CH670796A5

CH670796A5 -

Info

Publication number: CH670796A5
Application number: CH2994/86A
Authority: CH
Inventors: Hinrich Dipl-Ing Habenicht
Original assignee: Sigri Gmbh
Priority date: 1985-08-03
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1989-07-14
Also published as: DE3527912C2; DE3527912A1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer widerstandsfähigen Oberfläche versehenen hohlzylindrischen Walzenkörpers aus kohlenstoffaserver-stärktem Kunststoff. The invention relates to a method for producing a hollow cylindrical roller body made of carbon fiber reinforced plastic and provided with a resistant surface.

Aus Metallen bestehende schnelldrehende Walzen, z.B. für Papier-, Folienveredelungs- und Druckmaschinen, sind wegen ihrer grossen Masse erheblichen Fliehkräften ausgesetzt, die Antriebskräfte sind vergleichsweise gross und an den Massenausgleich werden hohe Anforderungen gestellt. Andere Nachteile von Metallwalzen sind die starke Belastung der Lager und des Maschinenrahmens und gegebenenfalls auch die nicht genügende Beständigkeit gegen korrosive Medien. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Walzen aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff zu verwenden, die bei gleicher Steifigkeit eine wesentlich kleinere Masse als Walzen aus Metall haben (DE-GM 8 322 639). Zur Herstellung der hohlzylindrischen Walzenkörper werden die mit einem Kunstharz getränkten Verstärkungsfasern auf einen Dorn gewickelt und der Wickelkörper wird zur Härtung des Fast rotating rollers made of metals, e.g. for paper, foil finishing and printing machines are exposed to considerable centrifugal forces because of their large mass, the driving forces are comparatively large and high demands are made on the mass balance. Other disadvantages of metal rollers are the heavy load on the bearings and the machine frame and possibly also insufficient resistance to corrosive media. It has therefore been proposed to use rollers made of fiber-reinforced plastic, in particular carbon-fiber reinforced plastic, which have a much smaller mass than rollers made of metal with the same rigidity (DE-GM 8 322 639). To produce the hollow cylindrical roller body, the reinforcing fibers impregnated with a synthetic resin are wound on a mandrel and the winding body is used to harden the

Harzes erwärmt. Bei einem anderen Verfahren fixiert man vorkondensiertes Harz enthaltende Gelege- oder Gewebestreifen auf dem Dorn. Die Verstärkungsfasern sind in beiden Ausführungsformen in einer im wesentlichen geschlossenen Harzmatrix verteilt. In die stirnseitigen Enden des Hohlzylinders werden zur Aufnahme der Lagerzapfen Anschlussstutzen, Böden oder andere Befestigungselemente eingeklebt oder mit Keilen befestigt. Resin heated. In another method, pre-condensed resin-containing scrim or fabric strips are fixed on the mandrel. The reinforcing fibers in both embodiments are distributed in a substantially closed resin matrix. In the front ends of the hollow cylinder, connecting pieces, floors or other fastening elements are glued or fastened with wedges to accommodate the bearing pins.

Die Dichte hohlzylindrischer Walzenkörper, die Kohlen-stoffasern als Verstärkung enthalten, beträgt etwa 1,5 bis 1,6 g/cm3 gegen etwa 7,8 g/cm3 von Stahl. Festigkeit und Elastizitätsmodul des Walzenkörpers sind u.a. Funktionen der verwendeten Fasersorte, der Fasermenge und -Orientierung und der Harzart. Im Mittel betragen Zugfestigkeit bzw. E-Modul der Walzenkörper 500 bis 1000 MPa bzw. 50 bis 100 GPa gegen etwa 1100 MPa und 200 GPa von Stahl. Die Biegefestigkeit beider Walzensorten ist etwa gleich, aber die Masse der Walze aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff (CFK) fast fünfmal kleiner als eine Stahlwalze. Ein Nachteil von Walzen mit einer Kunstharzmatrix ist die vergleichsweise geringe Oberflächenhärte und es ist vorgeschlagen worden, zur Verminderung des Walzenabriebs und der Verunreinigung von Produkten durch den Walzenabrieb die Walzen mit einem widerstandsfähigen Metall zu beschichten (DE-GM 8 406 019). Abriebfeste Walzen mit einer metallischen Oberfläche erhält man beispielsweise durch Auftragen einer 0,01 bis 0,1 mm dicken Schicht aus Nickel oder Chrom auf dem CFK-Walzenkörper. Nicht immer ausreichend ist die Haftfestigkeit der aufgetragenen Metallschichten. Sie lösen sich häufig nach kürzerer oder längerer Zeit wenigstens teilweise von dem Walzenkörper ab und es kommt zu Beschädigungen und Verschmutzungen des von den Walzen geführten Produkts. The density of hollow cylindrical roller bodies, which contain carbon fibers as reinforcement, is approximately 1.5 to 1.6 g / cm3 against approximately 7.8 g / cm3 of steel. The strength and modulus of elasticity of the roller body include Functions of the type of fiber used, the amount and orientation of the fibers and the type of resin. The mean tensile strength or modulus of elasticity of the roller bodies is 500 to 1000 MPa or 50 to 100 GPa against approximately 1100 MPa and 200 GPa of steel. The bending strength of both types of rolls is approximately the same, but the mass of the roll made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is almost five times smaller than a steel roll. A disadvantage of rolls with a synthetic resin matrix is the comparatively low surface hardness and it has been proposed to coat the rolls with a resistant metal in order to reduce roll wear and contamination of the products by roll wear (DE-GM 8 406 019). Abrasion-resistant rollers with a metallic surface are obtained, for example, by applying a 0.01 to 0.1 mm thick layer of nickel or chromium to the CFRP roller body. The adhesive strength of the applied metal layers is not always sufficient. They often detach themselves at least partially from the roller body after a shorter or longer period of time and the product guided by the rollers is damaged and contaminated.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von festhaftenden widerstandsfähigen Schichten auf der Mantelfläche eines hohlzylindrischen Walzenkörpers aus CFK zu schaffen. Der Walzenkörper soll schliesslich eine griffige Oberfläche aufweisen, um einen Schlupf zwischen Walze und dem geförderten Produkt zu vermeiden. The invention is therefore based on the object of providing a method for producing firmly adhering, resistant layers on the outer surface of a hollow cylindrical roller body made of CFRP. Finally, the roller body should have a non-slip surface in order to avoid slippage between the roller and the product being conveyed.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Walzenkörper durch Wickeln eines mit Phenolformaldehyd-Harz beschichteten Kohlenstoffgarns auf einen zylindrischen Dorn und Härten des Harzes hergestellt und auf die Mantelfläche des Walzenkörpers eine widerstandsfähige Schicht durch Plasmaspritzen aufgetragen. To achieve the object, a roller body is produced by winding a carbon yarn coated with phenol formaldehyde resin on a cylindrical mandrel and hardening the resin, and a resistant layer is applied to the outer surface of the roller body by plasma spraying.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Plasmaspritzen auf die Oberfläche eines Walzenkörpers aus CFK aufgetragene Schutzschichten aus metallischen oder keramischen Werkstoffen fest haften, wenn die Matrix des faserverstärkten Körpers aus einem gehärteten Phenolformaldehyd-Harz besteht. Mit anderen als Matrixharz bekannten Duroplasten, wie Epoxidharze, Polyesterharze, und auch Thermoplasten erhält man Schutzschichten mit ungenügender Haftung, die sich bereits bei kleinen Beanspruchungen von der Oberfläche des Walzenkörpers lösen. Das Versagen dieser Harzsorten geht vor allem auf partielle chemische Zersetzung und Volumenänderungen der Matrix beim Aufbringen der Schutzschicht durch Plasmaspritzen zurück. Andere Beschichtungsverfahren, wie die galvanische Beschichtung der Walzenkörper, ergeben schliesslich bei allen Matrixharzen, einschliesslich Phenolfor-maldehyd-Harz, Schutzschichten, die eine den Anforderungen nicht genügende Haftfestigkeit haben. Allein das Zusammenwirken der Phenolformaldehyd-Harz-Matrix und der Beschichtung durch Plasmaspritzen ergibt eine ausreichende Haftfestigkeit der Schutzschicht auf dem Walzenkörper. Das Plasmaspritzen ist zudem zum Auftragen von The invention is based on the surprising finding that protective layers of metallic or ceramic materials applied by plasma spraying to the surface of a roller body made of CFRP adhere firmly if the matrix of the fiber-reinforced body consists of a hardened phenol formaldehyde resin. With other thermosets known as matrix resin, such as epoxy resins, polyester resins, and also thermoplastics, protective layers with insufficient adhesion are obtained, which are detached from the surface of the roller body even with small stresses. The failure of these types of resin is primarily due to partial chemical decomposition and volume changes in the matrix when the protective layer is applied by plasma spraying. Other coating processes, such as the galvanic coating of the roller bodies, ultimately result in protective layers for all matrix resins, including phenol formaldehyde resin, which have an adhesive strength which does not meet the requirements. The interaction of the phenol formaldehyde resin matrix and the coating by means of plasma spraying alone results in the protective layer on the roller body being sufficiently adhesive. The plasma spraying is also for the application of

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Schutzschichten aus einer Vielzahl von Werkstoffen geeignet, so dass für jede Belastung des Walzenkörpers eine geeignete widerstandsfähige Schicht hergestellt werden kann. Die Dicke der durch Plasmaspritzen auf den Walzenkörper aufgetragenen Schutzschicht beträgt vorzugsweise 0,05 bis 0,15 mm. Dünnere Schichten sind abhängig von der Art des Beschichtungsmaterials nicht immer frei von durchgehenden Poren und dickere Schichten gegebenenfalls empfindlich gegen stossartige Beanspruchungen. Bevorzugt werden Metalle als Beschichtungsmaterialien, wie beispielsweise NiCoCrAl-oder CrMoAl-Legierungen, die eine zähe und harte Schutzschicht für den Walzenkörper bilden. Für besondere Anforderungen können nach dem gleichen Verfahren auch metallische Hartstoffe, z.B. Carbide, Nitride, Boride oder Silicide, und nicht-metallische Hartstoffe, vor allem Oxide, auf den Walzenkörper aufgetragen werden, etwa bei starker abrasi-ver oder korrosiver Beaufschlagung der Walze. Die Schutzschicht wird, besonders bei grösserer Dicke der Schicht, vorteilhaft in mehreren übereinander gelagerten Teilschichten aufgetragen, deren Zusammensetzung verschieden sein kann. Die Basisschicht besteht z.B. aus einem Werkstoff mit grosser Zähigkeit und die Deckschicht aus einem Werkstoff mit grosser Härte. Besondere Oberflächeneffekte, etwa eine bestimmte Griffigkeit, werden vorteilhaft dadurch erzielt, dass auf die durch Plasmaspritzen erzeugte Schutzschicht galvanisch eine Metallschicht aufgebracht wird. Vorteilhaft sind insbesondere Chromschichten, deren Dicke nur 0,01 bis 0,03 mm beträgt, die auf der Schutzschicht als Haftgrund vorzüglich haften. Protective layers made of a variety of materials are suitable, so that a suitable, resistant layer can be produced for any load on the roller body. The thickness of the protective layer applied to the roller body by plasma spraying is preferably 0.05 to 0.15 mm. Depending on the type of coating material, thinner layers are not always free of continuous pores, and thicker layers may be sensitive to impact loads. Metals are preferred as coating materials, such as NiCoCrAl or CrMoAl alloys, which form a tough and hard protective layer for the roller body. For special requirements, metallic hard materials, e.g. Carbides, nitrides, borides or silicides, and non-metallic hard materials, especially oxides, are applied to the roller body, for example if the roller is subjected to strong abrasive or corrosive loads. The protective layer, particularly in the case of a greater thickness of the layer, is advantageously applied in a plurality of partial layers superimposed on one another, the composition of which can be different. The base layer consists e.g. made of a material with great toughness and the top layer made of a material with great hardness. Special surface effects, such as a certain grip, are advantageously achieved by galvanically applying a metal layer to the protective layer produced by plasma spraying. Chromium layers, whose thickness is only 0.01 to 0.03 mm, which adhere excellently to the protective layer as an adhesive base, are particularly advantageous.

Zur Herstellung des Walzenkörpers werden Kohlenstofffasern in Form eines Garns auf einen zylindrischen Dorn gewickelt, wobei der Winkel zwischen Garn und Dornachse in bekannter Weise den Belastungen des fertigen Wickelkörpers angepasst wird. Aufeinanderfolgende Lagen der Wicklung haben den gleichen oder einen unterschiedlichen Wik-kelwinkel. Vor der Wickelmaschine wird das Garn durch eine mit Phenolformaldehyd-Harz gefüllte Wanne gezogen und mit einer Harzschicht überzogen. Die Viskosität des Harzes beträgt etwa 300 bis 1500 Pa ■ s. Der Wickelkörper, dessen Wandstärke im allgemeinen etwa 5 bis 10 mm beträgt, wird zur Härtung der Harzmatrix einer Wärmebehandlung unterworfen und zu diesem Zweck auf etwa 80 bis 120 rC erhitzt; die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt etwa 8 bis 24 h. Die bei der Härtung des Phenolformaldehyd-Harzes beobachteten Massänderungen des Walzenkörpers sind klein und können durch einfache Vorversuche bestimmt und durch ein entsprechendes Aufmass ausgeglichen werden. Für sehr kleine Toleranzen wird die Mantelfläche des Walzenkörpers geschliffen und dabei auch ein leicht aufgerauhter Haftgrund für die Schutzschicht geschaffen. Zum Auftragen der Schutzschicht wird in bekannter Weise das pulverförmige Spritzgut mit einem Trägergas in einen Plasmastrahl geblasen, in dem Plasma geschmolzen und auf die To produce the roll body, carbon fibers are wound in the form of a yarn on a cylindrical mandrel, the angle between the yarn and mandrel axis being adapted to the loads on the finished winding body in a known manner. Successive layers of the winding have the same or a different winding angle. Before the winding machine, the yarn is drawn through a tub filled with phenol formaldehyde resin and covered with a layer of resin. The viscosity of the resin is approximately 300 to 1500 Pa s. The winding body, the wall thickness of which is generally about 5 to 10 mm, is subjected to a heat treatment in order to harden the resin matrix and is heated to about 80 to 120 ° C. for this purpose; the duration of the temperature treatment is approximately 8 to 24 hours. The changes in size of the roller body observed during the curing of the phenol formaldehyde resin are small and can be determined by simple preliminary tests and compensated for by a corresponding allowance. For very small tolerances, the outer surface of the roller body is ground, creating a slightly roughened primer for the protective layer. To apply the protective layer, the powdery spray material is blown into a plasma jet with a carrier gas, melted in the plasma and onto the

Mantelfläche geschleudert. Als Spritzgut geeignet sind alle Stoffe, die sich unter den Beschichtungsbedingungen nicht zersetzen, z.B. Metalle, Oxide, Carbide und Silicide. Die erzeugte Schutzschicht ist im allgemeinen permeabel; die Porosität von Schichten aus duktilen Werkstoffen beträgt etwa 1% von Schichten aus spröden Stoffen etwa 5%. Porenfreie Schichten, die für Verwendungen der Walzen im Kontakt mit korrosiven Fluiden von Vorteil sind, können durch Plasmaspritzen im Vakuum bzw. bei niedrigem atmosphärischem Druck erzeugt werden. The outer surface was flung. All materials that do not decompose under the coating conditions, e.g. Metals, oxides, carbides and silicides. The protective layer produced is generally permeable; the porosity of layers made of ductile materials is about 1% of layers made of brittle materials about 5%. Non-porous layers, which are advantageous for use of the rollers in contact with corrosive fluids, can be produced by plasma spraying in a vacuum or at low atmospheric pressure.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert: The invention is explained in more detail below with the aid of examples:

Beispiel 1 example 1

Ein Kohlenstoffasergarn, enthaltend 40 000 Filamente, mit einer Zugfestigkeit von etwa 3 GPa wurde durch einen mit Phenolformaldehyd-Harz gefüllten Trog gezogen, dabei mit einem Harzfilm versehen und auf einen zylindrischen Dorn mit einem Durchmesser von 120 mm gewickelt. Die Viskosität des handelsüblichen Phenolformaldehyd-Harzes betrug 838 Pa • s. Gewickelt wurde mit einer Geschwindigkeit von 50 m/min und einem Vorschub von 3 m/m eine erste Schicht, deren Fasern mit der Achse des Dorns einen Winkel von 78c bildeten, vier Schichten mit in Achsrichtung orientierten Fasern, eine zweite Schicht mit gegen die Achse geneigten Fasern usf., bis die Dicke des Walzenkörpers 10 mm war. Zur Härtung des Phenolformaldehyd-Harzes wurde der Walzenkörper in einem Heissluftstrom von 80 ~C erhitzt, die Härtungszeit war 4 h. Die Rohdichte des Walzenkörpers betrug 1,4 g/cm3, der E-Modul 140 GPa. A carbon fiber yarn containing 40,000 filaments with a tensile strength of about 3 GPa was drawn through a trough filled with phenol formaldehyde resin, provided with a resin film, and wound on a cylindrical mandrel with a diameter of 120 mm. The viscosity of the commercially available phenol formaldehyde resin was 838 Pa • s. A first layer was wound at a speed of 50 m / min and a feed rate of 3 m / m, the fibers of which formed an angle of 78c with the axis of the mandrel, four layers with fibers oriented in the axial direction, and a second layer with against the axis inclined fibers, etc., until the thickness of the roller body was 10 mm. To harden the phenol formaldehyde resin, the roller body was heated in a hot air stream of 80 ° C., the hardening time was 4 hours. The bulk density of the roller body was 1.4 g / cm3, the modulus of elasticity was 140 GPa.

Unter Normaldruck wurde auf die Mantelfläche des Walzenkörpers durch Plasmaspritzen eine widerstandsfähige Schicht aus einer CrMoAl-Legierung aufgetragen. Der Pulverdurchsatz betrug etwa 150 g/min, die Schichtdicke 0,10 mm. Die Schicht haftet fest auf dem Walzenkörper und löst sich auch nach mehrfachen schnellen Erwärmungszyklen zwischen 20 und 120 =C und stossartigen Belastungen nicht von der Mantelfläche. Die beschichtete Walze ist abriebfest, hat eine griffige Oberfläche und eignet sich gut als Leitwalze für Papier-, Folien- und Druckmaschinen. Under normal pressure, a resistant layer made of a CrMoAl alloy was applied to the outer surface of the roller body by plasma spraying. The powder throughput was about 150 g / min, the layer thickness 0.10 mm. The layer adheres firmly to the roller body and does not detach from the outer surface even after multiple rapid heating cycles between 20 and 120 = C and sudden loads. The coated roller is abrasion-resistant, has a non-slip surface and is well suited as a guide roller for paper, film and printing machines.

Beispiel 2 Example 2

Wie im Beispiel 1 hergestellte Walzenkörper aus kohlenstoffaserverstärktem Phenolformaldehyd-Harz wurden mit einer widerstandsfähigen Schicht aus Silicium versehen. Beschichtet wurde wegen der vergleichsweise schnellen Oxida-tion des als Spritzpulver verwendeten Siliciums im Vakuum (50 hPa). Das Plasmagas bestand aus einem Argon-Wasser-stoff-Gemisch, der Pulverdurchsatz war etwa 100 g/min. Die festhaftende Schutzschicht mit einer Dicke von 0,15 mm war porenfrei und schützte den Walzenkörper im Kontakt mit korrosiven Fluiden, wie Tetrahydrofuran, gegen die Phenolformaldehyd-Harz nur bedingt beständig ist. Carbon fiber reinforced phenol formaldehyde resin roll bodies made as in Example 1 were coated with a tough layer of silicon. Coating was carried out in vacuo (50 hPa) because of the comparatively rapid oxidation of the silicon used as wettable powder. The plasma gas consisted of an argon-hydrogen mixture, the powder throughput was about 100 g / min. The adherent protective layer with a thickness of 0.15 mm was non-porous and protected the roller body in contact with corrosive fluids, such as tetrahydrofuran, against which phenol formaldehyde resin is only partially resistant.

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Claims

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1. A method for producing a hollow cylindrical roller body made of carbon fiber-reinforced plastic with a resistant surface, characterized in that the roller body is produced by winding a carbon fiber coated with phenol formaldehyde resin onto a cylindrical mandrel and hardening the resin and onto the outer surface of the A resistant layer is applied to the roller body by plasma spraying.

2. The method according to claim 1, characterized in that a protective layer with a thickness of 0.05 to

0.15 mm is applied to the roller body.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a protective layer consisting of metals, preferably NiCoCrAl or CrMoAl alloys is applied.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a protective layer consisting of metallic hard materials, preferably carbides, nitrides, borides or silicides, is applied.

5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a protective layer consisting of non-metallic hard materials, preferably oxides, is applied.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the protective layer is applied in the form of several partial layers.

7. The method according to claim 6, characterized in that partial layers of different compositions are applied.

8. The method according to claim 7, characterized in that a base layer made of a material of great toughness and a cover layer made of a material of great hardness is applied.

9. The method according to any one of claims 1 to 5, 7 or 8, characterized in that a chrome layer is applied galvanically to the protective layer applied by plasma spraying.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a 0.01 to 0.03 mm thick layer is applied galvanically to the protective layer applied by plasma spraying.