DE2502011A1 - Ueberzug - Google Patents

Ueberzug

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DE2502011A1
DE2502011A1 DE19752502011 DE2502011A DE2502011A1 DE 2502011 A1 DE2502011 A1 DE 2502011A1 DE 19752502011 DE19752502011 DE 19752502011 DE 2502011 A DE2502011 A DE 2502011A DE 2502011 A1 DE2502011 A1 DE 2502011A1
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DE
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metal layer
metal
coating
layer
nut
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Pending
Application number
DE19752502011
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English (en)
Inventor
Charles Augustus Fineran
Steven Stanley Silwones
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amerace Corp
Original Assignee
Amerace Corp
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Publication date
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Description

Amerace Corporation, New York, N.Y./USA
Überzug
Die Erfindung betrifft einen überzug zum Reduzieren der Abnützung zweier einander zugewandter Oberflächen aus rostfreiem Stahl, die aneinander gleitend angeordnet sind, mit einer ersten Metallschicht; mit einer zweiten Metallschicht; mit einem anorganischen Schmierstoff; und mit einem organischen Schmierstoff.
Die erste Metallschicht ist eine Schicht aus hartem Metall, z.B. eine Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von ungefähr I.474.OOO kg/cm2 (20.000.000 p.s.i.) oder größer so wie Nickel und seine Legierungen, während die zweite Metallschicht aus weichem Metall ist, z.B. eine Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von etwa 1.252.900 kg/cm2 (I7.OOO.OOO p.s.i.) oder geringer so wie Kupfer und seine Legierungen. Der anorganische Schmierstoff umfaßt Molybdändisulfid, Graphit oder deren Kombinationen. Der organische Schmierstoff kann jeglicher in der Technik bekannter Schmierstoff sein so wie aliphatische Alkohole mit hohem Molekulargewicht und aliphatische Säuren oder die Glyceride von solchen Säuren; aus Petroleum oder anderen natürlichen Quellen abgeleitete Wachse oder Mischungen von solchen Wachsen mit Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen und ähnliche. Automobilschmierstoffe so wie Motoröle und Fette können ebenfalls benutzt werden, ebenso wie Silikonöle und Silikonfette, wie sie in der Technik bekannt sind.
Es wurde geflanden, daß die Benutzung des organischen Schmierstoffes wahlweise geschehen kann, wenn die erste Metallschicht
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ORIGINAL
auf eine Metalloberfläche aufgetragen wird und die zweite Metallschicht auf die zweite Metalloberfläche aufgetragen wird.
Es wurde gefunden, daß Überzüge gemäß der Erfindung die Abnützung zwischen Metalloberflächen reduzieren und daß sie Abnützung oder Pressen bei Befestigungsvorrichtungen mit Verschlußmutter und Bolzen, in denen der Bolzen unter hoher Bolzenspannung benutzt wird, wirksam reduzieren. Ohne solche Überzüge besitzen Befestigungsvorrichtungert mit Mutter und Bolzen aus rostfreiem Stahl A-236 oder anderem rostfreien Stahl nach fortgesetzten Montage- und Demontagevorgängen, selbst wenn diese Vorgänge bei Raumtemperatur stattfinden, eine Tendenz zum Pressen. Somit weisen solche Befestigungsvorrichtungen begrenzte Wiederverwendungsmöglichkeiten auf, d.h. im allgemeinen weniger als 20 Zyklen mit Aufschrauben und Abschrauben. Mit erfindungsgemäßen Überzügen können solche Befestigungsvorrichtungen jedoch ohne Pressen während 50 oder mehr Wiederverwendungszyklen montiert und demontiert werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Verschlußmutter und einen Bolzen mit jeweils einem überzug nach der Erfindung;
Fig. 2 einen Bolzen zur Benutzung in einer Kombination mit einer Verschlußmutter ohne überzug, wobei der Bolzen einen erfindungsgemäßen überzug aufweist;
Fig. 3 eine Seitenansicht im Schnitt einer abgesetzten Verschlußmutter mit einem Überzug gemäß der Erfindung;
Fig. 3A eine Draufsicht auf die Verschlußmutter von Fig. 3;
Fig. 4 zwei einander zugewandte Metalloberflächen, von denen eine mit einem Überzug gemäß der Erfindung versehen ist; und
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Fig. 5 zwei einander zugewandte Metalloberflächen, von denen beide mit einem Überzug gemäß der Erfindung versehen sind.
Eine selbstsperrende Befestigungsvorrichtung mit Gewinde, z.B. eine Verschlußmutter, umfaßt eine Vorrichtung mit einer in eine Mutter eingebauten Einrichtung zum Verhindern, daß sich die Mutter während der Verwendung in einer Umgebung löst, in der starke Vibrationen auftreten sowie in Maschinen mit interner Verbrennung, Plugzeug- oder Automobilbaugruppen.
Schwierigkeiten treten auf, wenn die Verschlußmutter bei Anwendungen verwendet wird, wo konstante Wiederverwendungseigenschaften erforderlich sind, denn mit bekannten Verschlußmuttern und Bolzen, die bei Befestigungövorgängen verwendet werden und aus Werkstoffen mit hoher Festigkeit wie rostfreier Stahl A-286 hergestellt sind, sind nur 10 bis 20 Wiederverwendungszyklen bzw. 10- bis 20-maliges Auf- und Abschrauben möglich, bevor übermäßige Abnützung und/oder Beschädigung des Gewindes sie zur Verwendung ungeeignet macht, besonders bei An- ■ Wendungen, wo ein automatischer Drehmomentschlüssei verwendet '.'. wird, um ein hohes Drehmoment an der Mutter oder am Bolzen an-' zuwenden und um beabsichtigterweise eine hohe Ruhespannung am Bolzen weiter bestehen zu lassen und optimale Befestigung zu erzielen. Beispiele solcher Anwendungen sind die Befestigung vonFrontplatten für elektronische Komponenten in Flugzeugen oder Frontplatten in Strahlturbinenbaugruppen, bei denen die gewöhnliche Wartung es erforderlich macht, die Platten regelmässig zu entfernen, um Komponenten zu ersetzen oder zu überholen. Es ist leicht verständlich, daß es ein beachtlicher Vorteil wäre, wenn es möglich wäre, die Wiederverwendungslebensdauer von Befestigungsvorrichtungen mit Verschlußmutter und Bolzen bei solchen Anwendungen zu verlängern.
Die in die Verschlußmutter eingesetzten Einrichtungen zum Verhindern, daß die Mutter sich löst, umfassen eine Reibungsvor-
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richtung, die es erlaubt, die Mutter mit einem mäßigen Drehmoment auf den Bolzen aufzuschrauben und die für einen Reibungswiderstand beim Lösen sorgt, wenn die Gewindeverbindung Vibrationen ausgesetzt wird und welche einen Zusammenbau ohne übermäßiges Spannen erlaubt. Die Reibung, bevor die Mutter in ihre Befestigungsstellung geschraubt wird, drückt sich im allgemeinen in den Drehmomentwerten aus, die nötig sind, um die Mutter in diese Befestigungsstellung zu schrauben und ist hoch genug, um die Verschlußmutter vor einem Loslösen aufgrund von Vibrationen zu bewahren, wenn sie sich in dieser Stellung befindet. Die Reibungsvorrichtung in der Verschlußmutter umfaßt im allgemeinen eine Polymer-Unterlegscheibe, die. in die Mutter eingesetzt und in ihr befestigt ist, wie z.B. Polyamid oder Nylonverbindungen oder ein Polyamid wie z.B. Vespel (Warenzeichen, Verbindung hergestellt und vertrieben von E.I. DuPont deNemours and Company, Inc.). Reibungsvorrichtungen werden auch durch Kröpfen oder Absetzen eines Endes der Mutter gebildet, so daß wenn man in den mit Gewinde versehenen Teil der Mutter hineinschaut, wenigstens ein Ende oval, elliptisch, abgeplattet oder gestreckt ausgebildet statt gewöhnlicherweise rund ist. Im allgemeinen ist Kröpfen das Verfahren, das verwendet wird, um Verschlußmuttern herzustellen, die bei hohen Temperaturen verwendet werden sollen, da polymere Werkstoffe dazu neigen, sich zu zersetzen, wenn sie längere Zeit Temperaturen von mehr als 5OOQF ausgesetzt werden. Jede dieser Reibungseinrichtungen (z.B. Kröpfen oder die Verwendung einer Polymer - Unterlegscheibe) ist so ausgelegt, daß sie im Bereich des gewindemässige: Eingreifens der Kombination aus Verschlußmutter und Bolzen genügend Reibung entwickelt, um ein Loslösen durch Vibrationen zu verhindern.
Es muß also bei dem Versuch, einen Weg zu weisen, die Anzahl der Wiederverwendungszyklen von Bauteilen mit Verschlußmutter und Bolzen zu erhöhen, nicht nur eine Einrichtung geschaffen werden, die übermäßige Abnützung oder Beschädigung des Gewindes
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der Befestigungsvorrichtung mit Mutter und Bolzen verhindert, sondern es muß auch ein genügender Betrag an Reibung in der Befestigungsvorrichtung während aufeinanderfolgender Wiederverwendungszyklen aufrecht erhalten werden, so daß die Mutter sich in einer Umgebung mit Vibrationen nicht lösen kann.
Einige den Stand der Technik betreffende Schriften beschreiben verschiedene überzüge auf Befestigungsvorrichtungen mit Mutter und Bolzen und Metallsubstrate wie z.B. Seiten 122 und 133» "Pasteneering Catalog L", Urheberrecht 1947 der Central Screw Company, 3501 Shields Avenue, Chicago, Illinois, US-Patentschriften Nr. 3 244 625, Silwones; Nr. 2 122 915, Olson; Nr. 3 099 083, Delong; Nr. 3 522 177, Benz; Nr. 3 311 493, Schunemann; Britische Patente Nr. 341 923, Parsons; Nr. 811 573; und Kanadisches Patent Nr. 617 081, Nelson.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Einrichtungen und Verfahren zur Erhöhung der Zahl der Wiederverwendungszyklen von Befestigungsvorrichtungen mit Mutter und Bolzen zu schaffen, bei denen der Bolzen beim Befestigungsvorgang unter hoher Belastung oder Spannung steht.
Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erhöhen der Zahl der Wiederverwendungszyklen einer Befestigungsvorrichtung mit Verschlußmutter und Bolzen zu schaffen, bei der der Bolzen bei einem BefestigungsVorgang unter hoher Belastung steht, so daß eine gewünschte Reibung zwischen der Verschlußmutter und dem Bolzen aufrecht erhalten wird.
Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Überzug und ein Verfahren zum Reduzieren der Abnützung von zwei einander zugewandten Metalloberflächen zu schaffen, die aneinander anstoßend eingesetzt werden sollen, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Überzugs.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Befestigungsbaugruppen zu schaffen, die Bauteile umfassen, die aneinander gleitend in Eingriff miteinander gebracht werden können,und ein Verfahren um diese herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Überzug zum Reduzieren der Abnützung zweier gegenüberliegender Metalloberflächen aus rostfreiem Stahl, die aneinander gleitend angeordnet sind, gelöst, welcher gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine erste Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von einschließlich oder größer als 1.474.000 kg/cm2 (20.000.000 p.s.i.); eine zweite Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von einschließlich oder weniger als etwa 1.252.900 kg/cm2 (17.000.000 p.s.i.) und eine Schicht, die einen anorganischen Schmierstoff umfaßt, worin die erste Metallschicht auf eine der Metalloberflächen aufgetragen ist und die zweite Metallschicht auf die andere Metalloberfläche aufgetragen ist und die zweite Metallschicht ein Substrat für die Schicht des anorganischen Schmierstoffes ist.
Bei einer Ausführungsform wird ein Überzug auf dem Gewinde einer Verschlußmutter und/oder eines Bolzens vorgesehen, um die Abnützung zu reduzieren und eine gewünschte Reibung zwischen dem Gewinde der Verschlußmutter und dem Gewinde, des Bolzens aufrecht zu erhalten.
Es ist ein überzug zum Reduzieren der Abnützung zweier einander zugewandter Metalloberflächen vorgesehen, welcher eine erste Metallschicht, eine zweite Metallschicht, einen anorganischen Schmierstoff und einen organischen Schmierstoff umfaßt.
Die vorstehend erwähnten Überzugsschichten werden auf den Metalloberflächen in einer solchen Weise aufgebracht, daß die erste Metallschicht ein Substrat für die zweite Metallschicht ist,oder diese Metallschicht wird auf eine Metalloberfläche aufgebracht,
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uriiJ die zweite Nk-UiI Ih chi chi; wird auf die andoro MotaΠ oberfläche, aufgebracht. In dein Fall, in dem die orate Metallschicht ein Substrat für die zweite Metallschicht ist, wird es durch diesen Ausdruck beabsichtigt anzuzeigen, daß die zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht angebracht wird. Der anorganische Schmierstoff wird auf der zweiten Metallschicht angebracht, gleich ob diese zweite Metallschicht auf die erste Metallschicht angebracht worden ist oder ob sie direkt auf einer Metalloberfläche angebracht wird und die erste Schicht auf der anderen Metalloberfläche.
Der organische Schmierstoff ist wahlweise zu verwenden, wenn die erste Metallschicht auf einer Metalloberfläche angebracht wird und die zweite Metallschicht auf die verbleibende Metalloberfläche aufgebracht wird.
Wenn die erste Metallschicht wie erwähnt als ein Substrat für die zweite Metallschicht verwendet wird, wird der anorganische Schmierstoff auf der zweiten Metallschicht angebracht. Der or- ; ganische Schmierstoff wird dann als letzte Schicht verwendet, womit gemeint ist, daß die letzte Schicht entweder auf die vor-· stehend erwähnte Metalloberfläche ohne Überzug, auf die Oberfläche mit Überzug oder auf beide aufgebracht wird.
Die erste Metallschicht ist aus einem harten Metall; d.h. einem
2 Metall mit einem Elastizitätsmodul von ungefähr 1.474.0OO kg/cm (20.000.000 p.s.i.) und größer (d.h. ein Bereich, der einen Viert von ungefähr 1.474.000 kg/cm einschließt und über diesen hinaus geht) oder mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von etwa 1.474.000 kg/cm2 (20.000.000 p.s.i.) bis ungefähr 5.527-500 kg/cm2 (75.000.000 p.s.i.). Das Hartmetall umfaßt ein Element, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den folgenden Metallen besteht, von denen die Elastizitätsmodule jeweils in kg/cm in Klammern hinter diesen Metallen angegeben-sind: Platin (1.547.700); Mangan (1.695.100); Kobalt (2.211.000); Nickel (2.211.000); Chrom (2.653.200); Beryllium (2.726.900); Wolfram (3.685.000); Ruthenium (4.422.000); Iridium (5.527.500) und Legierungen von die-
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sen Elementen. Wenn Metalle mit einem Elastizitätsmodul verwendet werden, die so hoch sind wie bei Rhodium oder noch höher, so werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn ein weiches Metall wie Kupfer, Kupfer-Nickelschiehten oder eine Kupfer-Nickellegierung als darunterliegender Überzug verwendet werden. Nickel und seine Legierungen werden als die erste Metallschicht vorgezogen.
Die zweite Metallschicht ist aus einem weichen Metall, d.h. einem Metall mit einem Elastizitätsmodul von ungefähr 1.252.900 kg/cm (17.000.000 p.s.i.) und geringer (d.h. ein Bereich ein-
2 schließlich von und geringer als ungefähr 1.252.900 kg/cm ) oder mit einem Elastizitätsmodul in dem Bereich von ungefähr I.252.9OO kg/cm2 (17.OOO.OOO p.s.i.) bis ungefähr 184.250 kg/cm2 (2,5 Millionen p.s.i.). Das weiche Metall umfaßt ein Element, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den folgenden Metallen besteht, wobei die Elastizitätsmodule eines jeden hinter dem
Metall in Klammern in den Einheiten kg/cm angegeben sind:
Palladium (1.252.900); Kupfer (1.179.200); Gold (884.400); Zirkonium (810.700); Silber (810.700); Kadmium (589.600); Zinn (442.200); Blei (191.620) und Legierungen von diesen, wie z.B. Bronzelegierungen und Messinglegierungen, d.h. die Legierungen von Kupfer und Zinn und Kupfer und Zink. Kupfer und seine Legierungen werden als zweite Metallschicht vorgezogen.
Der anorganische Schmierstoff enthält Molybdändisulfid oder Graphit, wobei jedoch Molybdändisulfid vorgezogen wird, obwohl Mischungen aus Molybdändisulfid und Graphit auch benutzt werden können.
Die den Überzug aus organischem Schmierstoff bildende Schicht ist ein Element, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cetylalkohol, Laurinsäure, normalerweise hartem Paraffinwachs, mikrokristallinem Wachs, Karnaubawachs, Spermazetwachs und Mischungen von diesen oder Mischungen mit Polyolefinen wie Polyethylen, Polypropylen und dergleichen besteht. Die bevorzugten organi-
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sehen Schmierstoffe umfassen Laurinsäure, Cerylalkohol oder Laurintrigliceride, die weiterhin als aliphatische Alkohole oder aliphatische Säuren mit 10 bis ungefähr 20 Kohlenstoffatomen gekennzeichnet 3ein können, und die Glyceride sind insbesondere Trigliceride von solchen Säuren. Schmierstoffe auf Petroleumbasis können ebenfalls verwendet werden, wie z.B. Automobilmotoröle und -fette. Es können auch bekannte Silikonschmierstoffe verwendet werden wie z.B. Silikonöle und Silikonfette.
In Fig. 1 ist ein Bolzen 10 dargestellt, der ein mit einem Überzug versehenes Gewinde 12 aufweist, welches mit einem mit einem Überzug versehenen Gewinde 14 einer Verschlußmutter 16 in Eingriff steht, die eine Vespel-Polymerunterlegscheibe 18, die ebenfalls mit dem einen überzug aufweisenden Gewinde 12 in Eingriff steht, und einen äußeren Schutzring 20 aufweist. Das Bauteil mit Mutter und Bolzen ergibt eine Befestigungsvorrichtung beispielsweise für Platten 10a und 10b. Der Überzug auf dem Gewinde 12 ist eine erste Schicht, die Nickel enthält, während der Überzug auf dem Gewinde 14 eine zweite, Kupfer enthaltende Schicht ist, die ebenfalls ein Substrat für eine Molybdändisulfid enthaltende Schicht aus anorganischem Schmierstoff darstellt. Das überzogene Gewinde 12 und/oder das überzogene Gewinde 14 können wahlweise einen organischen Schmierstoff als letzten Überzug aufweisen.
Es wurde entdeckt, daß eine Verschlußmutter und ein Bolzen gemäß der Beschreibung in Fig. 1 bei einem Minimum von 50 Wiederbenutζungszyklen mit Auf- und Abschrauben bei einem Befestigungsvorgang verwendet werden können, wobei das angewandte Drehmoment ausreichend ist, um die beschriebene Bolzenspannung für die fragliche Baugruppe zu erzeugen, ohne daß die Gewindeoberflächen so fressen oder abgenutzt würden, daß die Kombination aus Mutter und Bolzen für die Verwendung während solcher Wiederverwendungszyklen ungeeignet würde, d.h. ohne unzulässiges Fressen zu zeigen. Der erwünschte Sitz unter Reibung zwischen der
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Unterlegscheibe lfi und dem Gewinde 12 wird während der 50 Wiodorvurv/undungu/.yklcn aufrecht erhalten.
Fig. 2 stellt einen Bolzen 22 für hohe Belastung dar, der ein mit einem Überzug versehenes Gewinde 24 zur Verwendung in Kombination mit einer passenden Mutter wie z.B. einer Verschlußmutter aufweist. Das Gewinde 24 hat einen Überzug, bei dem eine erste, Nickel enthaltende Metallschicht auf das Bolzengewinde aufgetragen ist, eine zweite, Kupfer enthaltende Metallschicht, auf die erste Metallschicht aufgetragen ist, ein Molybdändisulfid enthaltender anorganischer Schmierstoff auf die zweite Metalls chicht aufgetragen ist und ein Cetylalkohol enthaltender organischer Schmierstoff über dem anorganischen Schmierstoff aufgetragen ist. Wenn Bolzen gemäß Pig. 2 aus Werkstoffen wie A-286 oder aus anderem rostfreien Stahl hergestellt sind und mit Muttern aus demselben, reinen Material ohne Überzug montiert werden, so können sie während 50 Wiederverwendungszyklen ohne unzulässiges Pressen verwendet werden. Auch wenn die dazu passende Mutter eine Spannmutter mit einem Nyloneinsatz aus Vespel ist, so bietet sie fortdauernd während 50 Wiederverwendungen das richtige Drehmoment zum Spannen.
Fig. 3 stellt eine Spannmutter 26 mit einem Gewinde 28 dar, wobei die Spannmutter durch Kröpfen an ihrem einen Ende 30 mit einem Absatz versehen worden ist, so daß das gekröpfte Ende 30 elliptisch ist und einen Ellipsendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Kreisdurchmesser am nichtgekröpften Teil 32 der Mutter. Die Spannmutter ist in einem Kanal 34 befestigt, dessen Seitenwände geschlitzt sind, um eine Klammer zum Pesthalten der Spannmutter aufzunehmen.
Fig. 3A ist eine Draufsicht auf die Spannmutter 26 und zeigt das gekröpfte Ende 30. Die gekröpfte Mutter wirkt als Spannmutter, da der verkürzte Ellipsendurchmesser am gekröpften Ende 30 die Mutter dazu befähigt, mit einem Bolzen reibungsmäßig in Eingriff zu stehen.
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Das Gewinde 28 ist mit einem überzug versehen, der eine erste, Nickel enthaltende Schicht aufweist, wobei diese erste Metallschicht wiederum mit einer zweiten, Kupfer enthaltenden Metallschicht bedeckt ist und wobei die zweite Metallschicht wie'-derum mit einem anorganischen, Molybdändisulfid enthaltenden Schmierstoff beschichtet ist und wobei der anorganische, Molybdändisulfid enthaltende Schmierstoff seinerseits mit einem organischen Schmierstoff wie z.B. Cetylalkohol überzogen ist.
Die in den Fig. 3 und 3A dargestellte Verschlußmutter kann während 50 Wiederverwendungszyklen ohne unerwünschtes Pressen oder Verlust von reibungsmäßigem Verschlußdrehmoment verwendet werden, auch wenn sie aus Werkstoffen wie A-286 oder anderem rostfreien Stahl hergestellt ist, der zum Pressen neigt, wenn er mit Bolzen aus demselben Werkstoff ohne überzug unter Spannung montiert wird.
In Fig. 4 sind zwei einander zugewandte gleitende Metallschichten 38 und 40 dargestellt, die eine erste Metallschicht 42 aufweisen, die umfaßt: auf die metallische Oberfläche 38 aufgetra-' genes Nickel, wobei die erste Metallschicht mit einer zweiten, Kupfer enthaltenden Metallschicht 44 versehen ist, wobei die zweite Metallschicht 44 mit einem überzug aus Molybdändisulfid enthaltendem anorganischem Schmierstoff 46 versehen ist und wobei der anorganische Schmierstoff 46 mit einem Überzug aus organischem Schmierstoff 48 versehen ist, der Cetylalkohol enthält. Die metallische Oberfläche JtS kann das Gewinde einer Mutter .sein, während die metallische Oberfläche 40 das Gewinde eines Bolzens sein kann.
Fig.5 zeigt einen Satz aus zwei einander zugewandten Metalloberflächen 50 und 52, die so angeordnet werden können, daß sie aufeinander gleiten, wobei die Metalloberfläche 50 eine erste Metallschicht 54 aufweist, die aufgetragenes Nickel enthält, wobei die Metalloberfläche 52 eine zweite Metallschicht 56 aufweist,
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die darauf aufgetragenes "Kupfer enthält und wobei die zweite Metallschicht 56 mit einem überzug aus anorganischem Schmierstoff 58 versehen ist, der Molybdändisulfid enthält. Die Metalloberfläche 50 kann das Gewinde einer Mutter sein,und die Metalloberfläche 52 kann das Gewinde eines Bolzens sein. Wie vorstehend in Verbindung mit der Befestigung nach Pig. I diskutiert wurde, ist die Verwendung eines organischen Schmierstoffes auf der Oberfläche des Molybdändisulfids auch in diesem Fall wahlweise möglich.
Es wurde entdeckt, daß die in Fig. 4 und 5 dargestellten Metalloberflächen, selbst wenn die Teile aus Werkstoffen hergestellt sind, die bei wiederholtem Zusammensetzen zum Fressen neigen, in gleitender Beziehung zueinander gesetzt werden können, ohne daß ein Anhaften oder Fressen auftritt, und daß der Verschleiß an ihnen wesentlich reduziert wird, selbst wenn ein großer Druck an den Berührungsflächen der so überzogenen Metalloberflächen auftritt und selbst bei wiederholtem Montieren und Demontieren der Teile. Die Überzüge auf den Metalloberflächen schützen vor übermäßigem Verschleiß und vor Fressen, und wenn der Überzug am Gewinde von aus Werkstoffen wie rostfreier Stahl A-286 oder 13-8 bestehenden Befestigungsvorrichtungen mit Verschlußmutter und Bolzen angewandt wird, arbeiten die Teile fortdauernd in befriedigender Weise selbst nach 50 Wiederverwendungen.
Der Metallüberzug wird vorzugsweise durch Elektroplattierung aufgetragen; andere überzugsverfahren so wie Flammspritzen, heisses Schmelzüberziehen, heißes Eintauchüberziehen, Plattieren, Wirbelbettübar'ziehen, Vakuumetallisierung, Kathodenzerstäubung, chemische Reduktion und Oberflächenlegierung durch Überziehen gefolgt von Heizen unter Vakuum und alle der in der Technik bekannten gleichwertigen Verfahren können jedoch benutzt werden.
Die Metalle, die mit einem überzug versehen sein können, umfassen rostfreie Stähle einschließlich der austenitischen, marten-
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sitischen und ferritischen Typen 3 wie definiert im "Metals Handbook Vol. I, Properties and Selection of Metals", herausgegeben von der American Society for Metals, Urheberrecht 1961. Z.B. kann rostfreier Stahl wie 13-8 mit 1J>% Chrom, 8% Nickel und geringem Anteil von Molybdän oder rostfreier Stahl A-286 mit ungefähr 25% Nickel und 16% Chrom als Substrat verwendet werden, worauf der überzug angebracht wird, besonders in der Ausführungsform, die die Anwendung des Überzugs bei Verschlußmuttern und/oder Bolzen umfaßt. Andere rostfreie Stähle umfassen u.a. die Typen I8-8 und Waspaley (Handelsbezeichnung, Special Metals, Inc.).
Vor der Verwendung von Überzügen gemäß der Erfindung ergab sich aus der Wiederverwendung von Kombinationen aus Verschlußmuttern und Bolzen bei starker Beanspruchung der Bolzen ein starkes Pressen. Das Pressen trat üblicherweise zwischen ungefähr dem 10. und 20. Wiederbenutzungszyklus bei Kombinationen aus Mutter und Bolzen aus rostfreiem Stahl auf, wobei das Pressen sich aus einer Deformation der Gewindeoberflächen wie z.B. Abnutzung und Spanbildung und in manchen Fällen Bruch und Erweichung des Gewindes ergibt. Durch den überzug wird die Wiederverwendung solcher Mutter- und Bolzeneinheiten bis auf ein Minimum von 50 Zyklen ausgeweitet, ohne daß die Mutter-und Bolzeneinheiten ungeeignet werden für die Benutzung während solcher Wiederverwendungszyklen.
Wünschenswerterweise werden in solchen Verschlußmutter- und Bolzenkombinationen dünne Überzüge verwendet, da dieser Überzugstyp die Anwendung auf Normgewinde erleichtert, ohne die Abmessungen des Gewindes ändern zu müssen, um. ein Anhaften der Verschlußmutter am Bolzen zu vermeiden.
Allgemein gesagt umfassen dünne Überzüge wie solche, die bei Befestigungsvorrichtungen mit Verschlußmutter und Bolzen angewandt werden, eine erste Metallschicht wie Nickel, vorzugsweise
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mit einer Dicke von ungefähr 0,000254 cm (0,0001 Zoll) bis ungefähr 0,000381 cm (0,00015 Zoll), eine zweite Metallschicht wie Kupfer mit einer vorzugsweisen Dicke von ungefähr 0,000254 cm (0,0001 Zoll) bis ungefähr 0,000508 cm (0,0002 Zoll), einen anorganischen Schmierstoff wie Molybdändisulfid vorzugsweise mit einer Dicke von ungefähr 0,000254 cm (0,0001 Zoll) bis ungefähr 0,001016 cm (0,0004 Zoll), und der anorganische Schmierstoff kann in jeglicher Stärke von etwa 0,000254 cm (0,0001 Zoll) an aufwärts aufgetragen werden, da der Überzug bei der Anwendung deformierbar ist, so daß ein Überschuß keine Schwierigkeiten hervorrufen wird.
Wenn der überzug bei einer Verschlußmutter und/oder bei einem Bolzen angewandt wird, kann die Verschlußmutter eine solche mit eine.r Polymerunterlegscheibe sein, die in die Mutter eingesetzt und mit dieser verbunden ist, oder es kann eine gekröpfte Mutter verwendet werden.
Der Überzug kann hohen Temperaturen bis zu 315,5°C (600°P) ausgesetzt werden und wird weiterhin wirkungsvoll als ein Überzug wirken, der übermäßigen Verschleiß verhindert, wenn er bei einer Verschlußmutter und/oder bei einem Bolzen angewandt wird, der dieser Temperatur ausgesetzt wird. Auch wird eine ausreichende Reibung zwischen dem Verschlußelement der Verschlußmutter und dem Bolzen aufrecht erhalten, so daß die Mutter sich nicht lösen wird, wenn sie Bedingungen mit extremen Vibrationen ausgesetzt wird.
Der Überzug kann ebenfalls bei anderen Anwendungen mit Gleiterscheinungen verwendet werden wie z.B. Metall-Metallageroberflachen, Kolbenringen, Kolben-Zylinderwandberührungsflächen, Reißverschlüssen und Schnappbefestigungen, zusätzlich zu Verschlußmuttern und Kombinationen aus Verschlußmutter und Bolzen.
Die folgenden Beispiele haben erläuternden Charakter.
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HKTSPIKLK 1, 2 und "5
In allen drei Beispielen wurden Bolzen vom Typ 1/4-28 aus rostfreiem Stahl A-286 übereinstimmend mit der NAS 1OO4-18A und Verschlußmuttern vom Typ 1/4-28 gekröpft aus demselben Material mit dem überzug versehen, und das Verschluß- bzw. Lösungsdrehmoment blieb nach etwa 50 Wiederverwendungszyklen erhalten. Drei Muttern und Bolzen wurden für jedes Beispiel mit dem Überzug versehen und getestet.
In allen Beispielen war der Überzug mit Molybdändisulfid Everlube o42 (eingetragenes Warenzeichen, Everlube Corporation, 6940 Parmdale Avenue, North Hollywood, California), ein Schmierstoff mit einem festen Film entsprechend der MiI-L-46010(A), welche eine Abstimmung von Molybdändisulfid, Metalloxyden und Salzen ist, die in einem Harzbindersystem verteilt sind, das in einem Lösungsmittel löslich ist, das Dioxan oder ein Gemisch aus 50% Methyl-Äthylketon und 50% Toluen umfaßt. Der Überzug mit Molybdändisulfid wird auf das Metallteil durch; Eintauchen aufgetragen und dann durch Backen bei einer Temperatur von etwa 204,4°C (4000P) während einer Stunde gehärtet.
Bevor der Überzug oder die Überzüge aus Metall auf die Bolzen oder Muttern aufgetragen werden, werden die Teile aus reinem Metall ungefähr 30 Minuten lang mit 120er Sieb sandgestrahlt, um eine frostähnliche Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen. Die Bolzen oder Muttern werden dann mit Nickel plattiert, wonach Spülen im Wasser und Neutralisieren in Alkali stattfinden. Beim Beispiel 3 werden mit Nickel plattierte Muttern in die Lösung zum Kupferplattieren überführt, und nach dem Plattieren mit Kupfer werden die Teile erneut gespült und getrocknet. In den Beispielen 1 und 2 werden die Muttern aus reinem A-286 nach Sandstrahlung direkt mit Kupfer überzogen.
Die Überzüge aus Nickel und Kupfer werden beide mit gewöhnlichen elektrolytischen Verfahren bis zu einer Überzugstärke von
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0,000381 cm (0,00015 Zoll) plus oder minus 0,00127 cm (0,0005 Zoll) bei Beispiel 1 aufgetragen. Der Nickelüberzug wird bei einem Bolzen aus A-286 angebracht, und die passende Mutter aus A-286 wurde mit Kupfer plattiert und mit einem Molybdändisulfidüberzug auf dem Kupfer versehen, in Beispiel 2 wurde dieselbe Kombination verwendet, jedoch wurde ein zusätzlicher Cetylalkoholüberzug auf der mit Molybdändisulfid überzogenen Oberfläche angebracht. Zum Aufbringen des Überzuges aus Cetylalkohol werden 272,4 g (0,6 Pound.) bis etwa 454 g (1 Pound) Cetylalkohol zunächst in 3,785 1 (1 Gallone) Trichloräthylen aufgelöst. Die zu überziehenden Teile werden dann in die Schmierstofflösung eingetaucht, wonach man vor der Handhabung die Lösung bis zum Trocknen ablaufen läßt.
Bei Beispiel 3 wurden alle vier Überzüge, d.h. der Nickelüberzug, der Kupferüberzug, der anorganische Schmierstoff und der Cetylalkohol auf eine Mutter aus reinem A-2 86 aufgetragen, während die passenden Bolzen aus A-2 86 nicht behandelt wurden.
In allen drei Fällen zeigten die Labortests, daß 50 Wiederverwendungszyklen ohne Pressen, mit minimaler Abnutzung an der Gewindefläche und mit Beibehaltung eines geeigneten Verschluß- bzw. Lösungsdrehmoments erzielt wurden.
Die in diesen Beispielen verwendeten Muttern sind Verschlußmuttern vom Typ 1/4-2 8, die für den Test in einem Aluminiumgehäuse gehalten werden. Normalerweise erstreckt sich ein 2-1/2 Bolzengewinde während jedes Wiederverwendungszyklus durch die Spitze der Mutter, wobei ein Zyklus das Drehen des Bolzens in die Mutter, bis der Kopf des Bolzens auf der Oberfläche des Gehäuses aufsetzt, und danach das Zurückdrehen des Bolzens, bis kein Verschlußdrehmoment mehr zwischen der Mutter und dem Bolzen entwickelt wird, umfaßt. Beim Hineinschrauben des Bolzenkopfes, bis dieser auf der Gehäuseoberfläche aufliegt, wird ein
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Drehmomentschlüssel verv/endet, und das Drehmoment wird so lange gemessen, bis der Bolzenkopf auf der Gehäuseoberfläche aufsitzt. Dies ist als das Drehmomentmaximum definiert. Ein weiteres Drehmoment wird dann angewendet, um den Bolzen mit 69,18 kg cm (60 Zoll Poiand) festzuziehen. Nachdem dieses Drehmoment an dem Bolzen zum Pestsetzen angewendet worden ist, wird ein Drehmoment zum Loslösen am Bolzen angewendet, um den Bolzen aus der Verschlußmutter so weit· zu entfernen, daß der Bolzenkopf die Gehäuseoberfläche gerade berührt. Danach wird das Abreißdrehmoment gemessen, welches das Drehmoment ist, das notwendig ist, um den Bolzen nach dem Loslösen aus der Mutter und/oder dem Gehäuse zu entfernen. Auch diese Messung wird mit einem Drehmomentschlüssel durchgeführt. Dann wird ein angetriebener Schlüssel verwendet, um die Bolzen während mehrerer Zyklen in die Muttern hinein und aus diesen heraus zu treiben. Ein abgewandelter luftbetriebener Rockwell Manufacturing Company-Schlüssel mit 500 U.p.M. und mit einer auf 69,18 kg cm (60 Zoll Pound) einstellbaren Anzugskupplung wird als angetriebener Schlüssel verwendet. Jeweils nach fünf Aus-Ein-Wiederverwendungszyklen mit dem angetriebenen Schlüssel wurden erneut das maximale Drehmoment und das Abreißdrehmoment gemessen, und das Verfahren wurde während und bis zu 50 Ein-Aus-Zyklen wiederholt.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß bei Verwendung des Überzuges mindestens 50 Wiederverwendungszyklen ohne Pressen und mit minimaler Abnutzung an den Gewindeberührungsflächen erzielt wurden. -
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf mehrere Ausführüngsformen beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, daß die Erfindung dadurch eingeschränkt wird, sondern es ist beabsichtigt, daß Abwandlungen davon im Erfindungsgedanken und im weiten Geltungsbereich der vorstehenden Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche inbegriffen sind.
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Claims (5)

P a t ο η U art:; ρ rf 1 r; h ο
1. Überzug zur Reduzierung der Abnützung zweier einander zugewandter Metalloberflächen aus rostfreiem Stahl, die aneinander gleitend angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine erste Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von einschließlich oder größer als 1.474.000 kg/cm (20.000.000 p.s.i.); eine zweite Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul von einschließlich oder weniger als etwa 1.252.900 kg/cm (17.000.000 p.s.i.) und eine Schicht, die einen anorganischen Schmierstoff umfaßt, worin die erste Metallschicht auf eine der Metalloberflächen aufgetragen ist und die zweite Metallschicht auf die andere Metalloberfläche aufgetragen ist und die zweite Metallschicht ein Substrat für .die Schicht des anorganischen Schmierstoffes ist.
2. Überzug zur. Reduzierung der Abnützung zweier einander zugewandter Metalloberflächen aus rostfreiem Stahl, die aneinander gleitend angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine erste Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul in einem Bereich von einschließlich oder größer als 1.474.000 kg/cm2 (20.000.000 p.s.i.); eine zweite Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul
ρ von einschließlich oder geringer als 1.252.900 kg/cm (17.ΟΟΟ.ΟΟΟ p.s.i.), eine einen anorganischen Schmierstoff umfassende Schicht und eine Schicht, die einen organischen Schmierstoff umfaßt, worin die erste Metallschicht auf wenigstens eine der Metalloberflächen aufgetragen wird und ein Substrat für die zweite Metallschicht ist, wobei die zweite Metallschicht ein Substrat für die Schicht des anorganischen Schmierstoffes ist und wobei der organische Schmierstoff die letzte Schicht ist.
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250201T
3. überzug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht aus einem Glied der Gruppe gewählt ist, die aus Platin, Mangan, Kobalt, Nickel, Chrom, Beryllium, Rhodium, Molybdän, Wolfram, Ruthenium, Iridium und Legierungen davon besteht; und daß die zweite Metallschicht aus einem Glied der Gruppe gewählt ist, die aus Palladium, Kupfer, Gold, Zirkonium, Silber, Kadmium, Zinn, Blei und Legierungen davon besteht.
k. Überzug nach Anspruch Ji, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall Nickel umfaßt, daß das zweite Metall Kupfer umfaßt und daß der anorganische Schmierstoff aus wenigstens einem Element der Gruppe gewählt ist, die aus Molybdändisulfid und Graphit besteht.
5. Befestigung aus rostfreiem Stahl mit über ein Gewinde ■miteinander in Eingriff stehenden zusammenwirkenden Elementen und mit einem zwischen ihnen angeordneten überzug nach einem der vorstehenden Ansprüche. .
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