DE102004046111A1 - Verfahren zum Beschichten von Flachdichtungen - Google Patents

Abstract

Um ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Polymermaterialien, insbesondere Hochleistungspolymermaterialien, in einfacher Weise als Beschichtung auf Flachdichtungen aufgetragen werden können, wird vorgeschlagen, dass das Polymermaterials mittels thermischem Spritzen als Schicht auf eine Oberfläche der Flachdichtung aufgetragen wird, wobei das Polymermaterial in Pulverform, insbesondere in einem Trägergas suspendiert, begleitet von einem Druckgasstrom, in einen Strom eines Heißgases eingedüst wird, wobei der Druckgasstrom so dosiert wird, dass die Temperatur des Polymermaterials dessen Zersetzungstemperatur nicht erreicht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Flachdichtungen mit einem Polymermaterial sowie Flachdichtungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
• Polymermaterialien werden auf Flachdichtungen in vielfältiger Weise aufgetragen um dort Dichtungselemente auszubilden, die insbesondere bei Flachdichtungen, die als Zylinderkopfdichtungen eingesetzt werden, bei hohen Temperaturen dem chemischen Angriff von Motoröl und Kühlflüssigkeit ausgesetzt sind.
• Darüber hinaus werden die Dichtungselemente aufgrund der Relativbewegungen von Zylinderblock und Zylinderkopf bzw. ganz allgemein der dichtend miteinander zu verbindenden Bauteile mechanisch belastet, so dass die Beschichtungen der in Rede stehenden Flachdichtungen nicht nur chemischen Angriffen gegenüber inert sein müssen und hohen Temperaturen standhalten müssen, sondern auch mechanischen Beanspruchungen gegenüber ausreichend stabil sein müssen.
• Häufig werden die erfindungsgemäßen Flachdichtungen bei Komponenten eingebaut, bei denen möglichst selten die Dichtungen ausgetauscht werden sollen, so dass sehr hohe Qualitätsanforderungen an die Dichtungen und somit hohe Verlässlichkeit von den Herstellungsverfahren verlangt wird.
• Polymermaterialien wurden auf Flachdichtungen bislang mittels Siebdruck aufgetragen, durch herkömmliche Pulverbeschichtungsverfahren aufgebracht oder aber auch in gelöster Form auf die Dichtung aufgespritzt und in manchen Fällen auch als plastifizierte Schmelze an die Dichtungslagen angespritzt.
• Jedes der vorgenannten Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile, wobei besondere Nachteile regelmäßig bei der Verwendung von Hochleistungspolymeren auftreten, wie z.B. PTFE, PEEK, PPS, PFA und anderen.
• So beobachtet man bei Flachdichtungen, die mit einem elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren beschichtet wurden, schuppenartige Ablösungen der Beschichtung.
• Die vorgenanten Polymermaterialien sind zum Teil mit den vorgenannten Verfahren überhaupt nicht verarbeitbar bzw. führen zu relativ hohen Verfahrenskosten, teils herrührend von Overspray, einer möglicherweise notwendigen thermischen Nachbehandlung der Beschichtung oder aber auch der notwendigen komplexen technischen Vorrichtungen zur Durchführung der Beschichtungsverfahren.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen mit dem Polymermaterialien, insbesondere Hochleistungspolymermaterialien in einfacher Weise als Beschichtung auf Flachdichtungen aufgetragen werden können, das die vorgenannten Nachteile vermeidet. Trotzdem müssen die Beschichtungen die eingangs beschriebenen Anforderungen an Dichtungselemente von Flachdichtungen erfüllen können.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Polymermaterial mittels thermischem Spritzen als Schicht auf eine Oberfläche der Flachdichtung aufgetragen wird, wobei das Polymermaterial in Pulverform, insbesondere in einem Trägergas suspendiert, begleitet von einem Druckgasstrom in einen Strom eines Heißgases eingedüst wird, wobei der Druckgasstrom so dosiert wird, dass die Temperatur des Polymermaterials dessen Zersetzungstemperatur nicht erreicht.
• Überraschenderweise kann mit thermischem Spritzen das Polymermaterial gezielt und mit relativ geringem apparativen Aufwand in hoher Güte auf die Flachdichtung aufgespritzt werden, so dass die dabei erzeugten Dichtungselemente, die eingangs beschriebenen Anforderungen in ausgezeichneter Weise erfüllen. Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Hochleistungspolymermaterialien verarbeiten, die sonst mit dem einen oder anderen herkömmlichen Beschichtungsverfahren, die bei Flachdichtungen bisher Einsatz gefunden haben, nur mit Problemen verarbeitbar sind. Beim thermischen Spritzen wird das pulverförmige Polymermaterial in der Regel in einem inerten Trägergas suspendiert (z.B. Stickstoff oder auch Druckluft) in das Heißgas injiziert, wie beispielsweise durch eine Düse austretende Verbrennungsgase oder ein Gasplasma. Die hohen Temperaturen des Heißgases beschleunigen die Pulverpartikel und schmelzen sie an, bevor sie dann auf das zu beschichtende Substrat aufprallen.
• Beim Aufprall werden die Polymerteilchen durch Umwandlung ihrer kinetischen Energie in Deformation gegen die Substratoberfläche gedrückt und deformiert, wobei die Deformation der Polymerpartikel durch die im Heißgas auftretende Aufheizung noch begünstigt wird. Bei dem Kontakt mit dem Substrat kühlen die Polymerteilchen ab und erstarren. Die aufgespritzten Schichten haften, insbesondere auch durch eine mechanische Verklammerung mit dem Untergrund, so dass eine Affinität der Polymerpartikel zu dem Untergrund in chemischer Hinsicht nicht zwingend erforderlich ist. Das bedeutet, chemische Bindungskräfte oder chemische Adhäsionskräfte sind nicht zwingend notwendig um eine ausreichend feste Verbindung der Polymermaterialien mit dem Substrat herzustellen.
• Das thermische Spritzen ist vielfältig im Einsatz bei der Verarbeitung von Metallen und Keramikmaterialien, wobei im Hinblick auf die höhere Temperaturempfindlichkeit von Polymermaterialen diese nur gelegentlich mit solchen Verfahren verarbeitet wurden.
• Überraschenderweise zeigt sich jedoch, dass mit dem thermischen Spritzen Beschichtungen auf Flachdichtungen erzielt werden können, die eine sehr gute mechanische Stabilität aufweisen und darüber hinaus auch dem Angriff von Motoröl und Kühlflüssigkeiten sehr gut standhalten können.
• Das beim elektrostatischen Pulverbeschichten auftretende Problem von schuppenartigen Ablösungen lässt sich durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich zurückdrängen und bei manchen Polymermaterialien praktisch gänzlich vermeiden.
• Auch beobachtet man eine bessere Haftung der Polymermaterialien auf Oberflächen von Metallsubstraten, verglichen mit Beschichtungen, die herkömmlich mittels elektrostatischer Pulverbeschichtung aufgetragen wurden.
• Je nach Beschaffenheit der Substratoberfläche kann es sich empfehlen diese vor der erfindungsgemäßen Beschichtung mit einem herkömmlichen, an die Substratoberfläche und das aufzubringende Polymermaterial angepassten Haftvermittler zu behandeln bzw. zu beschichten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem elektrostatischen Pulverbeschichten den weiteren Vorteil, dass ein selektives oder partielles Beschichten der Substratoberfläche ohne Verwendung von Masken vorgenommen werden kann.
• Bevorzugt wird die Temperatur, auf die das Polymermaterial während dem thermischen Spritzen aufgeheizt wird, durch Regulieren der Verweilzeit des Polymermaterials im Heizgas eingestellt. Andererseits kann man, gegebenenfalls unterstützend, das Verfahren so führen, dass das Polymermaterial zentral in den Strom des Heißgases injiziert wird, während der Druckgasstrom koaxial zu dem Polymermaterial eingedüst wird, derart, das ein direkter Kontakt des Polymermaterials mit dem Heißgas vermieden wird.
• Um die mechanische Verklammerung der abgeschiedenen Polymerteilchen mit der Substratoberfläche zu verbessern, empfiehlt es sich die zu beschichtende Oberfläche vor dem Beschichten mit einer Oberflächenstruktur zu versehen, welche insbesondere mittels mechanischem Aufrauen oder chemischem Ätzen erzeugt werden kann.
• Bei sehr hochschmelzenden Polymeren kann es von Vorteil sein, wenn die zu beschichtende Oberfläche vorgewärmt wird, so dass die Abkühlung der Teilchen nicht allzu schnell passiert. Gleichzeitig hat das Vorwärmen der zu beschichtenden Oberfläche den Vorteil, dass eine Neigung zur Rissbildung in der Beschichtung vermindert wird.
• Bevorzugt sind die für die Beschichtung zu verwendenden Polymermaterialien Hochleistungskunststoffe, welche insbesondere Komponenten umfassen, welche ausgewählt sind aus Perfluorkohlenwasserstoffpolymeren, Perfluoralkoxycopolymeren, Polyetheretherketonen und Polyarylsulfiden.
• Die Oberflächen der Flachdichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu beschichten sind, sind vorzugweise Metalloberflächen und die erfindungsgemäß herstellten Flachdichtungen sind insbesondere Metalllagendichtungen.
• Die Polymermaterialschicht, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den Flachdichtungen aufgetragen wird, kann insbesondere auch als Verschleißschutzschicht ausgebildet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch dazu, Oberflächen der Flachdichtung zu beschichten, die vor dem Beschichten mittels thermischem Spritzen mindestens bereichsweise bereits mit einer deformierbaren Schicht versehen worden sind. Hierbei kann es sich um eine ganzflächige Beschichtung dieser vorbeschichteten Flächen handeln oder eine bereichsweise Beschichtung.
• Die deformierbare Schicht wird bevorzugt vor dem thermischen Spritzen mittels Siebdruck aufgebracht.
• Die deformierbaren Schichten werden vorzugsweise als deformierbare Schicht zur Verbesserung der Anfangsdichtigkeit der Flachdichtung ausgebildet. Solche Schichten, die der Verbesserung der Anfangsdichtigkeit dienen, sind insbesondere elastische deformierbar und sorgen direkt nach der Montage, bevor sich die Dichtungsmaterialien setzen, für eine ausreichende Dichtigkeit der Verbindung.
• Das thermische Spritzen kann in verschiedenen Ausgestaltungen durchgeführt werden, zum einen als Flammspritzen, als Plasmaspritzen, oder als Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, wobei jeweils das Eindüsen des Polymerpulvers in den Heißgasstrom vorgenommen wird.
• Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Flachdichtung, die nach einem der vorgenannten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.

Claims (14)

1. Verfahren zum Beschichten von Flachdichtungen mit einem Polymermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial mittels thermischem Spritzen als Schicht auf eine Oberfläche der Flachdichtung aufgetragen wird, wobei das Polymermaterial in Pulverform, insbesondere in einem Trägergas suspendiert, begleitet von einem Druckgasstrom in einen Strom eines Heißgases eingedüst wird, wobei der Druckgasstrom so dosiert wird, dass die Temperatur des Polymermaterials dessen Zersetzungstemperatur nicht erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, auf die das Polymermaterial während dem thermischen Spritzen aufgeheizt wird, durch Regulieren der Verweilzeit des Polymermaterials im Heißgas eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial zentral in den Strom des Heißgases injiziert wird, während der Druckgasstrom koaxial zu dem Polymermaterial eingedüst wird, derart, dass ein direkter Kontakt des Polymermaterials mit dem Heißgas vermieden wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche vor dem Beschichten mit einer Oberflächenstruktur versehen, insbesondere mittels mechanischem Aufrauen oder chemischem Ätzen aufgeraut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial eine Komponente umfasst, welche ausgewählt ist aus Perfluokohlenwasserstoffpolymere, Perfluoralkoxycopolymeren, Polyetheretherketonen und Polyarylsulfiden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial auf eine Metalloberfläche der Flachdichtung aufgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung eine Metalllagendichtung ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermaterialschicht als Verschleißschutzschicht aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Flachdichtung vor dem Beschichten mittels thermischem Spritzen mindestens bereichsweise mit einer deformierbaren Schicht versehen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Schicht mittels Siebdruck aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Schicht der Verbesserung der Anfangsdichtigkeit der Flachdichtung dient.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen als Flammspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt wird.
14. Flachdichtung, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche.