CH498310A - Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

  
 



     Holzschraube    mit geringem Eindrehwiderstand und Verfahren zur   Herstellung    derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung derselben.



   Beim Eindrehen von Holzschrauben in Werkstoffe, die, wie insbesondere Holz, es ermöglichen, dass die Holzschraube beim ersten Eindrehen ihr eigenes Gewinde schneidet, entsteht ein verhältnismässig hoher Eindrehwiderstand, der dazu führt, dass zur Aufnahme der Torsionsbeanspruchungen der Holzschraube Festigkeitseigenschaften erteilt werden müssen, die über diejenigen hinausgehen, die die Holzschraube aufweisen müsste, wenn sie nach dem Eindrehen lediglich auf Zug beansprucht würde. Mit anderen Worten, man könnte Holzschrauben mit weniger Werkstoffaufwand herstellen, wenn es gelingt, den Eindrehwiderstand auf ein Ausmass zu senken, bei dem die mit Rücksicht auf die Torsionsfestigkeit erforderliche Dimensionierung nicht über diejenige hinausgeht, die mit Rücksicht auf die Beanspruchung der Schraube im Gebrauch erforderlich ist.



   Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass der Eindrehwiderstand den genannten Voraussetzungen entspricht.



   Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Schraube einen Überzug trägt, der feinstverteilt angeordnetes Polytetrafluoräthylen, eingebettet in eine einen Thermoplast enthaltende Grundmasse, aufweist.



   Entsprechend der allgemeinen Abkürzung von Polytetrafluoräthylen mit PTFE wird diese Abkürzung im Folgenden benutzt.



   Eine sprunghafte Herabziehung des Eindrehwiderstandes tritt ein, wenn der Überzug ein Polyolefin enthält, etwa als Polyäthylen. Ausserdem können Gehalte an polaren Monomeren vorhanden sein, die chemisch eingebaut sind und beispielsweise aus Acrylsäure bestehen.



   Überzüge auf Holzschrauben und anderen Verbindungsmitteln wie Maschinenschrauben, für die das Gewinde vorgeschnitten sein muss, also   Überzüge    auf Nägeln, Stiften, Nadeln usw., sind an   sich    nicht neu, wobei sie aus den verschiedensten Werkstoffen bestehen, etwa aus Seife. Jedoch rosten seifenüberzogene Schrauben und sie lockern sich infolge einer Entquel   lung    von sie aufnehmendem Holz; das Aufbringverfahren se!bst ist zeitraubend und ein Seifenüberzug stört beim späteren Anstrich. Als festhaftendes Gleitmittel ist auch bereits Bienenwachs empfohlen worden, jedoch ist eine Verminderung des Eindrehwiderstandes allenfalls mit 20 von 100 erreichbar.

  Bekannt geworden sind auch Schrauben mit kräftigen, meist gefärbten Polyäthylenschichten auf ihren Köpfen; die Schichten sind mittels eines Wirbelsinterverfahrens aufgetragen und sollen hauptsächlich das Aussehen der Schrauben verbessern. Bringt man ausser Bienenwachs andere, bekannte Schmiermittel wie Graphit, Molybdänsulfid, Polyäthylen, Silikone, Polyamide, Polyoxymethylen (DELRIN   (D),    Metallstearate   0.    dgl. auf Schrauben auf, so bleibt die erzielte Verminderung des Eindrehwiderstandes nur geringfügig. Aus diesem Grunde sind keine wirkungsvoll behandelten Holzschrauben im Handel, obschon ein erhebliches Bedürfnis hierfür besteht.



  Bringt man Tetrafluoräthylen (TEFLON   e)    auf, so kann unter Verwendung ausgesucht weniger, im Handel erhältlicher Polymerdispersionen ein wirkungsvoller Effekt erzielt werden. Brauchbar sind im allgemeinen aber nur die Polymerdispersionen GP 1 der Firma Imperial Chem. Industries (ICI); ein ähnliches Erzeugnis der Firma Du Pont hat die Handelsbezeichnung T 30. Es handelt sich um wässrige, ammoniakalische Dispersionen aus reinem hochpolymeren Tetrafluor äthylen, die bei   400"    C eingebrannt werden müssen, da der Sinterungspunkt bei dieser Temperatur für Polymere liegt.



   Es sind auch schon Dispersionen beschrieben worden, die Polytetrafluoräthylen mit einem Molekulargewicht von 2000-10 000 enthalten und daneben noch hochmolekulares Polytetrafluoräthylen mit einem Molekulargewicht von 500 000 aufweisen können.



  Dabei ist der Bestandteil PTFE mit einem Molekulargewicht bis 10 000 die wichtigere Komponente, da der   Anteil des hochmolekularen Polytetrafluoräthylens auch 0   o/o    betragen, das Polytetrafluoräthylen mit dem Molekulargewicht bis 10 000 dagegen nicht fortgelassen werden kann. Die angestrebte, reibungsvermindernde Wirkung ist also bei dieser Dispersion nur erzielbar, wenn niedermolekulares PTFE vorhanden ist.



  Damit sind aber erhebliche Nachteile verbunden. Das wachsartige, niedermolekulare Tetrafluoräthylen ist nicht so beständig wie das hochmolekulare PTFE. An das Lösungsmittel werden besonders weitgehende Anforderungen gestellt; es soll den Duro- oder Thermoplast lösen, nicht aber die Fluorcarbonpolymere. Als geeignete Lösungsmittel kommen daher ausschliesslich organische Stoffe in Betracht, als die n-Butylalkohol, Toluol, Xylol, Methylisobutylketon, Äthylacetat,    < 2ithy-    lenglykol und Amylacetat genannt werden.

  Beim Auftragen einer derart zusammengesetzten Dispersion müssen besondere Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, um einerseits Verdunnstungsverluste und unerwünschtes Eindicken der Dispersion zu verhüten, andererseits Feuer- und Explosionsgefahren vorzubeugen sowie ein Überschreiten der zulässigen Anreicherung der Atmosphäre im Arbeitsraum an Lösungsmitteldämpfen zu vermeiden. Erforderlich sind weiter verhältnismässig hohe Einbrenntemperaturen, die das metallurgische Gefüge der überzogenen Gegenstände in   unenvünschtem    Ausmasse verändern können. Auch liegt das nichtfluorierte Polymer in homogener Lösung vor, so dass die Dispersion eine hohe Viskosität annimmt.



   Sämtlichen Vorschlägen dieser Art lag dabei das Vorhaben zugrunde, eine Gleitschicht zu erzeugen, die das Eindringen der Schraube in das Holz erleichtert.



  Nun hat es sich aber gezeigt, dass zwischen dem für die Gleiteigenschaften eines Stoffes massgebenden Reibungskoeffizienten und dem Eindrehwiderstand einer Holzschraube kein gesetzmässig festzulegender Zusammenhang besteht. Beispielsweise hat Molybdändisulfid einen Reibungskoeffizienten von 0,02 (BOYD und ROBERTSON, Transactions A.S.M.E. pp. 51-59 Januar 1945), der unterhalb desjenigen von PTFE liegt, wobei die Angaben des Schrifttums zwischen 0,05 und   0,24    schwanken [D.G. FLOM und N.T. PORILE, Nature 175. 682 (1955) mit 0,05-0,08; 0,10-0,16; 0,10-0,24; 0,10 Proc. Rog. London A 212, 491 (1952 mit 0,05-0,08) D.G. FLOM und N.T. PORILE, J.Appl. Physic 26, 1088, September 1955].

  Bestände der envähnte, gesetzmässig definierte Zusammenhang, dann hätte eine Molybdändisulfidschicht auf einer Holzschraube zu einer Erniedrigung des Eindrehwiderstandes gegenüber einer unbehandelten Holzschraube führen müssen. Der Versuch aber ergab, dass eine Holzschraube nach DIN 97 mit den Abmessungen   4,0X4,5 mm,    mit Molybdändisulfid beschichtet, zum Eindrehen ein Drehmoment von 8,6 cmkg erforderte, während die unbehandelte. völlig identische Schraube ein Eindrehmoment von nur 7,0 cmkg erforderte. Beschichtete man eine Schraube gleicher Grösse mit Graphit, so war der Eindrehwiderstand 6,0 cmkg und lag daher nur geringfügig unter dem Eindrehmoment von 7,0 cmkg für unbehandelte Schrauben, trotzdem Graphit denselben niedrigen Reibungskoeffizienten von 0,03 [STUPP, Lubrication Eng. 14, 1958; 0,02 Brit. ,.Appl.

  Physics Supplement 1,2 (1951) 42] wie PTFE im Mittel besitzt. Mit 6,25 cmkg für Oktadecylamid lag das Eindrehmoment beschichteter Schrauben unwesentlich niedriger als für unbehandelte Schrauben, obschon alle langkettigen aliphatischen Amine die Reibungskoeffizienten auf   0,04-0,05    [LEVINE und ZIS MAN J.Phys.Chem. 61, 1068 (1957)] vermindern. Als Holz wurde eine   Ramin-Hartholzsorte    mit einer Vorbohrung von   2 mm    Durchmesser benutzt. Das Drehmoment wurde bei einer Eindringtiefe der Schraube nach acht vollen Umdrehungen gemessen.



   Überraschenderweise wurde nun, entgegen allen Erwartungen, die aus dieser Einflusslosigkeit oder in jedem Falle aus diesem geringen Einfluss des Reibungskoeffizienten auf das Verhalten einer Schicht in Bezug auf das Eindrehmoment gezogen werden können, gefunden, dass eine sprunghafte Verminderung des Eindrehmomentes eintritt, wenn man die erfindungsgemäss vorgeschlagene Überzugsschicht benutzt, die deshalb ein völlig ungewöhnliches Verhalten zeigt, weil ein nach den oben genannten Messbedingungen bei der unbehandelten Schraube festgestelltes Eindrehmoment von rund 7,0 cmkg auf den überraschend niedrigen Wert von 1,8-2,2 cmkg abfällt, trotzdem beispielsweise in der Mischung vorhandenes Polyäthylen mit 0,20 einen noch höheren Reibungskoeffizient als PTFE aufweist.

  Ebenso ungewöhnlich ist es, dass erfindungsgemäss ausgebildete Holzschrauben auch noch nach langer Zeit bei Aufwand des gleichen, niedrigen Drehmomentes lösbar waren und dasselbe niedrige Drehmoment trotz mehrfacher Verwendung weitestgehend beibehielten. Ebenso sprunghaft war der Fortschritt, der in Bezug auf die Korrosionsfestigkeit zu erreichen war. Wurde bei unbehandelten Schrauben ein Salzsprühtest bei   20     C gemacht, so traten Rostspuren bereits nach 30 Minuten auf, während Holzschrauben, die einen erfindungsgemäss ausgebildeten Überzug hatten, den ersten Rostanflug nach einer 16-fach längeren Zeit, nämlich nach 8 Stunden zeigten.



   Der erzielte technische Fortschritt ist umso bedeutender, als das Eindrehmoment bei Überzügen aus reinem PTFE 3,7 cmkg betrug, so dass dieses Eindrehmoment noch rund um das Doppelte höher war als das niedrigste Eindrehmoment, das erfindungsgemäss zu erzielen ist. Es tritt also eine auf Grund der bisherigen Kenntnisse nicht zu erwartende synergistische Wirkung der   Mischung    auf, die nach den hier gemachten Vorschlägen aufzubringen ist. Bemerkenswert ist dabei, dass diese fortschrittliche Wirkung im wesentlichen auf das Auftreten bei Holzschrauben beschränkt ist.

  Bekanntlich ist auch bereits der Vorschlag gemacht worden, die Schneiden von Rasierklingen mit den verschiedensten, gute Gleiteigenschaften aufweisenden Stoffen zu beschichten, weil man der Auffassung war, die Erleichterung des Gleitens der Klinge beim Schnitt durch das Barthaar führe zu einem massgeblichen Erfolg, so dass ebenfalls Überzüge auf der Basis von Silikon und, später PTFE vorgeschlagen wurden. Es lag daher nahe, nach den vorliegenden Vorschlägen ausgebildete Überzüge auf den Schneiden von Rasierklingen anzuordnen. Dabei zeigte sich kein Erfolg, der über den mit PTFE erreichten Fortschritt hinausgeht, so dass also auch kein Zusammenhang zwischen den zu vorliegender Erfindung führenden Erkenntnissen und dem auf dem Gebiete der Rasierklingenbeschichtung auftretenden Stand der Technik besteht. Vielmehr ist die Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, insoweit einzigartig.

 

   Der technische Fortschritt, der nach den hier gemachten Vorschlägen erreicht wird, ist dabei umso be   merkenswerter,    als Überzüge verwendbar sind, die zwi  schen 140 und   3300 C    eingebrannt sind. Reines Polytetrafluoräthylen verlangt Einbrenntemperaturen von etwa   390"    C, so dass für Eisen- und Messingwerkstoffe verhältnismässig kostspielige Schutzgase unentbehrlich werden, die Sauerstoff nur in wenigen ppm-Gehalten enthalten (Reinstickstoff oder Lampenstickstoff, gegebenenfalls explosionsgefährlicher Wasserstoff). Dabei muss Polytetrafluoräthylen in ausreichender Menge aufgebracht sein, so dass man Dispersionen mit mindestens 20   O/o    Feststoffgehalt benutzen muss, in welche die zu behandelnden Gegenstände eingetaucht werden.



  Der   Werkstoffverbrauch    an diesen teuren Polymeren wird dadurch verhältnismässig hoch. Verwendet man aber geringere Konzentrationen, so treten schlechtere Werte auf. Dagegen lassen sich die hier vorgeschlagenen Gemische aus Polyäthylen- und PTFE-Suspensionen mit nur   40/0    Polytetrafluoräthylen und etwa 2,5    /o    Polyäthylengehalt ohne Verminderung der Wirkung anwenden, so dass eine merkliche und für eine industrielle Verwertung entscheidene Kostenersparnis entsteht. Eine so ausgebildete Suspension schmilzt bereits bei   140     C zu einem praktisch unsichtbaren, dünnen Film ein so dass Schutzgase nunmehr entbehrlich werden.

  Weiter benötigt das Herstellungsverfahren infolge der angegebenen. verhältnismässig breiten, zulässigen Erhitzungs- und Temperaturspanne zwischen 140 und   2200 C    keine aufwendigen Erhitzungs- und Temperaturregelvorrichtungen. Da auch die Verweilzeit unkritisch ist, lassen sich alle bekannten und denkbaren Erhitzungsvorrichtungen anwenden, während bei Einsatz einer reinen PTFE-Suspension ausser der notwendigen hohen Beschichtungsmenge eine Erhitzung auf   370-4000    C notwendig wird. Ausserdem fallen teure Schleusenverfahren für das Schutzgas und die hohen Verfahrensaufwendungen für die Temperaturregelung zur Vermeidung von   Üherhitzungen    weg.

  Schliesslich ist darauf   hinzuweisen,    dass infolge der nunmehr möglich gewordenen, geringeren Sintertemperaturen nicht mehr die giftigen Gase auftreten, die bei der Sinterung von Polytetrafluoräthylen frei werden.



   Das Verfahren zur Herstellung der Holzschrauben kennzeichnet sich dadurch, dass auf der Holzschraube ein Überzug aus einer Suspension, die feinstverteiltes Polytetrafluoräthylen enthält, mit einem Gehalt an einem   niedrigschmelzenden    Thermoplast im Überzug erzeugt und der Überzug bei   Temperaturen    unterhalb der Sintertemperatur des PTFE eingebrannt wird.



   Die Beschichtung kann dabei in jeder in Betracht kommenden Weise aufgebracht werden, wobei Tauchen,   Übergiesçen,    An- oder Aufspritzen, Be- oder Aufstreichen nur beispielsweise zu nennen sind, da es auf die Art des Aufbringens nur dahin ankommt, eine geschlossene und möglichst dünne Schicht zu erzeugen.



  Entsprechend dem Hinweis auf die Zusammensetzung der   Überzugsschicht    ist verfahrenstechnisch von Bedeutung, dass als Thermoplas,tkomponenten hauptsächlich Polyolefine, insbesondere Polyäthylen-Mischpolymerisate mit polaren Monomeren wie Acrylsäure in die Mischung einzubringen sind. Anstelle der Polymeren lassen auch höher schmelzende Wachssuspensionen oder Lösungen verwenden, wofür wässrige Synthesewachsemulsionen oder Lösungen hochmolekularen Polyäthylenoxyds in Frage kommen. Jedoch haben sich die bereits erwähnten Suspensionen von Polyäthylen, die vorteilhaft Carboxylgruppen enthalten, besonders bewährt. Das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten kann in weiten Bereichen variiert werden.

  Ohne die Anwendbarkeit der Erfindung einzuschränken, lassen sich Gemische im Verhältnis zwischen 1 Teil Poly äthylen und 20 Teilen PTFE und 10 Teilen Polyäthylen zu 1 Teil PTFE anwenden. Am vorteilhaftesten sind jedoch Mischungsverhältnisse zwischen 1:1 bis 1:4 PE:PTFE, wovon ein Gemisch von 1 Teil carboxylgruppenhaltigem Polyäthylen zu 2 Teilen Polytetrafluoräthylen mit einem Gehalt von   4,4 ovo    PTFE mit nichtionogenem Emulgator als wässrige Suspension die bsten Ergebnisse bringt. Man taucht ein, übergisst oder besprüht die Schrauben, schleudert ab oder lässt abtropfen, trocknet und erhitzt etwa 5 Minuten auf eine Temperatur zwischen 180 und   2200 C    an der Luft. Als Werkstoffe eignen sich Eisen, blank oder mit galvanischen Überzügen, Messing oder Aluminium.



  Normalerweise reicht die natürliche Rauheit der Metalloberfläche für die Behandlung aus, doch ist es in einigen Fällen von Vorteil, die Schrauben etwas. zu beizen; insbesondere Messingschrauben lassen sich durch Beizen   ill    Säuren gut vorbereiten. Bei Aluminium kann man weitere Verbesserungen durch Beizen mit Chromsäure, Chromat, Natronlauge oder durch anodische Aufrauhung erzielen, doch werden   75 0/0    Verbesserungen bereits mit nicht vorbehandelten Aluminiumschrauben erreicht. In allen Fällen wird das erforderliche Einschraubdrehmoment bei Schrauben ohne Vorbereitung der Metalloberfläche bereits um 65-75   O/o    herabgesetzt.



   Besondere Verhältnisse liegen bei Aluminium- und   Messingsehrauben    vor. Deren Torsionsfähigkeit ist so gering, dass diese Schrauben im unbehandelten Zustand unter dem Einfluss der Eindrehkräfte einerseits, des Eindrehwiderstandes andererseits entweder am Schlitz ausreissen oder im Schaft brechen. Daran hat die Beschichtung mit Bienenwachs oder mit anderen Werkstoffen hoher Gleitfähigkeit bzw. niedrigen Reibungskoeffizienten nichts geändert. Auch Überzüge aus Tetrafluoräthylen kamen deshalb nicht in Betracht, weil bei den zur Aufsinterung dieses   tJberzugeswerk-    stoffes Temperaturen erforderlich waren, bei denen sich das Gefüge der Aluminiumschrauben in störender Weise änderte.

  Eine Absenkung des Eindrehwiderstandes um 20   O/o,    wie sie nach früheren Vorschlägen zu erreichen war, reichte nicht aus, um Aluminiumschrauben ohne häufige Brüche in Holz einschrauben zu können. Tragen jedoch die Aluminiumschrauben Überzüge nach den hier niedergelegten Vorschlägen, so konnte der Gewindedurchmesser bei Erhaltung gleicher Torsionsfestigkeit cm 35-43   O/o    gesenkt werden, wodurch bei geringerem Gewicht entweder die Gewindetiefe bei üblichen Handelsschrauben mehr als. verdoppelt oder bei ausreichender Zugfestigkeit eine schwächere Schraube verwendet werden kann. 

  Eine solche, die Vorteile des   Überzuges    ausnutzende, konstruktiv richtig ausgestaltete Schraube besitzt bei einem geringen Gewicht einen mehr als doppelt so hohen Ausreisswiderstand bei gleichzeitiger Verminderung des notwendigen Einschraubdrehmomentes um etwa   800/0    gegenüber einer handelsüblichen Schraube. Es erübrigt sich ausserdem bei gebräuchlichen Grössen, die Löcher vorzubohren. Besonders geeignet sind die neuen Schrauben für Presspan- und Hartfaserplatten, die zur Gefahr des Ausreissens der Gewindegänge neigen; entsprechend dem grösseren Ausreisswiderstand können nunmehr kleinere als vergleichsweise angewendete, unbehandelte Schrauben bei gleichem Nutzeffekt angewendet werden, so dass eine weitere Verringerung des Kraft- und   Zeitaufwandes auftritt. 

  Der holzverarbeitenden Industrie entstehen dadurch, ausser der Verringerung des Materialaufwandes, beträchtliche Kraft- und Arbeitsersparnisse. Der Verwendung grösserer Schrauben stehen keine Schwierigkeiten mehr durch zu grosse menschliche Kraftanstrengungen entgegen, womit neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I. Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube einen Überzug trägt, der feinstverteilt angeordnetes Polytetrafluor äthylen, eingebettet in eine einen Thermoplast enthaltende Grundmasse, aufweist.

   II. Verfahren zur Herstellung einer Holzschraube mit geringem Eindrehwiderstand nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Holzschraube ein Überzug aus einer Suspension, die feinstverteiltes Polytetrafluoräthylen und einen niedrigschmelzenden Thermoplast enthält, erzeugt und der Überzug bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des Polytetrafluoräthylens eingebrannt wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Holzschraube nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Polyolefin enthält.

   2. Holzschraube nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmasse des Überzuges Polyäthylen enthält.

   3. Holzschraube nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmasse des Überzuges Polyolefin mit einem polaren Monomeren enthält.

   4. Holzschraube nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer Acrylsäure ist.

   5. Holzschraube nach Patentanspruch I und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmasse des Überzuges Polyäthylen mit einem polaren Monomeren enthält.

   6. Holzschraube nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer Acrylsäure ist.

   7. Holzschraube nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmasse Wachs enthält.

   8. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug bei Temperaturen zwischen 140 und 330" C eingebrannt wird.

   9. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbrennen während einiger Minuten durchgeführt wird.

   10. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrigschmelzender Thermoplast ein Polyolefin eingesetzt wird.

   11. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrigschmelzender Thermoplast Polyäthylen eingesetzt wird.

   12. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrigschmelzender Thermoplast Wachs eingesetzt wird.

   13. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrigschmelzender Thermoplast ein Polyäther eingesetzt wird.

   14. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die den Überzug bildenden Mischungskomponenten gemeinsam aufgebracht werden.

   15. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass im Überzug auftretende Gehalte an Bestandteilen mittels nacheinander erfolgender Zugabe zur Grundmasse eingestellt werden.