DE102012001859B4

DE102012001859B4 - Verbindungsanordnung und Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil

Info

Publication number: DE102012001859B4
Application number: DE201210001859
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Hesse; Eberhard Hirsch; Peter Horn; Frank Kirchherr; Jochen Dr.-Ing. Kopp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: DE102012001859A1

Abstract

Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Bauteils (12, 16) aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil (14, 36), welches zumindest an seiner Außenseite ein Metall aufweist, welches elektrochemisch unedler ist als Kohlenstoff, wobei ein Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion vorgesehen ist, wobei als Schutz vor Kontaktkorrosion zwischen dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) und dem wenigstens einen zweiten Bauteil (14, 36) ein Trennbauteil (34) angeordnet ist, welches im Kontakt mit dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktkorrosion aufweist als das wenigstens eine zweite Bauteil (14, 36) dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil als elektrisch nicht leitendes Keramikelement (34) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil, welches zumindest an seiner Außenseite ein Metall aufweist, welches elektrochemisch unedler ist als Kohlenstoff, wobei ein Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten solchen Bauteils mit wenigstens einem zweiten solchen Bauteil.
Im Zuge von Leichtbaubestrebungen werden im Kraftwagenbau zunehmend kohlefaserverstärkte Verbundmaterialien eingesetzt. Solche Bauteile aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein edles elektrochemisches Potenzial aus. Im Hinblick auf die Korrosion verhalten sich daher Bauteile aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff wie Bauteile aus einem elektrochemisch edlen metallischen Werkstoff, beispielsweise Kupferbauteile.
Elektrochemisch ist der Kohlenstoff im kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff edler als das Metall des zweiten Bauteils der Verbindungsanordnung. Dadurch kann es zu elektrochemischer Kontaktkorrosion auf Seiten des zweiten, metallischen Bauteils kommen, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil in einem direkten Kontakt miteinander stehen und wenn an der Verbindungsstelle ein leitfähiger Elektrolyt vorliegt. Voraussetzung für die Kontaktkorrosion ist also, dass zwei elektrisch leitende Werkstoffe mit unterschiedlichem elektrochemischen Potenzial einander berühren und Feuchtigkeit. vorliegt. Der Ort der Elektronen leitenden Verbindung der Bauteile kann hierbei durchaus verschieden sein von der von dem Elektrolyten berührten Stelle.
Der elektrochemisch unedlere Werkstoff der Verbindungsanordnung, also das zumindest an der Außenseite des zweiten Bauteils vorhandene Metall wird dann infolge Kontaktkorrosion beschleunigt aufgelöst, wobei dieser Prozess die anodische Teilreaktion darstellt.
Zu einer solchen Kontaktkorrosion kann es beispielsweise kommen, wenn ein direkter Kontakt des Bauteils aus dem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit dem zweiten Bauteil besteht, welches aus einem elektrochemisch unedlen Werkstoff wie einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Jedoch auch der Kontakt zwischen dem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff und einem zweiten Bauteil, welches eine unedle Korrosionsschutzschicht – beispielsweise einen Zink-Nickel-Überzug – aufweist, kann vorkommen und bei Vorliegen von Feuchtigkeit zur Kontaktkorrosion führen. Solche unedle Korrosionsschutzschichten kommen zum Beispiel als Korrosionsschutz von Stahlschrauben zum Einsatz.
Die tatsächliche Kontaktkorrosionsgefahr hängt neben dem Potenzialunterschied auch ab von dem elektrochemischen Verhalten der beiden Kontaktpartner, der Leitfähigkeit des vorliegenden, leitfähigen Mediums und von der geometrischen Gestaltung der Bauteile, insbesondere in der Nähe der elektrolytberührten Kontaktstelle. Das Ausmaß der Kontaktkorrosion ist zudem abhängig von der Kinetik der anodischen und kathodischen Teilreaktionen und dem Flächenverhältnis des unedlen Werkstoffs, bei der Kontaktkorrosion also der Anode, und des edleren Werkstoffs, also der Kathode.
Als Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das kohlefaserverstärkte Bauteil im Fügebereich vor dem Verbinden mit dem zweiten Bauteil mit einer glasfaserverstärkten Schicht zu laminieren. Diese ist elektrisch nicht leitfähig, sodass die Kontaktkorrosion unterbunden wird.
Ein derartiges Verfahren des Laminierens des Bauteils aus dem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit einer Glasfaserlage ist jedoch sehr aufwändig.
Die DE 10 2007 003 277 A1 beschreibt einen eigensteifen Rumpf eines Luftfahrzeugs, welches einen aus metallischen Spanten gebildeten Rahmen aufweist, wobei dieser Rahmen mit einer Außenbeplankung aus kohlefaserverstärkten Verbundbauteilen versehen ist. Die Verbundbauteile umfassen eine Außenhaut und eine Innenhaut aus einem CFK-Werkstoff, zwischen welchen ein Verbundkernelement angeordnet ist. Dadurch ist das Bauteil belüftbar, und Wasseransammlungen in seinem Inneren werden vermieden. Des Weiteren wirkt eine solche zweischalige Konstruktion wärmedämmend, sodass eine Kondensation von Wasser im Inneren des Rumpfs des Luftfahrzeugs unterbunden wird. Dadurch kann der Umfang an Schutzmaßnahmen gegen das Auftreten von Korrosion reduziert werden.
Auch diese Art des Schutzes vor elektrochemischer Kontaktkorrosion ist mit einem vergleichsweise großen herstellungstechnischen Aufwand verbunden.
Aus der DE 10 2007 003 276 A1 ist ein Verbindungselement zum Befestigen von Flugzeugbauteilen bei einer CFK-Metall-Hybridkonstruktion bekannt, welches aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist.
Aus der DE 10 2006 060 552 A1 ist es bekannt, Edelstahlbauteile und Bauteile aus anderen Metallen oder CFK galvanisch zu trennen.
Aus der DE 603 03 783 T2 ist es bekannt, Metallbauteile und CFK-Verbundbauteile mit Unterlegscheiben aus Isoliermaterial und Titanschrauben zu verbinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbindungsanordnung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche beziehungsweise welches auf einfache Weise die Gefahr der Kontaktkorrosion verhindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist als Schutz vor Kontaktkorrosion zwischen dem wenigstens einen ersten Bauteil und dem wenigstens einen zweiten Bauteil ein Trennbauteil aus einem elektrisch nicht leitenden Keramikelement angeordnet, welches im Kontakt mit dem wenigstens einen ersten Bauteil eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktkorrosion aufweist als das wenigstens eine zweite Bauteil. Durch das Trennbauteil, welches vor dem Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zwischen diesen beiden angeordnet werden kann, werden im Hinblick auf die Kontaktkorrosion unverträglichen Bauteile voneinander getrennt. So wird die Kontaktkorrosionsgefahr verringert beziehungsweise eliminiert.
Das für Kontaktkorrosion weniger anfällige Trennbauteil verhindert nämlich eine direkte Berührung der edlen Oberfläche des ersten, aus dem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff gebildeten Bauteils mit der anderen, unedleren metallischen Oberfläche des zweiten Bauteils. Selbst wenn es aufgrund einer Berührung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil an einer nicht mit dem Trennbauteil versehenen Stelle zu einer Kontaktkorrosion kommt, so muss der über den leitfähigen Elektrolyten des Feuchtigkeitsfilms fließende Ionenstrom einen Weg zurücklegen, welcher aufgrund des Vorhandenseins des Trennbauteils besonders lang ist. Dies geht mit einem höheren Widerstand und somit mit einem geringeren Ionenstrom einher, sodass selbst im unwahrscheinlichen Falle einer Kontaktkorrosion diese verringert oder verlangsamt ist.
Die vorstehend genannten Wirkungen des Trennbauteils treten besonders deutlich zu Tage, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Trennbauteil größer ist als ein Bereich, in welchem das wenigstens eine erste Bauteil und das wenigstens eine zweite Bauteil in eine Verbindungsrichtung der Bauteile gesehen überlappen. Dann ist nämlich eine besonders weitgehende Trennung des ersten Bauteils von dem zweiten Bauteil erreicht.
Das Trennbauteil ist erfindungsgemäß als elektrisch nicht leitendes Keramikelement ausgebildet. Ein solcher für das Trennbauteil verwendeter Keramikwerkstoff führt zu einer kompletten elektrischen Trennung zwischen dem ersten Bauteil und der unedlen Metalloberfläche des zweiten Bauteils. Dadurch kann die Kontaktkorrosion vollständig unterbunden werden.
Ein solches Keramikelement kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein aus keramischen Partikeln gebildetes Gerüst umfassen, welches in eine Matrix eingebettet ist, die eine größere plastische Verformbarkeit aufweist als das Gerüst. Bei einer Druckbeaufschlagung eines solchen Keramikelements wird durch den Kontakt der keramischen Partikel untereinander der Druck besonders gut weitergegeben und verteilt. Zudem sorgt die Matrix, welche plastisch leichter verformbar ist als das Gerüst dafür, dass das Keramikelement nicht zu spröde ist und so mechanischen Beanspruchungen, insbesondere Biegebeanspruchungen besonders gut standhält.
Die Matrix verhindert hierbei eine Bewegung der keramischen Partikel unter Belastung beziehungsweise Druckbeaufschlagung, sodass das Werkstoffgefüge des Keramikelements dennoch eine besonders hohe Festigkeit aufweist. Insbesondere wenn die keramischen Partikel in engem Kontakt miteinander stehen und miteinander verhakt sind, lässt sich besonders gut eine Verteilung der bei einer Belastung, etwa durch das Anziehen einer Schraube, auf das Keramikelement wirkenden Druckbeaufschlagung erreichen. Solche aus keramischen und in einer Matrix angeordneten Partikeln gebildete Keramikelemente können auch als Keramik-Composite-Elemente bezeichnet werden.
Insbesondere, wenn als zweites Bauteil eine Schraube durch das erste Bauteil hindurchtritt, besteht die Gefahr, dass in einen Spalt zwischen einem Schaft der Schraube und der Wand einer Durchtrittsöffnung, durch welche die Schraube hindurchgeführt ist, Feuchtigkeit eindringt.
Dem kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch begegnet werden, dass das Trennbauteil mit einer aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildeten Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung dringt dann beim Anziehen der Schraube in den Spalt ein und schließt diesen dabei. Die Beschichtung kann hierbei insbesondere aus einem Kunststoff, etwa aus einem Polyamid wie Nylon, gebildet sein.
Zusätzlich oder alternativ können mikroverkapselte Dichtungsmaterialien vorgesehen sein. Das Trennbauteil kann also mit Hohlkörpern versehen sein, welche mit einem zur Abdichtung von Zwischenräumen ausgebildeten Material gefüllt sind. Beispielsweise können aus einem dünnen Kunststoffmaterial gebildete Hohlkörper einen Klebstoff oder dergleichen enthalten, und beim Austreten des Klebstoffs aus den Hohlkörpern in Folge der Druckbeaufschlagung beim Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil tritt der Klebstoff aus und dringt in die Spalte ein.
Das wenigstens eine zweite Bauteil kann als Verbindungselement, beispielsweise als Schraube ausgebildet sein. Eine solche Schraube kann aus einer Aluminiumlegierung gebildet oder als Stahlschraube ausgebildet sein, welche mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist. Bei einer derartigen Verbindungsanordnung ist durch das Trennbauteil auf besonders einfache und sichere Weise die Gefahr einer Kontaktkorrosion zwischen dem Verbindungselement und dem ersten Bauteil vermieden.
Das wenigstens eine zweite Bauteil kann auch als aus einer Aluminiumlegierung gebildetes Bauteil ausgebildet sein, welches mittels zumindest einem Verbindungselement mit dem wenigstens einen ersten Bauteil verbunden ist. Auch hier sorgt das Trennbauteil auf einfache und sichere Weise dafür, dass eine Kontaktkorrosion zwischen dem Aluminiumbauteil und dem ersten Bauteil vermieden ist.
Bevorzugt sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil als Kraftfahrzeugbauteile ausgebildet. Hier sorgt nämlich das Trennbauteil in besonders vorteilhafter Weise dafür, dass die der Witterung ausgesetzten Kraftfahrzeugbauteile nicht durch beschleunigte Kontaktkorrosion in Mitleidenschaft gezogen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten Bauteils aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil, welches zumindest an der Außenseite ein Metall aufweist, das elektrochemisch unedler ist als Kohlenstoff, wird ein Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion vorgesehen. Hierbei wird als Schutz vor Kontaktkorrosion zwischen dem wenigstens einen ersten Bauteil und dem wenigstens einen zweiten Bauteil ein Trennbauteil aus einem elektrisch nicht leitenden Keramikelement angeordnet, welches bei einem Kontakt mit dem wenigstens einen ersten Bauteil eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktkorrosion aufweist als das wenigstens eine zweite Bauteil. Dadurch, dass das Trennbauteil gezielt zwischen das erste Bauteil und das zweite Bauteil eingebracht und beispielsweise bei einer Beschädigung leicht durch ein unbeschädigtes Trennbauteil ersetzt werden kann, sorgt das Trennbauteil auf besonders einfache Weise für eine effiziente Verringerung der Gefahr der Kontaktkorrosion.
Die für die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, wobei gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine dem Stand der Technik gemäße Verbindungsanordnung zweier CFK-Bauteile, welche mittels einer Schraube aneinander festgelegt sind, wobei die Schraube eine elektrochemisch unedle Oberfläche aufweist;
2 eine Verbindungsanordnung gemäß 1, wobei jedoch jeweils zwischen einem Schraubenkopf und einer Schraubenmutter der Schraube und einem der CFK-Bauteile ein aus einem Titanwerkstoff gebildetes Trennelement gemäß dem Stand der Technik angeordnet ist;
3 eine Verbindungsanordnung gemäß 2, wobei als Trennbauteile Keramik-Composite-Trennelemente vorgesehen sind;
4 eine Verbindungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, bei welcher ein Aluminiumbauteil mit einem CFK-Bauteil verschraubt ist;
5 eine Verbindungsanordnung gemäß 4, bei welcher jedoch aus einem Titanwerkstoff gebildete Trennelemente gemäß dem Stand der Technik zwischen dem Schraubenkopf und dem CFK-Bauteil einerseits und zwischen dem CFK-Bauteil und dem Aluminiumbauteil andererseits angeordnet sind;
6 eine Verbindungsanordnung gemäß 5, wobei anstelle der aus einem Titanwerkstoff gebildeten Trennelemente Keramik-Composite-Trennelemente zum Einsatz kommen;
7 eine Verbindungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, bei welcher zwischen dem Schaft einer Schraube und einem CFK-Bauteil Spalte vorhanden sind;
8 eine Verbindungsanordnung gemäß 7, bei welcher jedoch aus einem Titanwerkstoff gebildete und beschichtete Trennelemente für eine Abdichtung des Spalts sorgen;
9 eine Verbindungsanordnung gemäß 8, wobei einzelne der Trennelemente als beschichtete Keramik-Composite-Trennelemente ausgebildet sind; und
10 eine schematisierte und vergrößerte Detailansicht eines Keramik-Composite-Trennelements.
Bei einer in 1 gezeigten Verbindungsanordnung 10 ist ein erstes CFK-Bauteil 12, also ein aus einem kohlefaserverstärkten oder Carbon-faserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildetes Bauteil mittels einer Schraube 14 mit einem zweiten CFK-Bauteil 16 verschraubt. Die Schraube 14 kann aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein, also aus einem elektrochemisch unedleren Werkstoff als dem Kohlenstoff der CFK-Bauteile 12, 16. Die Schraube 14 kann jedoch auch aus einem Stahl gebildet sein, welcher mit einer Korrosionsschutzschicht aus einem elektrochemisch unedleren Material als Kohlenstoff versehen ist, sie kann also beispielsweise einen Zink-Nickel-Überzug aufweisen.
Aufgrund des Kohlenstoffs in den CFK-Bauteilen 12, 16 zeichnen sich diese durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein edles elektrochemisches Potenzial aus. Bei einem direkten Kontakt zwischen einem Schraubenkopf 18 und dem ersten CFK-Bauteil 12 kommt es im Falle des zusätzlich Vorhandenseins von einem leitfähigen Elektrolyten zwischen dem Schraubenkopf 18 und dem CFK-Bauteil 12 zu elektrochemischer Kontaktkorrosion, welche in 1 schematisch durch Symbole 20 veranschaulicht ist. In analoger Weise kann es zwischen einer Schraubenmutter 22 und dem zweiten CFK-Bauteil 16 zu Kontaktkorrosion kommen.
Um diese zu verhindern, sind bei einer in 2 gezeigten Verbindungsanordnung 24, bei welcher ebenfalls die beiden CFK-Bauteile 12, 16 durch die Schraube 14 miteinander verbunden sind, zwischen den Schraubenkopf 18 und das erste CFK-Bauteil 12 einerseits und die Schraubenmutter 22 und das zweite CFK-Bauteil 16 andererseits als Trennbauteile Trennelemente 26 eingebracht, welche aus einer Titanlegierung gebildet sind. Diese Trennelemente 26 bilden im Kontakt mit den CFK-Bauteilen 12, 16 rasch eine dichte, vor Korrosion schützende Passivschicht aus Titanoxid, sodass in einem Kontaktbereich zwischen diesen Trennelementen 26 und den CFK-Bauteilen 12, 16 keine Kontaktkorrosion auftritt. Dieser Sachverhalt ist in 2 so wie auch in den folgenden Figuren durch Pfeile 28 veranschaulicht. Titan-Trennelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Keine oder allenfalls eine geringe Kontaktkorrosion tritt des Weiteren im Anlagebereich des Schraubenkopfs 18 an das in 2 obere Trennelement 26 einerseits beziehungsweise im Anlagebereich der Schraubenmutter 22 an das in 2 untere Trennelement 26 andererseits auf. Dieser Sachverhalt ist in 2 so wie auch in den folgenden Figuren durch Pfeile 30 veranschaulicht.
Die Trennelemente 26 weisen senkrecht zur Verbindungsrichtung der CFK-Bauteile 12, 16, welche in 2 durch einen Richtungspfeil 32 angegeben ist, eine Erstreckung auf, welche größer ist als der Anlagebereich des Schraubenkopfs 18 beziehungsweise der Schraubenmutter 22 an den Trennelementen 26. Dadurch muss selbst im Falle einer Kontaktkorrosion ein Ionenstrom, welcher an das Vorliegen eines Feuchtigkeitsfilms gebunden ist, einen besonders weiten Weg zurücklegen. Durch den damit einhergehenden großen elektrischen Widerstand wird auch die Intensität der Kontaktkorrosion verringert.
Bei der in 3 gezeigten Verbindungsanordnung 24 sind lediglich anstelle der beiden aus einem Titanwerkstoff gebildeten Trennelemente 26 (vgl. 2) Trennelemente 34 vorgesehen, welche aus einem Keramik-Composite-Werkstoff gebildet sind. Derartige, elektrisch nicht leitende Keramik-Trennelemente 34 unterbinden aufgrund ihrer besonders guten elektrischen Isolierung der CFK-Bauteile 12, 16 gegenüber den unedlen metallischen Außenseiten der Schraube 14 die Kontaktkorrosion besonders wirkungsvoll.
Bei der in 4 gezeigten Verbindungsanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik ist das CFK-Bauteil 12 mittels der Schraube 14 mit einem Aluminiumbauteil 36 verschraubt. Entsprechend kann hier nicht nur an den Kontaktstellen der Schraube 14 mit dem CFK-Bauteil 12, sondern auch zwischen dem Aluminiumbauteil 36 und dem CFK-Bauteil 12 Kontaktkorrosion auftreten, welche wiederum durch die Symbole 20 veranschaulicht ist.
Bei der in 5 gezeigten Verbindungsanordnung 24 wird dieses Auftreten von Kontaktkorrosion durch das Vorsehen von dem aus einem Titanwerkstoff gebildeten Trennelement 26 zwischen dem Schraubenkopf 18 und dem CFK-Bauteil 12 einerseits und durch das Vorsehen eines weiteren solchen aus einer Titanlegierung gebildeten Trennelements 26 zwischen dem CFK-Bauteil 12 und dem Aluminiumbauteil 36 andererseits vermieden. Auch dieses letztere Trennelement 26 ist senkrecht zu der Verbindungsrichtung größer als ein Überlappungsbereich des CFK-Bauteils 12 mit dem Aluminiumbauteil 36. Aus einer Titanlegierung gebildete Trennelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Ein in 5 gezeigtes weiteres Trennelement 26, welches ebenfalls aus einem Titanwerkstoff gebildet und zwischen der Schraubenmutter 22 und dem Aluminiumbauteil 36 angeordnet ist, kann auch entfallen, da selbst beim Kontakt von der Aluminiumlegierung des Aluminiumbauteils 36 mit den elektrochemisch unedlen Überzügen der Schraube 14 nicht das Auftreten von Kontaktkorrosion zu befürchten ist.
Bei der in 6 gezeigten Verbindungsanordnung 24 liegt im Wesentlichen der gleiche Aufbau vor wie bei der in 5 gezeigten Verbindungsanordnung 24. Jedoch ist hier zwischen dem Schraubenkopf 18 und dem CFK-Bauteil 12 ein keramisches Trennelement 34 vorgesehen. Ein solches kann auch anstelle des zwischen dem CFK-Bauteil 12 und dem Aluminiumbauteil 36 angeordneten Trennelements 26 vorgesehen sein, welches aus einer Titanlegierung gebildet ist. Auch hier kann das weitere keramische Trennelement 34 entfallen, welches zwischen dem Schraubenkopf 22 und dem Aluminiumbauteil 36 angeordnet ist.
Bei der in 7 gezeigten, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsanordnung 10 ist wie gemäß 4 ein CFK-Bauteil 12 mit einem Aluminiumbauteil 36 mittels einer Schraube 14 verbunden. Hier liegt jedoch zwischen einem Schaft 38 der Schraube 14 und der Wand einer durch das CFK-Bauteil 12 und das Aluminiumbauteil 36 hindurchgeführten Durchgangsbohrung ein Spalt 40 vor, in welchen Feuchtigkeit eindringen und so zu Kontaktkorrosion führen kann. Dies ist in 7 durch entsprechende Symbole 20 veranschaulicht.
Bei der in 8 gezeigten Verbindungsanordnung 24 verhindern Beschichtungen 42, welche auf die – bei dieser Ausgestaltung aus einem Titanwerkstoff gebildeten – Trennelemente 26 aufgebracht sind, das Eindringen von Feuchtigkeit in den Spalt 40. Derartige Beschichtungen 42 können beispielsweise aus Nylon gebildet sein.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Mikroverkapselung eines Dichtungsmaterials, etwa eines Klebstoffs, vorgesehen sein, um das Eintreten von Feuchtigkeit in den Spalt 40 zu verhindern. Hierbei können Hohlkörper mit dem zur Abdichtung des Spalts 40 ausgebildeten Dichtungsmaterial gefüllt sein, und diese auf den Trennelementen 26 angeordneten Hohlkörper geben ihren Inhalt frei, wenn die Schraube 14 angezogen wird. Bei der in 8 gezeigten Verbindungsanordnung 24 sind die beschichteten oder mit dem mikroverkapselten Dichtungsmaterial versehenen Trennelemente 26 zwischen dem Schraubenkopf 18 und dem CFK-Bauteil 12, zwischen dem CFK-Bauteil 12 und dem Aluminiumbauteil 36 sowie bevorzugt auch zwischen der Schraubenmutter 22 und dem Aluminiumbauteil 36 angeordnet, um auch von dieser Seite her ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Spalt 40 zu verhindern.
Die in 9 gezeigte Verbindungsanordnung 24 entspricht weitgehend der in 8 gezeigten, jedoch ist hier das zwischen dem Schraubenkopf 18 und dem CFK-Bauteil 12 angeordnete Trennelement als elektrisch nicht leitendes Keramik-Trennelement 34 ausgebildet. Jedoch weisen auch hier die Trennelemente 34, 26 die Beschichtungen 42 und/oder die Mikroverkapselung auf. Es kann hierbei jedoch das zwischen dem CFK-Bauteil 12 und dem Aluminiumbauteil 36 vorgesehene, aus einem Titanwerkstoff gebildete Trennelement 26 durch ein keramisches Trennelement 34 ersetzt werden.
10 zeigt schematisch das (nicht beschichtete) keramische Trennelement 34 in einer vergrößerten Detailansicht. Entsprechend umfasst dieses Trennelement 34 ein aus keramischen Partikeln 44 unterschiedlicher Größe und Form gebildetes Gerüst, wobei diese Partikel 44 in engem Kontakt liegen und miteinander verhakt sind. Die Größe der Partikel 44 kann hierbei insbesondere vom Nanometerbereich bis zum Mikrometerbereich reichen. Die Form kann wie in 10 beispielhaft und schematisch gezeigt globular oder auch spratzig oder polygonal sein. Derartige keramische Partikel 44 können insbesondere aus unterschiedlichen Oxiden, etwa einer Mischung von Aluminiumoxiden, Zirkondioxid und/oder Siliziumdioxid gebildet sein.
Das Gerüst der keramischen Partikel 44 kann durch Pulvermischungen bereitgestellt werden, welche gegebenenfalls mit einem Binder, etwa einer Trockenharzmischung, versehen sein können. Die keramischen Trennelemente 34 können etwa als Scheiben bereitgestellt werden oder als Vormaterial, welches beispielsweise rund oder bandförmig vorliegen kann.
Bei dem keramischen Composite-Trennelement 34 befindet sich in den Zwischenräumen zwischen den Partikeln 44 ein Matrixmaterial 46, welches beispielsweise durch ein im Grundzustand viskoses und aushärtbares Kunstharz gebildet sein kann. Indem ein geschütteter oder in Formen gepresster Grundkörper der Partikel 44 mit einem solchen viskosen Material infiltriert wird, kann die Porosität des Trennelements 34 sehr stark verringert werden. Hierbei kann beispielsweise Flüssigharz unter Schwerkraft in die Zwischenräume eindringen, wobei der Vorgang durch Anlegen eines Vakuums unterstützt werden kann. Dies kann bei Raumtemperatur erfolgen oder auch während oder nach einem Sintern der Partikel 44 in einem Ofen.
Zusätzlich oder alternativ kann als Matrixmaterial 46 ein Gel in die Hohlräume zwischen den Partikeln 44 eingebracht werden, welches insbesondere durch eine Sol-Gel-Reaktion aus Nanopartikeln gebildet sein kann, wobei diese Nanopartikel insbesondere aus Siliziumdioxid bestehen können.
Eine Bearbeitung eines die keramischen Partikel 44 aufweisenden Grünlings kann durch Sägen und/oder Bohren erfolgen. Das Aushärten des Matrixmaterials 46 kann anschließend durch Beaufschlagen mit UV-Licht oder mit Wärme erfolgen, etwa in einem Ofen. Alternativ kann beim Aushärten eine Sol-Gel-Reaktion von Nanopulvern stattfinden. Abschließend kann das Trennelement 34 einer Schleifbehandlung unterzogen werden, um die Oberflächen, welche in Kontakt mit den Bauteilen 12, 16, 36 und/oder dem Schraubenkopf 18 oder der Schraubenmutter 22 sind, möglicht plan bereitzustellen.
Die Matrix oder das Matrixmaterial 46 verhindert eine Bewegung der Partikel 44 seitwärts, wenn das Trennelement 34 beispielsweise von oben mit einem Druck beaufschlagt wird, welcher in 10 durch einen Druckpfeil 48 veranschaulicht ist. Durch die Kontaktpunkte der Partikel 44 verteilt sich zudem der Druck sehr gut von oben nach unten, und die Trennelemente 34 halten der beim Anziehen der Schraube 14 aufgebrachten Belastung stand.
Bezugszeichenliste

10: Verbindungsanordnung
12: CFK-Bauteil
14: Schraube
16: CFK-Bauteil
18: Schraubenkopf
20: Symbol
22: Schraubenmutter
24: Verbindungsanordnung
26: Trennelement
28: Pfeil
30: Pfeil
32: Richtungspfeil
34: Trennelement
36: Aluminiumbauteil
38: Schaft
40: Spalt
42: Beschichtung
44: Partikel
46: Matrixmaterial

Claims

Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Bauteils (12, 16) aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil (14, 36), welches zumindest an seiner Außenseite ein Metall aufweist, welches elektrochemisch unedler ist als Kohlenstoff, wobei ein Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion vorgesehen ist, wobei als Schutz vor Kontaktkorrosion zwischen dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) und dem wenigstens einen zweiten Bauteil (14, 36) ein Trennbauteil (34) angeordnet ist, welches im Kontakt mit dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktkorrosion aufweist als das wenigstens eine zweite Bauteil (14, 36) dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil als elektrisch nicht leitendes Keramikelement (34) ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikelement (34) ein aus keramischen Partikeln (44) gebildetes Gerüst umfasst, welches in eine Matrix (46) eingebettet ist, welche eine größere plastische Verformbarkeit aufweist als das Gerüst.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (34) größer ist als ein Bereich, in welchem das wenigstens eine erste Bauteil (12, 16) und das wenigstens eine zweite Bauteil (14, 36) in Verbindungsrichtung (32) der Bauteile (12, 16, 36) überlappen.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (34) – mit einer aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gebildeten Beschichtung (42) und/oder – mit Hohlkörpern, welche mit einem zur Abdichtung von Zwischenräumen ausgebildeten Material gefüllt sind, versehen ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Bauteil als, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung gebildetes und/oder als mit einer Korrosionsschutzschicht versehenes Stahlbauteil ausgebildetes, Verbindungselement (14) ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Bauteil als aus einer Aluminiumlegierung gebildetes Bauteil (36) ausgebildet ist, welches mittels zumindest eines Verbindungselements (14) mit dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) verbunden ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens erste Bauteil (12, 16) und das wenigstens eine zweite Bauteil (14, 36) als Kraftfahrzeugbauteile ausgebildet sind.
Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten Bauteils (12, 16) aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff mit wenigstens einem zweiten Bauteil (14, 36), welches zumindest an seiner Außenseite ein Metall aufweist, welches elektrochemisch unedler ist als Kohlenstoff, wobei ein Schutz vor elektrochemischer Kontaktkorrosion vorgesehen wird, wobei als Schutz vor Kontaktkorrosion zwischen dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) und dem wenigstens einen zweiten Bauteil (14, 36) ein Trennbauteil (34) angeordnet wird, welches im Kontakt mit dem wenigstens einen ersten Bauteil (12, 16) eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktkorrosion aufweist als das wenigstens eine zweite Bauteil (14, 36) dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil als elektrisch nicht leitendes Keramikelement (34) ausgebildet wird.