DE60319209T2

DE60319209T2 - Plattierte befestigungseinsätze und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE60319209T2
Application number: DE60319209T
Authority: DE
Inventors: William J. Watertown Lutkus
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: WO2003085275A1; EP1490602B1; DE60319209D1; EP1490602A1; JP2005521847A; ATE386889T1; US20030190213A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft beschichtete Befestigungseinsätze sowie ein Verfahren zur Metallbeschichtung solcher Befestigungseinsätze und insbesondere zur Metallbeschichtung von Befestigungseinsätzen, um galvanische Korrosion bei Befestigungsvorrichtungen zu vermeiden.
Befestigungsvorrichtungen sind in einer Vielfalt von Formen, Größen, Ausführungen und Werkstoffen verfügbar. Viele Befestigungsvorrichtungen weisen nicht nur ein Befestigungselement wie einen Bolzen, einen Stift oder eine Schraube auf sondern auch einen Befestigungseinsatz, der in eine Gewindebohrung eingesetzt wird.
Die für einen bestimmten Befestigungsvorgang erforderliche Art von Befestigungseinsatz wird zu einem großen Teil von dem zu verwendenden Typ von Befestigungselement bestimmt. Während die vorliegende Erfindung auf verschiedene Befestigungsvorrichtungen anwendbar ist, bei denen galvanische Korrosion möglicherweise ein Problem darstellt, wird die Erfindung nachfolgend anhand von Befestigungsvorrichtungen beschrieben, die helixförmig gewickelte Befestigungseinsätze aus Metalldraht verwenden. Als nicht einschränkendes Beispiel seien bestimmte helixförmig gewickelte Metalldrahteinsätze genannt, die in Verbindung mit einem Schraubenverbinder geeignet sind, wie in US-Patent Nr. 2,672,070 mit dem Titel „Wire Coil Screw Thread Insert for Molded Material" und US-Patent Nr. 6,224,311 B1 mit dem Titel „Coated Fastener Inserts and Method of Producing the Same" beschrieben.
Allgemein ausgedrückt, werden Innengewinde aufgrund der Eigenelastizität helixförmig gewickelter Drahteinsätze dadurch verstärkt, dass der Einsatz für eine ausgeglichenere Verteilung der dynamischen und statischen Belastungen über die gesamte Länge des Gewindeeingriffs sorgt. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Gewindebohrungen aufweisende Trägermaterial aus einem verhältnismäßig weichen Metall, d. h. Aluminium und Magnesium, gebildet ist. Die Eigenelastizität gleicht auch Steigungsschwankungen und Winkelfehler aus.
Außerdem wird das Trägermaterial keiner Anfangsbelastung ausgesetzt, da der helixförmig gewickelte Einsatz weder Verkerbungen, Verrastungen oder Stauchungen aufweist noch an seinem Einbauort verkeilt werden muss. Mit helixförmig gewickelten Drahteinsätzen lassen sich kleinere Vorsprünge, Flansche und Befestigungselemente als mit anderen Einsätzen verwenden, wodurch insbesondere bei Großserienanwendungen Kosteneinsparungen erzielt werden.
Während solche helixförmig gewickelten Drahteinsätze im allgemeinen als Verankerungen für Schraubenverbinder geeignet sind, müssen sie, wenn sie für hochfeste Anwendungen eingesetzt werden sollen, aus hochfesten Metallen wie rostfreiem Stahl 302/304 gebildet sein. Bei Verwendung rostfreier Stahleinsätze in Verbindung mit aus anderen Legierungen gebildeten Trägermaterialien oder Befestigungselementen sind gewisse Probleme festgestellt worden, z. B. im Laufe der Zeit möglicherweise auftretende galvanische Korrosion. Unter dem Begriff „galvanische Korrosion" ist die elektrochemische Korrosion zu verstehen, die von dem in einer galvanischen Zelle entstehenden Strom zwischen zwei unterschiedlichen Metallen in einem Elektrolyten aufgrund des Potentialunterschieds (EMK) zwischen den beiden Metallen verursacht wird.
In dem Bemühen, galvanische Korrosion zu verhindern, sind Befestigungseinsätze aus rostfreiem Stahl in Verbindung mit einer Grundbeschichtung aus Zinkchromat verwendet worden, die vor dem Einsetzen des Einsatzes auf die Gewindebohrung aufgebracht wurde. Das Auftragen der Zinkchromatgrundierung muss jedoch mengenmäßig streng überwacht werden und gilt als arbeitsintensiv. Das Auftragen der Grundierung ist je nach Monteur ein sehr subjektiver Vorgang. Wird bei Befestigungseinsätzen für Schraubenverbinder zuviel Grundierung aufgetragen, kann sich ein zu hohes Drehmoment dadurch ergeben, dass die Grundbeschichtung unter den Windungen der sperrenden Wicklungen schließlich aushärtet und dabei deren Bewegung einschränkt. Dies kann zu falschen Klemmlastwerten und unzureichend eingedrehten Bolzen führen. Außerdem müssen die Montagewerkzeuge häufig gereinigt werden um zu verhindern, dass sich die Grundbeschichtung unerwünschterweise an den Werkzeugdornen ansammelt. Wird hingegen zu wenig Zinkchromatgrundierung aufgetragen, treten wiederum andere Probleme wie unzureichender Korrosionsschutz auf.
Aus WO 01/00903 A ist ferner eine Anordnung zur Reduzierung galvanischer Korrosion zwischen Metallbauteilen bekannt, die wenigstens ein ein erstes Metall aufweisendes erstes Bauteil sowie wenigstens ein ein zweites Metall aufweisendes zweites Bauteil umfasst, wobei das erste Metall ein höheres Normalelektrodenpotential als das zweite Metall hat und nach dem Einbau das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil in elektrischem Kontakt steht, wobei das erste Bauteil mit einer im wesentlichen durchgehenden Deckschicht beschichtet ist, die so ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeit galvanischer Korrosion des zweiten Bauteils unbedeutend ist. Aufgrund der sehr langsamen kinetischen Korrosionsgeschwindigkeit gewährleistet die Deckschicht, d. h. die Kathode, dass die Angriffe galvanischer Korrosion auf das zweite Bauteil, d. h. die Anode, auf einen für Praxiszwecke langen Zeitraum unerheblich bleiben.
Angesichts der vorstehenden Ausführungen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vermeidung galvanischer Korrosion bei Befestigungsvorrichtungen mit einem metallischen Befestigungseinsatz und einem metallischen Befestigungselement für den Einsatz in einer Gewindebohrung eines metallischen Trägermaterials, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Befestigungselementes und eines Befestigungseinsatzes, um das Befestigungselement in der Gewindebohrung zu halten;
b) Beschichten des Befestigungseinsatzes mit einer Metalllegierung, die im Vergleich zu dem Trägermaterial ein EMK-Potential von ±0,25 V aufweist; und
c) Zusammenfügen von Befestigungselement und metallbeschichtetem Befestigungseinsatz in der Gewindebohrung.

Infolge der Metallbeschichtung des Befestigungseinsatzes ist es Hauptaufgabe der Erfindung, die Lebensdauer von Befestigungsanwendungen dadurch zu verlängern, dass galvanische Korrosion in einer Befestigungsvorrichtung vermieden wird.
Die Erfindung betrifft daher auch eine Befestigungsvorrichtung mit einem metallbeschichteten metallischen Befestigungseinsatz, einem metallischen Befestigungselement und einem metallischen Trägermaterial, das eine Gewindebohrung zur Aufnahme des Befestigungseinsatzes aufweist, wobei wenigstens eines der Bauteile Einsatz, Befestigungselement und Trägermaterial aus einer Metalllegierung gebildet ist, die sich von dem Metall des jeweils anderen Bauteils, also Einsatz, Befestigungselement oder Trägermaterial, unterscheidet, der Einsatz einen im wesentlichen zylindrischen Körper aus helixförmig gewickeltem Draht mit einer Vielzahl von Windungen umfasst, wobei die Außenfläche mit einer Metalllegierung beschichtet ist, die im Vergleich zu dem Trägermaterial ein EMK-Potential von ±0,25 V aufweist, um galvanische Korrosion in der Befestigungsvorrichtung zu reduzieren.
Weitere Anwendungsbereiche der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung. Während die ausführliche Beschreibung und speziellen Beispiele das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung angeben, dienen sie lediglich Darstellungszwecken und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu verstehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Befestigungsvorrichtung mit einem helixförmig gewickelten Einsatz;
2 eine Querschnittsansicht des Zusammenbaus der Befestigungsvorrichtung nach 1;
3 eine perspektivische Ansicht, die den Galvanisierungsvorgang eines helixförmig gewickelten Einsatzes darstellt; und
4 eine Querschnittsansicht einer Windung eines metallbeschichteten Befestigungseinsatzes entlang der Linie 4-4 nach 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die nachstehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels/der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist rein exemplarischer Art und beabsichtigt in keiner Weise, die Erfindung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten einzuschränken.
In 1 ist eine Befestigungsvorrichtung 10 dargestellt, die in Verbindung mit einem Trägermaterial 12 verwendet wird, das eines oder mehrere Gewindebohrungen 14 mit nach innen ragendem Gewinde 16 aufweist. Befestigungseinsätze erfordernde Trägermaterialien werden im allgemeinen aus einem relativ weichen Metall wie einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung gegossen oder extrudiert und können Teil einer Reihe von Endprodukten wie Bleche für Kraftfahrzeugkarosserien oder Luftfahrzeuge und Motorblöcke sein, wobei diese Beispiele nicht einschränkend sind. Die Befestigungsvorrichtung 10 enthält ein Befestigungselement 20 und einen in die Gewindebohrung 14 einsetzbaren Befestigungseinsatz 22.
Das Befestigungselement 20 weist allgemein einen Kopf 24 und einen Schaft 26 auf, an dem ein radial nach außen ragendes Gewinde 28 ausgebildet ist. Der Befestigungseinsatz 22 kann jede beliebige Form aufweisen, die in der Lage ist, das Befestigungselement in einer Gewindebohrung zu halten, er ist jedoch vorzugsweise in Form eines helixförmig gewickelten Drahtes 30 ausgebildet, dessen Körper 32 eine Vielzahl von Windungen 34 aufweist, die zwischen einem ersten und einem zweiten Ende 36 bzw. 38 angeordnet sind. Wenigstens eines der Enden kann mit einem Mitnehmerzapfen oder, bei zapfenlosen Ausführungsbeispielen, mit einer Kerbe versehen sein, der oder die beim Ein- oder Ausbau behilflich ist.
Vorzugsweise sind die Befestigungseinsätze 22 vor ihrem Einbau von größerem Durchmesser als die Gewindebohrungen 14, so dass sie nach ihrem Einbau fest in den Gewindebohrungen gesichert sind, wie am deutlichsten aus 2 ersichtlich ist. Wenn die helixförmig gewickelten Einsätze in den Gewindebohrungen sitzen, bilden die Windungen außerdem einen Innengewindegang von stets 60°, so dass praktisch jeder Standard-Gewindebolzen oder jede Standardschraube damit verwendet werden kann.
Nachdem der Befestigungseinsatz in die gewünschte Form gebracht ist, wird der Einsatz wahlweise gereinigt und/oder auf sonstige Art für die Metallbeschichtung vorbereitet.
Dabei sollen die Befestigungseinsätze vorzugsweise frei von Schmutz wie Öl, Fett, Metallspäne usw. sein, da Schmutz die Ursache von schlechter Haftung der Metallbeschichtung auf dem Befestigungseinsatz sein kann. Daher sollten die Befestigungseinsätze erforderlichenfalls gereinigt werden, d. h. vor der Metallbeschichtung mittels eines chlorierten oder fluorierten Lösungsmittels, Reinigungsmitteln oder eines Hochtemperatur-Ausbrennverfahrens entfettet werden, bei dem das Teil für eine Dauer von 10 bis 20 Minuten einer Temperatur von ungefähr 400 bis 425°C ausgesetzt wird um sicherzustellen, dass sämtliche Verschmutzungen auf Erdölbasis vollständig karbonisiert sind.
Zusätzlich zur Oberflächenreinigung können die Befestigungseinsätze auch in eine säurehaltige und Inhibitoren enthaltende Desoxidationszusammensetzung getaucht werden, um die Entstehung von Wasserstoff zu unterdrücken.
Sobald die Einsätze zur Metallbeschichtung vorbereitet sind, werden sie unter Verwendung bekannter elektrochemischer Beschichtungsverfahren galvanisiert. Sollen zum Beispiel Befestigungseinsätze in ein Trägermaterial aus einer Aluminiumlegierung eingesetzt werden, wird ein galvanisches Bad mit einer entsprechenden Aluminiumzusammensetzung bereit gestellt. Derartige Galvanisierbadzusammensetzungen sind bei einer Vielzahl von Handelsquellen wie AlumiPlate, Inc. aus Minneapolis, Minnesota, erhältlich.
Ein bevorzugtes Metallbeschichtungsverfahren, das die Schritte Reinigen mit Wasser, Säuredesoxidation und nachfolgende Metallbeschichtung enthält, ist in US-Patent Nr. 4,417,954 beschrieben. Nach Reinigung und Desoxidation wird eine geeignete Aluminiumbeschichtungszusammensetzung in einem nicht wässrigen apriotischen Elektrolyten vorbereitet, wobei ausgeschlossen ist, dass die Einsätze freiem Wasserstoff ausgesetzt werden. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die verwendete Metallbeschichtung ein EMK-Potential von ±0,25 V gegenüber dem EMK-Potential des Trägermaterials. Die Beschichtungszusammensetzung wird in einer relativ gleichmäßigen Dicke aufgetragen, die im trockenen Zustand durchschnittlich etwa 5,08 μm bis etwa 12,7 μm (etwa 0,0002 bis etwa 0,0005 Zoll) und bevorzugt etwa 7,62 μm bis etwa 10,16 μm (etwa 0,0003 bis etwa 0,0004 Zoll) beträgt. Eine dünnere Beschichtung ist unter Umständen nicht ausreichend, um galvanische Korrosion bei einer Befestigungseinrichtung wirksam zu verhindern, während dickere Beschichtungen beim Einsatz der Montagewerkzeuge hinderlich sein können.
Nach der Beschichtung, jedoch noch vor dem Einbau in eine Gewindebohrung zum Beispiel wird der metallbeschichtete Befestigungseinsatz wahlweise mit einer Fluorpolymer- oder Chromatzusammensetzung beschichtet, wozu Tauch- oder Druckluftspritzverfahren verwendet werden können.
Auf die vorstehende Weise vorbereitete Befestigungseinsätze wurden mit Hilfe eines Salzsprühtests untersucht. Dabei wurden aluminiumbeschichtete Befestigungseinsätze in Gewindebohrungen von Aluminiumblöcken eingebaut und nach ASTM- Standard B 117-97 500 Stunden lang einem Salznebel ausgesetzt. Nach 500 Stunden wurden die aluminiumbeschichteten Befestigungseinsätze entfernt und metallografisch untersucht. Weder in der exponierten Fläche noch in dem exponierten Gewinde des Aluminiumblocks wurde Korrosion beobachtet.
Auch das Schnittpräparat wies keine Korrosion zwischen dem Gewinde des Aluminiumblocks und den aluminiumbeschichteten Einsätzen auf.

Claims

Befestigungsvorrichtung (10) mit einem metallbeschichteten metallischen Befestigungseinsatz (22), einem metallischen Befestigungselement (20) und einem metallischen Trägermaterial (12), das eine Gewindebohrung (14) zur Aufnahme des Befestigungseinsatzes (22) aufweist, wobei wenigstens eines der Bauteile Einsatz (22), Befestigungselement (20) und Trägermaterial (12) aus einer Metalllegierung gebildet ist, die sich von dem Metall des jeweils anderen Bauteils, also Einsatz, Befestigungselement oder Trägermaterial, unterscheidet, der Einsatz einen im wesentlichen zylindrischen Körper (32) aus helixförmig gewickeltem Draht (30) mit einer Vielzahl von Windungen (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Körpers (32) mit einer Metalllegierung beschichtet ist, die im Vergleich zu dem Trägermaterial (12) ein EMK-Potential von ±0,25 V aufweist, um galvanische Korrosion in der Befestigungsvorrichtung (10) zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallbeschichtung im trockenen Zustand eine Dicke von durchschnittlich etwa 5,08 μm bis etwa 12,7 μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallbeschichtung im trockenen Zustand eine Dicke von durchschnittlich etwa 7,62 μm bis etwa 10,16 μm Zoll [sic!] aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper (32) des Einsatzes aus rostfreiem Stahl gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallbeschichtung Aluminium enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Windungen des Einsatzes (22) nach dem Einbau in die Gewindebohrung (14) einen Innengewindegang von 60° bilden.
Verfahren zur Vermeidung galvanischer Korrosion bei Befestigungsvorrichtungen (10) mit einem metallischen Befestigungseinsatz (22) und einem metallischen Befestigungselement (20) für den Einsatz in einer Gewindebohrung (14) eines metallischen Trägermaterials (12), wobei wenigstens eines der Bauteile Einsatz (22), Befestigungselement (20) und Trägermaterial (12) aus einer Metalllegierung gebildet ist, die sich von dem Metall des jeweils anderen Bauteils, also Einsatz, Befestigungselement oder Trägermaterial, unterscheidet, der Einsatz einen im wesentlichen zylindrischen Körper (32) aus helixförmig gewickeltem Draht (30) mit einer Vielzahl von Windungen (34) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Befestigungselementes (20) und eines Befestigungseinsatzes (22), um das Befestigungselement (20) in der Gewindebohrung (14) zu halten; b) Auftragen einer Schicht auf den Befestigungseinsatz zur Vermeidung galvanischer Korrosion; und c) Zusammenfügen von Befestigungselement (20) und beschichtetem Befestigungseinsatz (22) in der Gewindebohrung (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungseinsatz (22) mit einer Metalllegierung beschichtet wird, die im Vergleich zu dem Trägermaterial (12) ein EMK-Potential von ±0,25 V aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Metallbeschichtung im trockenen Zustand eine Dicke von durchschnittlich etwa 5,08 μm (0,0002 Zoll) bis etwa 12,7 μm (0,0005 Zoll) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Einsatz (22) aus rostfreiem Stahl gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Metallbeschichtung Aluminium enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Befestigungseinsatz (22) einen Körper (32) in Form eines helixförmig gewickelten Drahtes (30) mit einer Vielzahl von Windungen (34) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Windungen des Einsatzes (22) nach dem Einbau in die Gewindebohrung (14) einen Innengewindegang von 60° bilden.