denen eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Abdeckschicht aus dieser Legierung aus 90 VoL-% Kupfer und 10 Vol.-% Zink versehen worden ist, während die andere in bekannter Weise eine Abdeckschicht aus Polyamid besitzt, wurden in einen Ofen eingebracht und eine Stunde lang auf 425°C erhitzt, worauf die Schrauben aus dem Ofen herausgenommen wurden und mit den folgenden Ergebnissen dem vorgeschriebenen Verdrehungstest unterzogen wurden:

1	30	Material der	Größtes	Größtes	Prüf
		Abdeckschicht	Drehmoment	Drehmoment	gang
2			beim	beim
3			Befestigen	Lösen
4	35		(cmkg)	(cmkg)

2 3 4

1 2 3 4 Legierung aus
90 Vol.-% Kupfer
10 Vol.-% Zink

40

Polyamid

172
143
81
81
81
69

161
98
69
92
86
63

45

Es 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 Die Abdeckschicht aus Polyamid verschmorte während der Erhitzung weitgehend und zerbröckelte, als sie beim ersten Prüfgang in die Prüfmutter eingebracht wurde. Die mit der metallischen Abdeckschicht versehene Schraube behielt auch nach sechs Prüfgängen eine mehr als ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen das Lösen.

Dadurch, daß Schraubenbolzen mit metallischer Abdeckschicht die Fähigkeit aufweisen, auch bei hohen Temperaturen unbeeinflußt zu bleiben, sind sie z_ B. zur Verschraubung der heißen Teile von Verbrennungsmaschinen besonders geeignet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Abdeckschicht durch Besprühen mit geschmolzenem Metall auf einen zuvor gereinigten Teil eines Gewindes, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Herstellung eines eine Selbstsicherung tragenden Befestigungselements.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall eine Kupferlegierung, Molybdän, nichtrostender Stahl oder Kohlenstoffstahl verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall eine Kupferlegierung verwendet wird, die etwa 90 VoL-% Kupfer und etwa 10 VoL-% 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 ein solches Metall verwendet wird, das einen Elastizitätsmodul zwischen 10 χ ΙΟ⁶ und 50 χ 10⁶ aufweist

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zum Reinigen das Befestigungselement mit einem feinpulvrigen Aluminiumoxid gestrahlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Metall in fein verteilter Form in halb geschmolzenem Zustand mit Hilfe einer Flammsprühpistole auf das Befestigungselement aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Abdeckschicht auf weniger als dem gesamten Umfang des Gewindes und/oder auf weniger als der gesamten Länge des Gewindes aufgetragen wird.