Schrauben, insbesondere von Aluminiumschrauben

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung zur Verbesserung des Warmlösever haltens von Schrauben insbesondere von Aluminiumschrauben, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfah ren zur Verbesserung des Warmlöseverhaltens von Schrauben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Um eine Schraubverbindung hinreichend zuverlässig berechnen zu können und diese in der Montage prozesssicher einsetzen zu können, ist eine bestimmte tribologische Eigenschaft der Schraube erforderlich, die sogenannte Reibungs zahl, welche durch Schmierung erreicht wird. Nur bei Vorhandensein eines stabilen Reibwerts der Schraube kann eine Schraubverbindung die erforderli che vordefinierte gewünschte Klemmkraft dauerhaft erzeugen. Diese Kraft kann im Regelfall nicht direkt bestimmt werden. Daher wird hier als leicht zu ermit telnde Größe das Drehmoment beim Anzug der Schraube verwendet. Über die Reibeigenschaften der Schraubenoberfläche sind Drehmoment und Klemmkraft miteinander verknüpft. Um das Streuband der Klemmkraft klein zu halten und um die Schraube optimal auszunutzen, ist es erforderlich, die Oberfläche der Schraube zu beschichten und Reibungszahlen in einem engen Band einzustel len. Als Beschichtung für Aluminiumschrauben werden derzeit auf Polytetrafluo rethylen (PTFE)-Suspensionen basierende Beschichtungssysteme verwendet. Auf dem Markt sind verschiedene Beschichtungssysteme für die Einstellung von definierten und eng tolerierten Reibeigenschaften von Aluminiumschrauben erhältlich. Diese Beschichtungssysteme sind gut für die prozesssichere, d.h. reproduzierbare, Verschraubung bei Raumtemperatur geeignet und erlauben die Einstellung der erforderlichen Reibungszahl.

Nachteilig an den vorbekannten Beschichtungssystemen ist, dass diese ihre Reibeigenschaften bei erhöhten Temperaturen vermindern, da PTFE unter Temperatur und Druck„dünnflüssiger“ wird. Das hat zur Folge, dass eine Schraubverbindung zwar unter Raumtemperatur angezogen werden kann und die Schraubverbindung zuverlässig hält, wobei sich bei erhöhten Temperaturen und bei Unterschreitung einer kritischen Reibungszahl der Oberfläche die Schraubverbindung jedoch selbstständig lösen kann. Dieses selbstständige Lösen bei erhöhten Temperaturen wird als Warmlöseverhalten bezeichnet. Die Reibungszahl, welche beim Lösen einer Schraubverbindung unter Temperatur ermittelt wird, gilt als Maßstab für das Warmlöseverhalten. Unter Verbesserung des Warmlöseverhaltens versteht man die Erhöhung der Reibungszahl der Schraubenoberfläche bei festgelegter Prüftemperatur im direkten Vergleich zu einer Ausgangslage.

Die am Markt erhältlichen PTFE-Suspensionsbasierte Beschichtungssysteme zur Einstellung der Reibeigenschaften, beispielsweise das Beschichtungssys tem DF921 der Firma Microgleit Spezialschmierstoffe GmbH, 86558 Hohen wart, sind zur Verbesserung bzw. zur Einstellung des Warmlöseverhaltens bei erhöhten Temperaturen auf Aluminiumschrauben nur bedingt einsetzbar. Ent weder besitzen die Systeme nicht die geforderten Reibeigenschaften (Rei bungszahl nimmt mit steigender Temperatur ab) oder sie sind inkompatibel zum Werkstoff Aluminium. Lacke bestehen zum Beispiel aus mehreren Schichten mit Schichtdicken von bis zu 20 pm, was wiederum dazu führt, dass sich die Gewindekerne und Innenangriffe (Werkzeugansatz) der Schrauben unverhält nismäßig stark füllen und somit eine prozesssichere Montage wie z.B. in der Automobilindustrie nicht möglich ist.

Problematisch für den Einsatz bekannter Beschichtungssysteme auf Aluminium gestaltet sich häufig deren Einbrenntemperatur. Trocknungstemperaturen weit über 150°C zerstören das Gefüge einer Aluminiumschraube.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrun de, eine Beschichtung für Schrauben, insbesondere für Aluminiumschrauben zu schaffen, welche das Warmlöseverhalten der Schrauben weiter verbessert. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Beschichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Mit der Erfindung ist eine Beschichtung für Schrauben und Muttern, insbeson dere aus Aluminium, geschaffen, durch die das Warmlöseverhalten der

Schrauben weiter verbessert ist. Dadurch, dass einer bekannten PTFE- Suspension mit einem pH-Wert von kleiner 7 als Basissystem oberflächenmodi fizierte Nanopartikel aus Siliziumdioxid beigemischt sind, die an ihrer Oberflä che mit Epoxygruppen belegt sind, die bei einer Temperatur von unter 150°C vernetzen, ist eine Erhöhung der Reibungszahl bei erhöhten Temperaturen be wirkt, wobei die Reibungszahl bei Raumtemperatur durch diese Nanopartikel nur unwesentlich verändert wird. Durch die Belegung der Nanopartikel mit Epo xygruppen, die bei Temperaturen von unter 150°C , bevorzugt von unter 120°C, besonders bevorzugt von unter 100°C, insbesondere von unter 80°C miteinan der vernetzen, ist eine blockierende Wirkung erzielt. Durch die unregelmäßige Netzwerkausbildung wird die Bewegung und somit das Fließen des Systems PTFE-Emulsion - Basis + oberflächenmodifizierte Nanopartikel behindert und das Warmlöseverhalten verbessert. Selbstverständlich ist die erfindungsgemä ße Beschichtung gleichermaßen für Muttern einsetzbar. Bevorzugt weist die Suspension einen pH-Wert von kleiner 6, besonders bevorzugt von kleiner 5 auf. Vorteilhaft sind die Epoxy-Gruppen durch Silane an die Partikeloberflächen der Nanopartikel angebunden.

In der erfindungsgemäßen Beschichtung koexistiert das PFTE neben dem Na- nopartikel-Kolloid, beispielsweise einem S1O2 Kolloid als eigenständige Lösung. Eine Vernetzungsreaktion findet nur zwischen den Nanopartikeln über die Epo- xisilangruppen statt. Es wurde gefunden, dass die Bestandteile der PTFE- Suspension und die Siliziumnanopartikel für die Reibeigenschaften des Be schichtungssystems verantwortlich sind. Die sich einstellenden Reibungszahlen liegen in einem Fenster von p _tot = 0,09 bis 0,14 und pt _h bzw. p _b = 0,08 bis 0,14. (Die Reibzahlen p _tot , pt _h , p _b , sind in der DIN 16046 (2013-01 ) definiert.) Wird nun die Temperatur auf 150° C erhöht, fangen die Epoxygruppen auf der Ober fläche der Nanopartikel, beispielsweise der Si0 ₂ -0berfläche an zu vernetzen.

Es bilden sich 3-dimensionale Netzwerke, die das Vorbeigleiten der Oberflä chenbestandteile der Suspension und der Nanopartikel behindern. Die Reibung im Schichtsystem wird erhöht und damit wird auch das Losdrehen behindert. Das Warmlöseverhalten ist somit verbessert, da die mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Schraubenoberfläche einen höheren Reibwiderstand aufweist.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Epoxygruppen durch Silane an die Par tikeloberflächen angebunden, die bei erhöhter Temperatur miteinander vernet zen können. Durch die Vernetzung werden die Fließeigenschaften derart modi fiziert, dass ein Lösen der Schraube gehemmt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Nanopartikel eine monomo dale oder eine polymodale Partikelgrößenverteilung auf. Dabei haben die Parti kel bevorzugt eine Größe von 5 bis 15 Nanometer. Als besonders geeignet hat sich eine bi-modale Verteilung erwiesen, deren Maxima eine Größe mit einem Mittelwert von 5 sowie 15 Nanometern aufweisen. Besonders bevorzugt um fasst die PTFE-Emulsion Nanopartikel im Verhältnis 15 bis 25 gew-%.

Erfindungsgemäß wird eine Vernetzungsreaktion der Epoxygruppen, mit denen die Nanopartikel belegt sind, erst bei einer Temperatur über 80°C, bevorzugt über 100°C, besonders bevorzugt über 120°C initiiert. Hierzu wird ein Träger benötigt, der die Reaktionsfähigkeit der Vernetzungsagenz hinreichend hinaus zögert, zugleich jedoch den Einschraubvorgang nicht behindert. Das PTFE ist beim Einschrauben einer beschichteten Schraube quasi fließend. Die Verwen dung einer polymodalen Partikelgrößenverteilung der Nanopartikel bewirkt eine Verminderung der Behinderung dieses Flusses.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbes serung des Warmlöseverhaltens von Schrauben, insbesondere Aluminium schrauben bereitzustellen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Dadurch, dass die Schrauben mit einer derart ausgebildeten Beschichtung versehen werden, ist eine Erhöhung der Reibungszahl bei erhöhten Temperaturen bewirkt, wobei die Reibungszahl bei Raumtemperatur durch diese Nanopartikel nur unwesentlich verändert wird. Durch Aufbringen der Beschichtung ist das PTFE-Gefüge auf der Schraube nicht fest, sodass es sich beim Eindrehen der Schraube ge schmiert ist und sich leicht drehen lässt.

In Weiterbildung der Erfindung kommen in der Beschichtung sowohl monomo dale wie auch polymodale Partikelgrößenverteilungen zum Einsatz. Dabei ha ben die Partikel bevorzugt eine Größe von 5 bis 15 Nanometer. Besonders be vorzugt werden die Nanopartikel im Verhältnis 15 bis 25 gew-% der wasserba sierten PTFE-Emulsion beigegeben. Durch die bi- oder auch trimodale Größen verteilung werden hinreichend niedrige Reibeigenschaften auf der Oberfläche bei Raumtemperatur erzielt.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 die schematische Darstellung einer mit einer Beschichtung zur Verbesserung des Warmlöseverhaltens versehenen Aluminiumschraube;

Figur 2 die Darstellung eines typischen Messverlaufs des Lösens einer Schraube bei 150°C;

Figur 3 die Darstellung der ermittelten Lösekurven zweier Alumini umschraubenmuster

a) mit einer DF921 -Beschichtung (Stand der Technik) b) mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung.

Die als Ausführungsbeispiel gewählte Schraube 1 ist aus einer Aluminiumlegie rung hergestellt und besteht aus einem Schraubenkopf 2 sowie einem an die sen angeformten Schraubenkörper 3, der mit einer Beschichtung 4 versehen ist. Die Beschichtung ist im Ausführungsbeispiel auf Basis einer wasserbasie renden, sauren PTFE-Suspension (Basissystem) mit einem pH-Wert von 5,2 gebildet, die im Wesentlichen folgende Bestandteile enthält: - Ethen, homopolymer, oxidiert (ca. 71 %)

- Paraffinwachse und Kohlenwasserstoffwachse (ca. 2%)

- Tetrafluorethen-Homopolymer (ca. 20%)

- Hexanatrium-2,2‘-[vinylenbis[(3-sulfonato-4,1 phenylen)imino[6-(diethylamino)- 1 ,3,5-triazin-4,2-diyl]imino]]bis(benzol-1 ,4-disulfonat) (ca. 2%)

- Additive (Netzmittel) (ca. 5%)

Diesem Basissystem sind mit Epoxy-Verbindungen oberflächenmodifizierte Sili- ziumoxidnanopartikel zugegeben, wobei die Partikel eine bi-modale Partikel größenverteilung aufweisen, deren Maxima eine Größe mit einem Mittelwert von 5 und 15 Nanometer aufweisen. Die Epoxyd-Gruppen sind durch Silane an die Partikeloberfläche angebunden, die bei erhöhter Temperatur miteinander vernetzen können. Durch den pH-Wert des Basissystems im sauren Bereich ist es möglich, Siliziumoxidnanopartikel in dieser Suspension zu dispergieren und die Lösung stabil zu halten, ohne dass es zu Ausflockungen oder Ausscheidun gen kommt. Die Siliziumnanopartikel sind an ihrer Oberfläche mit Epoxygrup- pen modifiziert, welche im Endeffekt die gewünschte positive Wirkung in Bezug auf das Warmlöseverhalten hervorrufen.

Zur Untersuchung des Verhaltens der erfindungsgemäßen Beschichtung wurde eine Aluminiumschraube M6x24 mit der vorstehend beschriebenen Beschich tung versehen (Muster 1 ) und dessen Wirkung in Bezug auf das Warmlösever halten einer mit einem Beschichtungssystem DF921 der Firma Microgleit Spe zialschmierstoffe GmbH, 86558 Hohenwart, versehenen Aluminiumschraube (Muster 2) gegenübergestellt.

Bei der Untersuchung des„Warmlöseverhaltens“ wird geprüft, wie verliersicher eine Schraubverbindung bei erhöhten Temperaturen ist. Es wird hierbei ange nommen, dass die Reibung unter Kopf verschwindet und die Schraube nur noch durch die Gewindereibung gehalten wird. Es lässt sich mathematisch ab leiten, dass eine Grenzreibung im Gewinde besteht bei der die Selbsthemmung der Schraube gegeben ist, das heißt, die Vorspannkraft gehalten wird und sich die Schraube nicht selbstständig löst. Diese Grenzreibung ist streng genommen von der Schraubendimension (Nenndurchmesser und Gewindesteigung) ab hängig. In der Praxis wird oftmals angenommen, dass diese Reibung einen Wert von 0.06 hat - unabhängig von den Schraubendimensionen.

Die Untersuchung des Warmlöseverhaltens der beiden vorliegenden Schrau benmuster wurde mit einem Versuchsaufbau gemäß VDA 235-203„Verschrau bungsverhalten / Reibungszahlen“, VDA Prüfblätter, 01 , August 2005, Kapitel 2.3.2 durchgeführt. Hierbei wurde folgender Prüfaufbau zugrunde gelegt:

Die beiden Musterschrauben wurden jeweils in einem Prüfblock mit Hilfe einer Mutter unter einem definierten Anzugsdrehmoment verspannt. Die beiden Prüf blöcke mit der verspannten Musterschraube wurden in einem Ofen bei 150 °C ausgelagert und nach einer Verweildauer von zwei Stunden aus dem Ofen ent nommen. Um ein Abkühlen des Prüfsystems Schraube / Block während des Lösens zu minimieren, wurde der jeweilige Prüfblock in einem kontinuierlich beheizten Aluminiumblock verdrehsicher gelagert. Beim darauffolgenden zeit nahen Lösen der Schrauben wurde das Drehmoment über der Zeit aufgezeich net. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wurde anstelle der in der VDA- Prüfvorschrift angeführten Drehwinkelaufzeichnung beim Lösen der Schrauben eine zeitaufgelöste Drehmomentdetektierung vorgenommen.

In Figur 2 ist ein typischer Messverlauf einer Schraube bei 150°C gezeigt. Auf getragen ist das Drehmoment (negative Achse) über der Zeit. Deutlich zu sehen sind die beiden Peaks, die das Losbrechen von Kopf und Gewinde im Schraub verbund charakterisieren. Zusätzlich ist im linearen Abfall des Drehmoments eine Ausgleichsgerade eingezeichnet. Der Auswertepunkt ist durch einen Kreis markiert dargestellt.

In Figur 3 ist die Gegenüberstellung der Messkurven (Lösekurven) der mit dem DF921 -Beschichtungssystem versehenen Musterschraube 1 und der mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehenen Musterschraube 2 gezeigt. Cha rakteristisch für solche Lösekurven sind ein bis zwei scharfe Messspitzen zu Beginn des Lösevorgangs (Losbrechen von Kopf und Gewinde), gefolgt von einem stetigen Abfall des Drehmoments bis 0 Nm. Für die Auswertung wird in diesem stetigen Bereich eine Ausgleichsgerade angelegt, wobei der Schnitt punkt dieser Geraden mit dem ersten Anstieg der Messwerte als Auswertepunkt für das Warmlöseverhalten herangezogen wird.

Anhand der Messdaten wurde bei der Musterschraube 1 ein Lösemoment von ca. 1.4 Nm ermittelt. Bei der Musterschraube 2 wurde demgegenüber ein Lö semoment von ca. 4.5 Nm ermittelt. Rechnerisch ergibt sich somit eine Verän derung der Warmlösereibzahlen von ca. plös, Muster 1= 0.038 hin zu piös, Muster 2 = 0,085.

Die Untersuchungen ergaben, dass durch die erfindungsgemäße Beschichtung eine Signifikate Verbesserung des Warmlöseverhaltens von Aluminiumschrau ben bewirkt ist. Dabei hat sich gezeigt, dass die poly-modale Partikelgrößenver- teilung der SiC>2-Partikel ein Abgleiten der Oberflächen beim Eindrehen der Schraube begünstigt.

Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich besonders zur Einstellung des Warmlöseverhaltens von Aluminiumschrauben. Darüber hinaus ist auch eine gute Eignung zur Einstellung des Warmlöseverhaltens von Stahlschrauben ge geben.