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Die Erfindung betrifft eine Verschraubungsanordnung gemäß der Gattung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Bei dünnwandigen Karosseriebauteilen aus Magnesiumguss werden die Bauteile vor dem Verbau üblicherweise aufgrund von Korrosionsaspekten mit einem Dreischichtaufbau aus einer Konversionsschicht, einer kathodischen Tauchlackierungsschicht und einer Pulverlackschicht versehen. Übliche Pulverlackschichten sind auf Basis von Epoxiden und/oder Polyestern aufgebaut.
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Der Einsatz von Bauteilen ohne Oberflächenschutz ist aufgrund von Korrosion der Schraubstelle unter Salzbelastung nicht möglich. Werden die Schraubstellen jeweils mit dem aus dem Stand der Technik bekannten üblichen Dreischichtaufbau beschichtet, kann es unter Dauerbelastung und Temperaturbeanspruchung des Bauteils zu einem Setzverhalten der Schrauben an der Pulverschicht kommen. Daher werden die Bauteile im Bereich der Schraubstellen vor dem Pulverbeschichten maskiert, d. h. mit einer Klebefolie versehen, welche nach der Pulverbeschichtung wieder abgezogen wird. Somit bildet die kathodische Tauchlackierungsschicht lokal die oberste Schicht der Bauteile. Der Vorteil der maskierten Schraubstelle besteht darin, dass die Probleme bezüglich Setzverhalten durch diese Maßnahme behoben werden. Die verbleibende dünne kathodische Tauchlackierungsschicht kann jedoch während des Anziehvorgangs der Schraube beschädigt werden, was zu erhöhter Korrosionsanfälligkeit unter Salzbelastung führen kann.
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Aus der
US 2012/0276362 ist ein Verfahren zum Abdichten zwischen zwei Komponenten bekannt, welches das Aufbringen und Aushärten einer Füllschicht auf eine erste Komponente zur Oberflächenversiegelung umfasst.
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Aus der
US 7,984,919 B2 sind Verfahren und Vorrichtungen zum formschlüssigen Befestigen von Bauteilen aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bekannt, zwischen denen eine Einlage zum Abdichten und Isolieren der Bauteile gegenüber Umgebungsbedingungen angeordnet ist, um eine Korrosion zu verhindert oder einzuschränken. Die Einlage umfasst einen nicht leitfähigen Isolator mit einem Schmelzpunkt oder einer Glasübergangstemperatur von mehr als 115°C und ein Matrixmaterial, das in Kontakt mit dem Isolator ist und in seinem unbehandelten Zustand eine Klebrigkeit aufweist. Das Matrixmaterial wird nach dem Einbringen der Einlage durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet, wobei die Klebrigkeit ausreichend hoch ist, so dass sie einer Verschiebung nach dem Aufbringen auf eine Oberfläche widersteht. Bei dem Einbringen in die Verbindung zwischen den zwei Bauteilen verbindet der Isolator die zwei unterschiedlichen Materialien und widersteht jeder Verschiebung, die die zwei unterschiedlichen Materialien in direkten Kontakt miteinander bringen würde.
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Aus der
DE 10 2012 014 779 A1 ist eine Verbindungsanordnung von wenigstens zwei Bauteilen eines Kraftwagens bekannt, bei welche die Bauteile mit wenigstens einem Gewindeelement miteinander verbunden sind. Über ein Gewinde ist das Gewindeelement mit einem korrespondierenden Bauteil verschraubbar. Das Gewinde ist zumindest in einem Längenbereich mit einer Beschichtung versehen, die als erste Schicht eine Schicht aus einer Zink-Nickel-Legierung und als zweite Schicht eine organische Schicht umfasst, wobei die Beschichtung als dritte Schicht einen Gleitlack und als vierte Schicht ein Dichtmittel umfasst. Zudem ist wenigstens eines der Bauteile, mit welchem das Gewindeelement über sein Gewinde verschraubt ist, im Wesentlichen aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, gebildet.
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Aus der
DE 20 2014 103 751 U1 ist eine gattungsgemäße Verbindungsanordnung zwischen einem ersten Metallteil und einem zweiten Metallteil, welche aus verschiedenen metallischen Werkstoffen sind, welche in einer Verbindungsregion mittels einer Verbindungstechnik miteinander verbunden sind. Als Verbindungstechnik kann beispielsweise eine Schraubverbindung oder eine andere Verbindungstechnik eingesetzt werden, welche geeignet ist, die beiden Metallteile mechanisch miteinander zu verbinden. Jedes der Metallteile weist eine Außenfläche und einen Verbindungsabschnitt auf, über welche die Metallteile miteinander gekoppelt sind. Vor dem Verbinden der beiden Metallteile wird die Verbindungsregion des ersten Metallteils mit einer Konversionsschicht vorbehandelt. Auf die vorbehandelte Verbindungsregion wird ein Dünnschichtepoxidklebstoff aufgeschichtet und ausgehärtet. Nach dem Aushärten des Dünnschichtepoxidklebstoffs werden das erste Metallteil und das zweite Metallteil mit einer korrosionsbeständigen Pulverschicht auf Epoxidbasis überzogen, wobei der mit dem Dünnschichtepoxidklebstoff bedeckte Verbindungsabschnitt des ersten Metallteils von der korrosionsbeständigen Pulverschicht ausgespart bleibt. Das bedeutet, dass die Außenflächen des zweiten Metallteils vollständig mit der korrosionsbeständigen Pulverschicht bedeckt sind und die Außenflächen des ersten Metallteils entweder mit der korrosionsbeständigen Pulverschicht oder mit dem Dünnschichtepoxidklebstoff bedeckt sind. Die beiden Metallteile werden mit einer Schraube-Mutter-Verbindung so zusammengeschraubt, dass sich der ausgehärtete Dünnschichtepoxidklebstoff zwischen den beiden Metallteilen befindet. Das erste Metallteil besteht beispielsweise aus Aluminium und das zweite Metallteil besteht beispielsweise aus Stahl.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verschraubungsanordnung mit verbessertem Korrosionsschutz und Setzverhalten zwischen einem Leichtmetallbauteil und einem Verschraubungselement bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer Verschraubungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um den Korrosionsschutz und das Setzverhalten zwischen einem Leichtmetallbauteil und einem Verschraubungselement einer Verschraubungsanordnung zu verbessern, ist das Verschraubungselement aus Leichtmetall gefertigt, wobei das erste Leichtmetallbauteil zumindest im Auflagebereich der Auflagefläche des Verschraubungselements eine Beschichtung aufweist, welche zumindest eine organische Lackschicht mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 110°C, insbesondere von 115°C bis 125°C umfasst. Zudem ist das Verschraubungselement aus Aluminium gefertigt. Des Weiteren ist das erste Leichtmetallbauteil aus Magnesium, vorzugsweise aus Magnesiumguss gefertigt.
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Der Einsatz von Verschraubungselementen aus Leichtmetall bietet im Vergleich zu Verschraubungselementen aus Stahl einen Vorteil bezüglich der elektrochemischen Spannungsreihe, da die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen zwei Leichtmetallen, wie beispielsweise Magnesium und Aluminium, geringer als zwischen einem Leichtmetall, wie Magnesium, und Stahl ist. Aufgrund der geringeren Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen zwei Leichtmetallen gegenüber einem Leichtmetall und Stahl weist ein Verschraubungselement aus Leichtmetall im Vergleich mit einem Verschraubungselement aus Stahl am Auflagebereich des Leichtmetallbauteils in vorteilhafter Weise ein besseres Setzverhalten auf. Durch die gegenüber den herkömmlichen Pulverschichten höhere Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 110°C, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine weitere Verbesserung des Setzverhaltens des Verschraubungselements am Auflagebereich des Leichtmetallbauteils unter Dauerbeanspruchung und/oder Temperaturbelastung. Durch Versuche konnte mit organischen Lackschichten mit Glasübergangstemperaturen im Bereich von 115°C bis 125°C besonders gute Kompromisse zwischen verbessertem Setzverhalten und ausreichender Elastizität der organischen Lackschicht erzielt werden. Durch die Wahl einer hohen Glasübergangstemperatur ist es möglich, das Setzverhalten des Verschraubungselements auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu verbessern, wie sie beispielsweise innerhalb eines Motorraums auftreten können. So war es beispielsweise bei Erprobungen möglich, durch geschickte Wahl der organischen Lackschicht und der korrespondierenden Glasübergangstemperatur bei Umgebungstemperaturen von durchschnittlich 70°C, mit maximalen Temperaturspitzen von 90°C, ein gutes Setzverhalten des Verschraubungselements zu generieren. Neben dem geringeren Gewicht des Verschraubungselements aus Leichtmetall gegenüber dem Verschraubungselement aus Stahl zeigt das Verschraubungselement aus Leichtmetall gegenüber dem Verschraubungselement aus Stahl aufgrund der geringeren elektrochemischen Potentialdifferenz zu einem anderen Leichtmetall eine geringere Korrosionsneigung am Auflagebereich des Leichtmetallbauteils.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann die mindestens eine organische Lackschicht als Pulverbeschichtung mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 250 μm, insbesondere von 50 bis 150 μm ausgeführt werden. Die Pulverbeschichtung kann beispielsweise auf Basis von Epoxiden und/oder Polyestern und/oder Polyurethanen und/oder Acrylatharzen und/oder Polyamiden und/oder Polyethylen und/oder Polyvinylchloriden aufgebaut werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann zwischen der organischen Lackschicht und der Oberfläche des ersten Leichtmetallbauteils zumindest eine Grundschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 15 μm angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann die mindestens eine Grundschicht als Konversionsschicht und/oder Haftvermittlerschicht und/oder Diffusionssperrschicht ausgeführt werden. Die Konversionsschicht kann beispielsweise Titan(ate), Zirkon(ate), Mangan(ate), Chrom (III), Cer und weitere seltene Erden oder fluoridhaltige Verbindungen umfassen. Zudem kann die mindestens eine Grundschicht Anodisationsschichten aufweisen, welche oxidkeramische Schichten aus beispielsweise MgAl2O4-Spinell und/oder MgO und/oder Al2O3 erzeugen können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann zwischen der mindestens einen Grundschicht und der organischen Lackschicht eine Zwischenschicht angeordnet werden, welche durch eine elektrophoretische Abscheidung aufgebracht werden kann. Die Zwischenschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 30 μm aufweisen. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als kathodische Tauchlackierungsschicht oder als anodische Tauchlackierungsschicht ausgeführt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann das Verschraubungselement als Schraube oder Mutter oder Unterlegscheibe ausgeführt werden. Bei der Ausführung des Verschraubungselements als Schraube, weist das andere Bauteil eine Gewindebohrung auf, in welche die Schraube eingeschraubt werden kann. Hierbei kann zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil eine Unterlegscheibe angeordnet werden, welche die Auflagefläche des Verschraubungselements ausbildet. Alternativ kann das andere Bauteil eine Durchgangsbohrung aufweisen, durch welche die Schraube geführt ist. Die Schraube wird dann mit einem als Mutter ausgeführten Verschraubungselement verschraubt. Bei dieser Ausführungsform weist auch das andere Bauteil einen erfindungsgemäß beschichteten Auflagebereich auf, an welchem die Auflagefläche des als Mutter ausgeführten Verschraubungselements aufliegt. Auch bei dieser Ausführungsform kann zwischen der Mutter und dem Bauteil eine Unterlegscheibe angeordnet werden, welche die Auflagefläche des Verschraubungselements ausbildet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung kann das erste Leichtmetallbauteil als Versteifungsstrebe in einem Fahrzeug ausgeführt werden, welche zwei Karosseriestrukturbauteile miteinander verbindet. Die Versteifungsstrebe wird mit Aluminiumschrauben an den tragenden Karosserieteilen verschraubt und weist an den Auflagebereichen der Aluminiumschrauben jeweils eine erfindungsgemäße Beschichtung auf.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung,
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2 eine Detaildarstellung aus 1, und
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3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Beschichtung für die erfindungsgemäße Verschraubungsanordnung aus 1.
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Verschraubungsanordnung 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens ein Leichtmetallbauteil 10 und ein Verschraubungselement 30 auf, welches das mindestens eine Leichtmetallbauteil 10 mit einem anderen Bauteil 20 verbindet. Hierbei liegt eine Auflagefläche 34 des Verschraubungselements 30 an einem Auflagebereich 16 auf einem ersten Leichtmetallbauteil 10 auf. Erfindungsgemäß ist das Verschraubungselement 30 aus einem Leichtmetall gefertigt. Zudem weist das erste Leichtmetallbauteil 10 zumindest im Auflagebereich 16 der Auflagefläche 34 eine Beschichtung 14 auf, welche zumindest eine organische Lackschicht 14.2 umfasst. Die organische Lackschicht 14.2 weist eine Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 110°C, insbesondere von 115°C bis 125°C auf.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die organische Lackschicht 14.2 als Pulverbeschichtung ausgeführt und weist eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 250 μm, vorzugsweise von 50 bis 150 μm, auf. Die Pulverbeschichtung ist beispielsweise auf Basis von Epoxiden und/oder Polyestern und/oder Polyurethanen und/oder Acrylatharzen und/oder Polyamiden und/oder Polyethylen und/oder Polyvinylchloriden aufgebaut.
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Zudem ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der organischen Lackschicht 14.2 und der Oberfläche des ersten Leichtmetallbauteils 10 zumindest eine Grundschicht 14.1 mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 15 μm angeordnet. Die mindestens eine Grundschicht 14.1 kann beispielsweise als Konversionsschicht und/oder Haftvermittlerschicht und/oder Diffusionssperrschicht ausgeführt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Grundschicht 14.1 als Konversionsschicht ausgeführt. Die Konversionsschicht kann beispielsweise Titan(ate), Zirkon(ate), Mangan(ate), Chrom (III), Cer und weitere seltene Erden oder fluoridhaltige Verbindungen umfassen. Zudem kann die mindestens eine Grundschicht Anodisationsschichten aufweisen, welche oxidkeramische Schichten aus beispielsweise MgAl2O4-Spinell und/oder MgO und/oder Al2O3 erzeugen können.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist zwischen der Grundschicht 14.1 und der organischen Lackschicht 14.2 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine, durch elektrophoretische Abscheidung aufgebrachte Zwischenschicht 14.3 angeordnet, welche beispielsweise als kathodische Tauchlackierungsschicht ausgeführt ist. Die als kathodische Tauchlackierungsschicht ausgeführte Zwischenschicht 14.3 weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 5 bis 30 μm auf. Alternativ kann die Zwischenschicht 14.3 auch als anodische Tauchlackierungsschicht ausgeführt werden.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das erste Leichtmetallbauteil 10 aus Magnesium, vorzugsweise aus Magnesiumguss gefertigt. Das andere Bauteil 20 ist aus einem anderen Leichtmetall oder Stahl oder aus einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt. Das Verschraubungselement 30 ist als Schraube 31 aus Aluminium gefertigt und umfasst einen Schraubenkopf 32, an dessen Unterseite die Auflagefläche 34 ausgebildet ist, welche auf dem Auflagebereich 16 des ersten Leichtmetallbauteils 10 aufliegt, und einen sich an den Schraubenkopf 32 anschließenden Gewindeschaft 36. Das andere Bauteil 20 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Gewindebohrung 22, in welche der Gewindeschaft 36 der Schraube 31 eingeschraubt ist, so dass auf die Komponenten der Verschraubungsanordnung 1 eine Klemmkraft F wirkt. Das andere Bauteil 20 kann mit einer Konversionsschicht und einer durch elektrophoretische Abscheidung aufgebrachte Zwischenschicht beschichtet sein, eine organische Lackschicht mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C ist nicht erforderlich.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das andere Bauteil 20 anstelle der Gewindebohrung 22 eine Durchgangsbohrung aufweisen, durch welche die Schraube 31 geführt ist. Die Schraube 31 wird dann am anderen Ende der Durchgangsbohrung mit einem als Mutter ausgeführten Verschraubungselement 30 verschraubt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist auch das andere Bauteil 20 an einem Auflagebereich, an welchem die Auflagefläche des als Mutter ausgeführten Verschraubungselements 30 aufliegt, eine Beschichtung 14 auf, welche zumindest eine organische Lackschicht 14.2 mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 110°C, insbesondere von 115°C bis 125°C umfasst. Zudem kann zwischen dem Schraubenkopf 32 bzw. der Mutter und der Beschichtung 14 des korrespondierenden Bauteils 10, 20 eine nicht dargestellte Unterlegscheibe angeordnet werden, welche die Auflagefläche 34 des Verschraubungselements 30 ausbildet.
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Das erste Leichtmetallbauteil 10 kann beispielsweise als Versteifungsstrebe in einem Fahrzeug ausgeführt werden, welche zwei Karosseriestrukturbauteile miteinander verbindet. Das als Versteifungsstrebe ausgeführte Leichtmetallbauteil 10 wird mit Aluminiumschrauben an den als tragenden Karosserieteilen ausgeführten anderen Bauteilen 20 verschraubt und weist an den Auflagebereichen 16 der Aluminiumschrauben 31 jeweils eine erfindungsgemäße Beschichtung 14 auf, welche zumindest eine organische Lackschicht 14.2 mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 110°C, insbesondere von 115°C bis 125°C umfasst. Die Ausführung des als Versteifungsstrebe ausgeführten Leichtmetallbauteils 10 als Magnesiumgussbauteil ermöglicht in vorteilhafter Weise eine optimale Anpassung der Versteifungsstrebe an während des Fahrbetriebs auftretende Biege- und/oder Torsionskräfte. So ist es insbesondere möglich, an hoch belasteten Stellen eine Vergrößerung des Querschnitts der Versteifungsstrebe bzw. von dessen Gusswänden vorzunehmen, um die entsprechend höheren Kräfte in diesem Bereich der Versteifungsstrebe aufnehmen zu können. Die Versteifungsstrebe kann einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen und mit einer Mehrzahl von Rippen ausgesteift werden. Die Versteifungsstrebe kann beispielsweise als Domstrebe ausgeführt werden, welche zwei als Federbeinaufnahmen ausgeführte tragende Karosserieteile miteinander verbinden kann. Zudem kann die als Domstrebe ausgeführte Versteifungsstrebe mit einem als Scheibenquerträger ausgeführten tragenden Karosserieteil verbunden werden.
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Durch die verbesserte Temperaturbeständigkeit des Setzverhaltens können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verschraubungsanordnung auch im Motorraum eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verschraubungsanordnung
- 10
- erstes Leichtmetallbauteil
- 12
- Durchgangsöffnung
- 14
- Beschichtung
- 14.1
- Grundschicht
- 14.2
- organische Lackschicht
- 14.3
- Zwischenschicht
- 16
- Auflagebereich
- 20
- Bauteil
- 22
- Gewindebohrung
- 30
- Verschraubungselement
- 31
- Schraube
- 32
- Schraubenkopf
- 34
- Auflagefläche
- 36
- Gewindeschaft
- F
- Klemmkraft