DE2211138C3

DE2211138C3 - Verfahren zur Herstellung einer Abdeckschicht durch Besprühen mit geschmolzenem Metall auf einen zuvor gereinigten Teil eines Gewindes

Info

Publication number: DE2211138C3
Application number: DE2211138A
Authority: DE
Inventors: Ram Dev Dr. Southfield Mich. Bedi
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1981-06-25
Also published as: JPS5517249B1; IT949963B; US3818525A; DE2211138A1; GB1389229A; DE2211138B2; 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 selbstsicherndes Befestigungselement zu erzeugen.

Bei bekannten selbstsichernden Befestigungselementen 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 Abdeckschiel it 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 Temperaluren und gegenüber organischen Flüssigkeilen, beispielsweise Lösungen auf.

Aus der Zeitschrift »Schweißtechnik«, Heft 3, 1959, Seite 83 bis 85 ist es bekannt, zur Oberflächenveredelung oder Reparatur von Werkstücken Metall auf/.usorit/en.

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 aufzu schneiden. Hierbei dient das Gewinde lediglich der Verankerung des aufgespritzten Metalles, mit dem die ursprüngliche Werkstückgestalt wieder hergestellt werden soIL

ίο 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 Befestigungselement ange wendet 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

Fig. 1 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schraube in perspektivischer Darstellung, Fig.2 die Schraube in einem senkrechten Schnitt entlang der Linie H-Ii der Fig. 1,

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

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

F i g. 1 zeigt eine gemäß dem Verfahren behandelte selbstsichernde Schraube 10 mit üblichen Abmessungen, die einen Kopf 11, 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 tst 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

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

h^r, 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 Gewindeflgche 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 einer Schraube oder ein ausgewählter Teil dieses Schaftes zunächst einer Vorbehandlung unterzogen, wobei in einem mehrstufigen Reinigungsverfahren alle unerwünschten Schinutzteilchen 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 Trichloräthylsn 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 10⁶ bis 30 χ 10⁶ aufweist Besonders befriedigende Ergebnisse sind zu erzielen, wenn Metalle wie nichtrostender Stahl, Molybdän, Kupferlegierungen oder Kohlenstoffstahl aufgebracht werden.

Wie aus F i g. 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 VistallsprÜhstrahl 13a auf eine vorbestimmte, auf dem Gewindeschaft 12 der Schraube 10 Hegend? 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 la 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 Schrauboberflächc 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 z. B. 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 Behandlungsstufen 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 erfindungsgemäßen Verfahrens 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 Trichlorethylen gereinigt um das Fett zu beseitigen.

Sodann 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 Schraubeni'iäche eine Legierung aufgebracht, die aus 90 Vol.-% Kupfer und 10 Vol.-% 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 23 cm von der benachbarten Gewindefläche dcj Gewindeschafts 12 angeordnet während die Sprühpistole in einem Abstand von 73 bis 123 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 (P i g. 2), die eine Dicke von 0,25 bis 03 mm, in der Mitte der 5chicht gemessen, aufweist und von schwammiger, poröser Beschaffenheit ist.

Nach dem Abkühlen wurde eine Schraube der vorgenannten Art unter Verwendung vcn Norm-Stahlmuttern auf Verdrehung geprüft. Die Ergebnisse sind in

hi der folgenden Tabelle wiedergegeben. Diese enthält auch Ergebnisse vor. Verdrehungsversuchen an Schrauben, auf die Abdeckschichten aus verschiedenen Metallen nach dem oben beschriebenen Verfahren

aufgebracht wurden 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 Priifgang beendet. Mit dem gleichen Verfahren wurden weitere Priifgänge durchgeführt.

Material der	(iri)Ulcs	Größtes	l'rül
Ahdejkschiclit	Drehmoment	Drehmoment	gang
	beim	beim
	Befestigen	Lösen
	(cmkgl	(cmkgl
Legierung aus	104	58	I
90 Vol.-¹. Kupier	75	58	2
10 Vol.-".. /ink	58	40	3
	52	35	4
Molybdän	172	121	1
	161	143	2
	143	126	3
	126	104	4
Kohlenstoffstahl	109	63	1
	75	58	2
	63	46	3
	46	29	4
Kupfer-Zink-.Mu-	81	40	1
miniumlegierung	69	40	2
	63	40	3
	58	35	4
Nichtrostender Stahl	109	75	I
	63	58	2
	58	52	3
	46		4

eine Abdeckschicht aus Kunststoff besitzen und /war insbesondere mit Bezug auf ihre Fähigkeit, ihre selbstsichernden Eigenschaften selbst in hohin Temperaturbereichen beizubehalten, bei denen die bekannten Abdcckschichtcn aus Kunststoff schmelzen. Die erfindungsgemäß behandelte Schraube ist auch widerstandsfähig gegenüber organischen Flüssigkeiten, welche die Abdeckschichten aus Kunststoff angreifen und ihre selbstsichernden Eigenschaften zerstören.

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:

Alisführungsbeispiel 2

/u/pi Nnrm-Srhrauhpn aus .Stahl vnn ripnpn i»inp 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 Verdrehygstest unterzogen wurden:

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 Material der
Abdeckschicht

Größtes
Drehmoment
beim
Hefesligen

lcmkg)

Größtes
Drehmoment
beim
Lösen
(cm kg)

Prüfgang

Legierung aus
90 VoL-% Kupfer
10 Vol.-?; Zink

PolvnmiH

172
143
81
81
81
69

161
98
69
92
86
63

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 wuxL

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches Metal! 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 Atispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht auf weniger als dem gesamten Umfang des Gewinnes und/oder auf weniger als der gesamten Länge des Gewindes aufgetragen wird.