DE19734147C2 - Bauteilverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung zum Zusammenfügen zweier metallischer Bauteile gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Metallische Bauteile werden in der Praxis oftmals durch Schraubverbindungen zusammengefügt, was an der Übergangsstelle zwischen Schraubenkopf und Bauteil zu Kontaktkorrosion führen kann, wenn die Werkstoffe der Schraube einerseits und des Bau­ teils andererseits unterschiedliche elektrochemische Potentiale aufweisen. Bei einem Feuchtigkeitsniederschlag an der Über­ gangsstelle bildet sich dann eine Elektrolytbrücke zwischen Schraubenkopf und Bauteil und damit eine Galvanische Zelle, was zur Abtragung des chemisch unedleren Metalls führt. Besonders gefährdet sind hierbei Bauteile aus Magnesium, die mit Schraub­ verbindungen aus Stahl zusammengefügt werden, da Eisen als Hauptbestandteil von Stahl und Magnesium in der Spannungsreihe der Metalle weit auseinander stehen und somit sehr unterschied­ liche elektrochemische Potentiale aufweisen, was bei Nässe zu einer besonders aggressiven Kontaktkorrosion und einer entspre­ chend starken Schädigung des chemisch unedleren Magnesiumbau­ teils führt.

Zur Verhinderung derartiger Kontaktkorrosion bei Schraubverbin­ dungen ist aus der DE 195 08 977 A1 bekannt, Unterlegscheiben aus elektrisch isolierendem Material zu verwenden. Zum einen wird hierdurch die Schraubverbindung abgedichtet und ein Ein­ dringen von Feuchtigkeit in die Bohrung des Bauteils verhindert, so daß eine Kontaktkorrosion allenfalls im Bereich des freiliegenden Schraubenkopfes erfolgen kann. Zum anderen wird auf diese Weise eine direkte Berührung von Schraubenkopf und Bauteil verhindert und eine Isolierstrecke geschaffen, so daß zur Bildung einer Elektrolytbrücke wesentlich mehr Feuchtigkeit erforderlich ist. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist jedoch die unzureichende mechanische Festigkeit der in der Re­ gel aus Kunststoff bestehenden Isolierstoffe, was zu Setzungs­ erscheinungen der Schraubverbindung und damit zu einer allmäh­ lichen Lockerung der Verschraubung führt.

Aus der DE 195 08 977 A1 ist zur Lösung dieses Problems be­ kannt, eine derartige Unterlegscheibe als Verbundelement mit einem zentral angeordneten Kern aus Stahl und einer umlaufenden Dichtlippe aus Kunststoff auszuführen. Der Stahlkern nimmt hierbei die während der Verschraubung auftretenden Axialkräfte auf und verhindert somit Setzungserscheinungen, während die um­ laufende Dichtlippe die Schraubverbindung abdichtet und eine Isolierstrecke zwischen Schraubenkopf und Bauteil schafft. Nachteilig ist hierbei jedoch der relativ komplizierte Aufbau der Unterlegscheibe, was insbesondere bei einer Herstellung großer Stückzahlen zu berücksichtigen ist.

Aus der DE 43 43 111 C1 ist eine weitere Schraubverbindung zur Verringerung von Kontaktkorrosion bekannt, bei der die Schraube unterhalb des eigentlichen Schraubenkopfs einen Absatz auf­ weist, der sich zum freien Schraubenende hin konisch erweitert und an seiner Stirnseite die Anlagefläche der Schraube bildet. An diesen konischen Absatz wird eine aus Isolierstoff bestehen­ de Unterlegscheibe angeclipst, wodurch die Schraubverbindung abgedichtet und eine Isolierstrecke zwischen Schraubenkopf und Bauteil geschaffen wird. Im Gegensatz zu einer normalen Unter­ legscheibe liegt die Schraube jedoch mit ihrer Anlagefläche di­ rekt auf dem Bauteil auf, wodurch Setzungserscheinungen verhindert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß eine Sonderaus­ führung des Schraubenkopfs erforderlich ist, was zu erhöhten Kosten gegenüber Standardausführungen dieser Maschinenelemente führt. Weitere Nachteile dieser Schraubenverbindungen mit an der Scheibe angesetzten Kunststoff-Formteilen werden darin ge­ sehen, daß die zur Verringerung der Magnesium-Kontaktkorrosion erforderliche Dichtheit durch mechanische Einwirkung oder auch durch entstehende Korrosionspunkte beeinträchigt werden kann und daß im Fall einer Reparatur neue Schrauben mit neuen Dicht­ elementen verwendet werden müssen, wobei eventuell eine welt­ weite Verfügbarkeit problematisch sein könnte.

Die JP 03096710 A1 beschrteibt eine Verbindung zweier Bauteile mit einer Schraube, wobei der Schraubenkopf von einem Bauteil durch eine keramische Unterlegscheibe getrennt ist. Ein Nach­ teil dieser Anordnung liegt in der nur geringen mechanischen Belastbarkeit der keramischen Unterlegscheibe, da Zugspannun­ gen, die durch die Spannkraft der Schraube hervorgerufen wer­ den, zum Bruch der Unterlegscheibe führen können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Bauteil­ verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, zu schaffen, die eine Kontaktkorrosion zwischen der Bauteilverbindung und den zusammenzufügenden Bauteilen möglichst weitgehend verhin­ dert und darüber hinaus große mechanische Belastungen aufnehmen kann.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einer bekannten Bauteilverbin­ dung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Begriff Bauteilverbindung ist hierbei und im folgenden all­ gemein zu verstehen und nicht auf die eingangs erwähnten Schraubverbindungen beschränkt, sondern umfaßt beispielsweise auch Bauteilverbindungen mit Bolzen, Stiften, Keilen oder Nie­ ten.

Die Erfindung geht von einer Bauteilverbindung mit einem Ver­ bindungselement aus, das mit seinem Schaft in entsprechende Bohrungen in den zusammenzufügenden Bauteilen eingeführt wird, wobei zwischen dem Kopf des Verbindungselements und den zusam­ menzufügenden Bauteilen eine nicht-metallische und elektrisch isolierende Unterlegscheibe angeordnet ist. Hierdurch wird eine direkte Berührung des Kopfs mit den Bauteilen verhindert und eine Isolierstrecke zwischen den unterschiedlich edlen Metallen von Kopf und Bauteil geschaffen, wodurch die Ausbildung einer Elektrolytbrücke wesentlich erschwert wird. Keramische Scheiben können auch bereits bei der Schraubenherstellung verliersicher mit den Schrauben verbunden werden (sogenannte Kombischrauben). Die keramischen Scheiben erfüllen auch bei auf üblicher Weise beschichteten Stahlschrauben ihre Funktion. Weiterhin können die keramischen Scheiben auch bei Schrauben aus Aluminium- oder Titanwerkstoffen in Verbindung mit Magnesium mit Erfolg einge­ setzt werden. Zudem weist die Unterlegscheibe eine ballige O­ berfläche auf, um die mechanische Belastbarkeit zu erhöhen, Dies ist insbesondere bei Schraubverbindungen von Bedeutung, da die Unterlegscheibe dann die gesamten Axialkräfte aufnehmen kann, ohne zu brechen.

Sollte aufgrund starker Feuchtigkeitsniederschläge trotzdem ei­ ne Elektrolytbrücke entstehen, so wäre zumindest deren elektri­ scher Widerstand entsprechend der Länge der überbrückten Iso­ lierstrecke erhöht, was zu einer entsprechend abgeschwächten Korrosionswirkung führt. Die Unterlegscheibe sollte also so ge­ formt sein, daß der vom Elektrolyt zu überbrückende Weg zwi­ schen Schraubenkopf und Bauteil möglichst groß ist. Hierbei ist jedoch ein Kompromiß zu wählen zwischen den Anforderungen zur Korrosionsminderung, der zulässigen mechanischen Beanspruchung der Unterlegscheibe und dem verfügbaren Einbauraum.

Der Begriff Unterlegscheibe ist hierbei und im folgenden nicht auf kreisrunde Unterlegscheiben im engeren Sinne beschränkt, sondern umfaßt beispielsweise auch dünne, rechteckige Platten oder ähnliches. Entscheidend für die korrosionsmindernde Wir­ kung ist lediglich, daß die seitliche Ausdehnung der Unterleg­ scheibe hinreichend groß ist, um eine direkte Berührung des Kopfes des Verbindungselements mit den zusammenzufügenden Bau­ teilen zu verhindern.

Gemäß der Erfindung besteht die Unterlegscheibe im wesentlichen aus einem Keramikwerkstoff, der neben den guten Isoliereigen­ schaften auch mechanisch belastbar ist, so daß bei einer Schraubverbindung eine Lockerung aufgrund von Setzungserschei­ nungen verhindert wird.

Als Keramikwerkstoff für die Unterlegscheibe eignet sich bei­ spielsweise Zirkondioxid ZrO₂, das vorzugsweise mit Magnesium­ oxid MgO oder Y₂O₃ teilstabilisiert ist, jedoch kann auch Alu­ miniumoxid Al₂O₃ mit einem hohen Reinheitsgrad von mehr 97% verwendet werden. Besonders vorteilhaft an diesen Werkstoffen sind ihre hydrophoben Oberflächeneigenschaften, wodurch der Bildung einer Elektrolytbrücke aufgrund von Feuchtigkeitsnie­ derschlägen entgegengewirkt wird.

Weitere mögliche Werkstoffe für die Unterlegscheibe sind Alumi­ nium-Dispersionskeramiken Al₂O₃ mit 3-10% ZrO₂ sowie Silizium­ nitrid Si₃N₄. Unabhängig vom verwendeten Material ist es wei­ terhin vorteilhaft, den Werkstoff mit Fasern oder Partikeln zu verstärken, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung an­ hand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schraubverbindung von zwei Magnesiumbauteilen im Quer­ schnitt,

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführungsform der Unterlegscheibe einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung im Quer­ schnitt sowie in der Aufsicht,

Fig. 3 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Nietverbindung im Querschnitt sowie

Fig. 4 eine formschlüssige Stiftverbindung ebenfalls im Quer­ schnitt.

Die Querschnittsdarstellung in Fig. 1 zeigt eine erfindungsge­ mäße Schraubverbindung, die beim Zusammenfügen von Magnesium­ bauteilen 1.1, 1.2 eine Kontaktkorrosion zwischen der aus Stahl bestehenden Schraube 2 und den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 weitgehend verhindert. Die mechanische Verbindung der Magnesi­ umbauteile 1.1, 1.2 erfolgt hierbei in herkömmlicher Weise durch die vollständig aus Stahl bestehende Sechskantschraube 2 mit einem Schraubenkopf 2.1 und einem Schraubenschaft 2.2, der durch zwei zylindrische Bohrungen hindurchgeführt wird, die in den beiden zusammenzufügenden Bauteilen 1.1, 1.2 in Deckung ü­ bereinander liegend angeordnet sind und mit dem Schraubenschaft 2.2 eine Spielpassung bilden. Anschließend wird dann eine ent­ sprechend angepaßte Sechskantmutter 3 auf ein an dem Schrauben­ schaft 2.2 angebrachtes Feingewinde aufgesetzt und die Schraub­ verbindung mit entsprechenden Schraubenschlüsseln angezogen.

Zwischen dem Schraubenkopf 2.1 und dem Magnesiumbauteil 1.1 so­ wie zwischen der Sechskantmutter 3 und dem Magnesiumbauteil 1.2 ist hierbei jeweils eine elektrisch isolierende Unterlegscheibe 4.1 bzw. 4.2 aus Keramik angeordnet, um eine Kontaktkorrosion zu verhindern, wobei als Keramikwerkstoff Zirkondioxid ZrO₂ verwendet wird, das mit Magnesiumoxid MgO teilstabilisiert ist. Zum einen dichten die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 die Schraubver­ bindung ab und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit in die Gewindegänge der Schraubverbindung, damit dort keine Kon­ taktkorrosion auftreten kann, was aufgrund der damit verbunde­ nen Zersetzung des chemisch unedleren Magnesiums zu einem Fest­ setzen der Schraubverbindung führen könnte. Um hierbei eine möglichst gute Dichtwirkung zwischen der Anlagefläche des Schraubenkopfs 2.1 und dem Magnesiumbauteil 1.1 bzw. zwischen der Sechskantmutter 3 und dem anderen Magnesiumbauteil 1.2 zu erreichen, weisen die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 beidseitig ge­ glättete Oberflächen auf.

Zum anderen verhindern die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 eine di­ rekte Berührung des Schraubenkopfs 2.1 bzw. der Sechskantmutter 3 mit den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 und bilden eine Isolier­ strecke, wodurch der vom Elektrolyt zu überbrückende Weg ver­ größert wird. Eine Kontaktkorrosion kann also erst dann erfol­ gen, wenn sich aufgrund von Feuchtigkeitsniederschlägen eine Elektrolytbrücke zwischen dem aus Stahl bestehenden Schrauben­ kopf 2.1 bzw. der Sechskantmutter 3 und den Magnesiumbauteilen 1.1 bzw. 1.2 gebildet hat. Bei normalen Verhältnissen führen die Feuchtigkeitsniederschläge jedoch lediglich zu geringfügi­ gen Feuchtigkeitsansammlungen 5 an den Stoßstellen der Magnesi­ umbauteile 1.1, 1.2 mit dem Schraubenkopf 2.1 bzw. der Sechs­ kantmutter 3, die nicht ausreichen, um eine Elektrolytbrücke zu bilden, so daß keine galvanische Zelle entsteht und demzufolge auch keine Kontaktkorrosion auftritt. Zur Verhinderung derarti­ ger Elektrolytbrücken ist der Radius der Unterlegscheiben 4.1, 4.2 ungefähr doppelt so groß wie der Radius des Schraubenkopfs 2.1.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer im Rahmen der erfindungsgemäßen Schraubverbindung zu verwendenden Unter­ legscheibe 6, die beidseitig ballige Oberflächen aufweist, was wegen der erheblichen Biege- und Schubbeanspruchungen beim An­ ziehen der Schraubverbindung aus mechanischer Sicht vorteilhaft ist.

Die in Fig. 3 gezeigte Querschnittsdarstellung gibt eine Niet­ verbindung wieder, die - wie die vorstehend beschriebene Schraubverbindung - beim Zusammenfügen von Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 eine Kontaktkorrosion weitgehend verhindert. Die Her­ stellung der Nietverbindung erfolgt hierbei, indem ein Vollniet 7 mit seinem Schaft 7.1 durch eine elektrisch isolierende Un­ terlegscheibe 8.1 hindurch in die beiden übereinander in De­ ckung liegenden Bohrungen der Magnesiumbauteile 1.1, 1.2 einge­ führt wird, bis der Kopf 7.2 des Vollniets 7 mit seiner Anlage­ fläche auf der Unterlegscheibe 8.1 aufliegt und der Schaft 7.1 des Vollniets 7 auf der gegenüberliegenden Seite der Magnesium­ bauteile 1.1, 1.2 herausragt. Auf das herausragende freie Ende des Schafts 7.1 wird dann eine weitere Unterlegscheibe 8.2 aus Keramik gelegt. Anschließend wird die Vollnietverbindung ge­ schlagen, indem durch einen sogenannten Döpper das herausragen­ de freie Ende 7.3 des Schafts 7.1 axial gestaucht wird, wobei es die dargestellte Halbkugelform annimmt und eine haltbare Verbindung herstellt.

Die Unterlegscheiben 8.1, 8.2 bestehen im wesentlichen aus Alu­ miniumoxid Al₂O₃ mit einem Reinheitsgrad von mehr als 97% und haben - wie bereits vorstehend anhand der Beschreibung zu Fig. 1 erläutert - die Aufgabe, eine Kontaktkorrosion zwischen dem aus Stahl bestehenden Niet 7 und dem Magnesiumbauteil 1.1 bzw. 1.2 zu verhindern. Dies geschieht zum einen dadurch, daß die Bohrung in den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 durch die Unterleg­ scheiben 8.1, 8.2 gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet wird, um die Bildung einer Galvanischen Zelle in der Bohrung zu verhindern. Zum anderen wird auf diese Weise an den Außenseiten der Nietverbindung der von dem Elektrolyt zu überbrückende Abstand zwischen den Nietköpfen 7.2, 7.3 und den Magnesiumbauteilen 1.1 bzw. 1.2 erhöht, was ebenfalls der Bil­ dung einer Galvanischen Zelle entgegenwirkt.

Fig. 4 zeigt schließlich eine Stiftverbindung zweier Magnesi­ umbauteile 1.1, 1.2, die - wie die vorstehend beschriebenen. Ausführungsbeispiele - trotz der unterschiedlichen Werkstoffe von Stift 9 und Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 eine Kontaktkorro­ sion weitgehend verhindert. Die Verbindung der beiden Magnesi­ umbauteile 1.1, 1.2 erfolgt hierbei, indem ein aus Federstahl bestehender Stift 9 durch eine elektrisch isolierende Unterleg­ scheibe 10 hindurch in die übereinander in Deckung liegenden Bohrungen in den beiden Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 hineinge­ drückt wird, bis der Kopf 9.1 des Stifts 9 mit seiner Anlage­ fläche auf der Oberseite der Unterlegscheibe 10 aufliegt. Hier­ bei bildet der einen Spreizschlitz 9.2 aufweisende Stift 9 mit seinem Schaft 9.3 eine Preßpassung mit den Bohrungen in den Ma­ gnesiumbauteilen 1.1, 1.2, so daß nach dem Einschieben des Stifts 9 eine haltbare Verbindung hergestellt ist.

Die Unterlegscheibe 10 besteht hierbei aus einer Aluminium- Dispersionskeramik mit 3-10% Zirkonoxid ZrO₂ und hat wiederum die Aufgabe, eine Kontaktkorrosion zwischen dem aus Stahl be­ stehenden Stift 9 und dem Magnesiumbauteil 1.1 zu verhindern, wie bereits vorstehend eingehend erläutert wurde.

Claims (8)

1. Bauteilverbindung mit einem Verbindungselement (2) mit ei­ nem Schaft (2.2) zum Einführen in koaxial verlaufende Boh­ rungen in zwei zusammenzufügenden Bauteilen (1.1, 1.2) und einem gegenüber dem Schaft (2.2) verbreiterten Kopf (2.1) sowie einer einteiligen Unterlegscheibe (4.1) zur Anordnung zwischen der Anlagefläche des Kopfes (2.1) einerseits und den zusammenzufügenden Bauteilen (1.1, 1.2) andererseits, wobei die einteilige Unterlegscheibe (4.1) zur Verhinderung von Kontaktkorrosion zwischen dem Kopf (2.1) und den Bau­ teilen (1.1, 1.2) aus einem im wesentlichen keramischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter­ legscheibe (4.1) zur Verbesserung der mechanischen Festig­ keit ballig geformt ist.

2. Bauteilverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verbindungselement eine Schraube (2), ein Niet (7) oder ein Stift (9) ist.

3. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Unterlegscheibe (4.1) mindestens doppelt so groß ist wie der Radius des Kopfes (2.1) des Verbindungselements (2).

4. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Unterleg­ scheibe (4.1) ZrO₂, Al₂O₃ und/oder Si₃N₄ enthält.

5. Bauteilverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Unterlegscheibe (4.1) mehr als 97 Prozent Al₂O₃ und/oder 3 bis 10 Prozent ZrO₂ enthält.

6. Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Unterlegscheibe (4.1) mit Magnesiumoxid oder Y₂O₃ teilstabilisiert ist.

7. Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (4) der Unterlegscheibe (4.1) faser- oder partikelverstärkt ist.

8. Verwendung einer Bauteilverbindung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche zur Verhinderung von Kontaktkorrosion bei einer Verbindung von Bauteilen aus chemisch unedlen Werk­ stoffen.