DE102008047657A1

DE102008047657A1 - Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität von Bauteilen aus Duroplast

Info

Publication number: DE102008047657A1
Application number: DE200810047657
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Stark; Harald Dr. Goering
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität von Bauteilen aus Duroplast, insbesondere von duroplastischen Bauteilen zur Anwendung im Automobilbereich, wobei das duroplastische Bauteil mit einem Überdruck von mindestens 10 bar, bezogen auf einen Umgebungsdruck, und bei einer Temperatur oberhalb einer höchsten Temperatur innerhalb des duroplastischen Bauteils während des Herstellungsprozesses wärmebehandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität von Bauteilen aus Duroplast nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Im Hochleistungsbereich werden zunehmend Bauteile aus Duroplasten eingesetzt. Diese finden insbesondere Anwendung im Automobilsektor. So zählen heute Wasserpumpengehäuse, Bremskolben und Luftsteuereinlässe aus glasfasergefüllten Duroplasten zum Stand der Technik. Weiterhin basieren Scheinwerfer für Pkw oder Gehäuse für Kurvenlichter auf Polyesterharzformmassen und somit auf Duroplasten.
Duroplastische Formmassen sind preiswert herstellbar und ihre Verarbeitungstemperatur ist vergleichsweise niedrig. Im Werkzeug fließen sie gut, so dass komplizierte Formen gefüllt werden können und relativ kurze Zykluszeiten realisierbar sind. Im ausgehärteten Zustand behalten sie ihre guten mechanischen Eigenschaften bis zu sehr hohen Temperaturen bei.
Allerdings werden zunehmend Duroplaste durch Hochtemperaturthermoplaste substituiert, woraus der Zwang resultiert, die Effektivität der Fertigung und das Eigenschaftsprofil im Bauteil weiter zu optimieren. Da Verarbeitungsprozesse wie Spritzgießen, Spritzprägen oder Pressen wegen der hohen Maschinen- und Werkzeugkosten auf eine möglichst kurze Zykluszeit begrenzt werden müssen, nimmt man oft einen unzureichenden Vernetzungszustand in Kauf. Betrachtet man derzeitige Nachtempervorgänge näher, ist festzustellen, dass die Temperprogramme durch langsames Aufheizen auf Temperaturen im Bereich der Verarbeitungstemperatur, gefolgt von einem sehr lang dauernden, oft sich über mehrere Temperaturstufen erstreckenden Temperprozess gekennzeichnet sind. Typische Zeiten liegen dabei im Bereich von mehreren Stunden. Es sind Temperprogramme bekannt, bei denen die Temperatur in vielen 20°C-Schritten gesteigert wird und die Bauteile bei jedem Temperaturschritt eine Stunde verbleiben.
Die höchste bei der Wärmebehandlung verwendete Temperatur wird durch die vom Anwender geforderte Einsatzgrenztemperatur beeinflusst. Die Temperatur, bei der getempert wird, kann bis zu 50°C über dieser Einsatzgrenztemperatur liegen. Bei der konsequenten Anwendung der Tempervorschriften ergeben sich in der Summe durchaus Zeiten für ein solches Temperprogramm von bis zu 24 Stunden. Anschließend wird langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Ziel der Erfindung ist es, den Mangel einer sehr zeitaufwendigen Wärmebehandlung von duroplastischen Bauteilen abzustellen und die Wärmebehandlungszeit erheblich zu verkürzen, ohne dass dadurch eine Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften der Bauteile auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche in Verbindung mit den Merkmalen der Oberbegriffe gelöst.
In dem beanspruchten Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität eines duroplastischen Bauteils, wird das duroplastische Bauteil mit einem Überdruck von mindestens 10 bar bezogen auf einen Umgebungsdruck und bei einer Temperatur oberhalb einer höchsten Temperatur innerhalb des duroplastischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Herstellungstemperatur), wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung unter Überdruck erlaubt hohe Aufheizraten, d. h. Aufheizraten oberhalb der Herstellungstemperatur des Bauteils, und gleichzeitig kürzere Verweildauern in Bezug auf eine Wärmebehandlung unter Normaldruck, ohne dadurch eine Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften der Bauteile herbeizuführen.
Erfindungsgemäß wird das duroplastische Bauteil im Automobilbereich verwandt und kann beispielsweise ein Wasserpumpengehäuse sein.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Das Bauteil wird ab Beginn der Wärmebehandlung und während der gesamten Wärmebehandlung einem konstanten Gasdruck, beispielsweise einem Stickstoffgasdruck von mindestens 100 bar ausgesetzt. So kann bei einer Temperatur oberhalb der Herstellungstemperatur wärmebehandelt werden. Erfindungsgemäß liegt die Temperatur mindestens 10°C über der Herstellungstemperatur des duroplastischen Bauteils. Dadurch wird die Behandlungszeit und somit der gesamte Fertigungsprozess verkürzt. Des Weiteren bleiben die Gebrauchseigenschaften der duroplastischen Bauteile erhalten.
Erfindungsgemäß kann zur Durchführung des Verfahrens ein Autoklav mit regelbarem Druck und regelbarer Temperatur oder ein anderer gasdicht verschließbarer Druckbehälter eingesetzt werden. Der Druckbereich des Behälters sollte mindestens 100 bar betragen. Das Aufheizen auf die Nachbehandlungstemperatur des duroplastischen Bauteils und die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt erfindungsgemäß jeweils mit einer konstanten Temperatur-Zeitrate zwischen 2 K/min und 20 K/min. Durch die Wahl einer konstanten Temperaturerhöhung kann sich das Bauteil gleichmäßig aufheizen. Schäden durch innere Spannungen im Bauteil wie beispielsweise Risse können so vermieden werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Wärmebehandlung des duroplastischen Bauteils für eine definierte Zeit im Bereich zwischen 20 min und 3 Stunden, vorzugsweise zwischen 45 min und 2 Stunden, besonders vorzugsweise 1 Stunde. Dabei soll die Temperatur konstant gehalten werden. Die Temperaturstufen zum Aufheizen bzw. Abkühlen können zwischen 2°C und 20°C gewählt werden, wobei die höchste festgelegte Temperaturstufe zwischen 150°C und 300°C liegen kann. Dieser Temperaturbereich ergibt sich aus der niedrigsten Herstellungstemperatur (155°C) für duroplastische Bauteile und einer Zersetzungstemperatur der Bauteile oberhalb von 300°C.
Das Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität soll nun anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Vergleich der Temperaturstabilität anhand des Schubmodulverlaufs aus dynamisch-mechanisch-thermischer Analyse,
2 schematische Darstellung des Verfahrensprozesses.
In 1 ist ein Diagramm aus dem Verfahrensprozess zur Erhöhung der Temperaturstabilität von duroplastischen Bauteilen gezeigt, wobei das Diagramm den Vergleich der Temperaturstabilität anhand des Schubmodulverlaufs bis zu 300°C zeigt. Der Schubmodul ist eine Materialkonstante, die Auskunft über die lineare elastische Verformung eines Bauteils in Folge einer Scherkraft oder Schubspannung gibt. Für das Diagramm wurden duroplastische Proben vermessen, die später zu Bauteilen weiterentwickelt werden.
Verglichen werden eine unbehandelte Probe 1, eine nach dem Stand der Technik wärmebehandelte Probe 2 mit einer Wärmebehandlungszeit von 22 Stunden bei Normaldruck und 250°C und eine erfindungsgemäß wärmebehandelte Probe 3 mit einer Wärmebehandlungszeit von einer Stunde bei 150 bar und 200°C. Die Wärmeformbeständigkeit bei hohen Temperaturen hat sich gegenüber der nicht wärmebehandelten Probe 1 erheblich verbessert. Die unbehandelte Probe fällt durch einen bereits ab 100°C geringeren und ab 190°C wegen der einsetzenden Nachhärtung wieder ansteigenden Modul auf. Tritt solche unkontrollierte Nachhärtung im Gebrauch auf, ist mit Änderungen der Bauteilgeometrie zu rechnen. Im Vergleich zu der nach Standard wärmebehandelten Probe 2 zeigt die erfindungsgemäß wärmebehandelte Probe 3 bei 250°C eine vergleichbare und bei noch höheren Temperaturen sogar ein bessere Temperaturstabilität. Daraus ist zu schließen, dass auch bei hohen Temperaturen keine elastische Verformung des Bauteils stattfindet bzw. nur eine elastische Verformung bis zu einem gewissen Grad stattfindet.
2 zeigt schematisch das Verfahren zur erfindungsgemäßen Wärmebehandelung der duroplastischen Formteile. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

• Einbringen der Bauteile in einen Autoklaven 4 oder einen anderen gasdicht verschließbaren Druckbehälter und Verschließen des Behälters 4,
• Aufbau eines Gasdrucks mittels Stickstoff 5 von mindestens 100 bar gegenüber dem Umgebungsdruck, wobei der Gasdruck während des gesamten Wärmebehandlungsprozesses konstant gehalten wird,
• Erhöhung der Temperatur durch einen Temperaturregler 6 mit einer konstanten Rate im Bereich zwischen 2 und 20 K/min auf einen Wert, der 10°C über der Herstellungstemperatur des duroplastischen Bauteils 7 und im Bereich zwischen 150°C und 300°C liegt,
• Wärmebehandlung bei konstanter Temperatur für eine definierte Zeit, wobei die Zeit im Bereich zwischen 20 Minuten und 3 Stunden, typischerweise bei einer Stunde liegt,
• Abkühlung auf Zimmertemperatur mit konstanter Temperatur-Zeit-Rate im Bereich zwischen 2 und 20 K/min,
• Ablassen des Drucks, Öffnen der Tür oder des Deckels 8 und Entnahme des Bauteils 7.

Wertebeispiele zu diesen Verfahrensschritten sind nachfolgend basierend der Nachbehandlung von duroplastischen Wasserpumpengehäusen, welche später auf Pkw-Motoren geflanscht werden, angegeben. Mehrere Wasserpumpengehäuse wurden in einem Autoklaven 4 wärmebehandelt. Die Bedingungen waren dabei:

• 150 bar Stickstoffdruck,
• Aufheizen mit 5 K/min auf 250°C,
• Wärmebehandlung für 60 Minuten bei 250°C,
• Abkühlung auf Raumtemperatur mit 10 K/min.

Die so hergestellten duroplastischen Bauteile 7 weisen ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften auf. Sie zeigen weder Aufblähungen noch Einfallstellen. Die Temperaturstabilität wurde erneut mit der dynamisch-mechanisch-thermischen Analyse überprüft.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Temperaturstabilität eines duroplastischen Bauteils, insbesondere eines duroplastischen Bauteils zur Anwendung im Automobilbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Bauteil mit einem Überdruck von mindestens 10 bar bezogen auf einen Umgebungsdruck und bei einer Temperatur oberhalb einer höchsten Temperatur innerhalb des duroplastischen Bauteils während des Herstellungsprozesses, wärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck gegenüber dem Umgebungsdruck mindestens 100 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Wärmebehandlungsprozesses konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Wärmebehandlung mindestens 10°C über der Herstellungstemperatur des duroplastischen Bauteils liegt.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem gasdicht verschließbaren Druckbehälter, vorzugsweise in einem Autoklaven durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Autoklaven durch einen Stickstoff-Gasdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung auf die Wärmebehandlungstemperatur und/oder Abkühlung auf Raumtemperatur im Autoklaven in einem konstanten Zeitverlauf erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitrate zum Aufheizen und/oder Abkühlen zwischen 2 und 20°C/min gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Temperatur für eine definierte Zeit, im Bereich zwischen 20 min und 3 h, vorzugsweise zwischen 45 min und 2 h, besonders vorzugsweise 1 h wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturstufen zum Aufheizen bzw. zum Abkühlen zwischen 2°C und 20°C gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die höchste festgelegte Temperaturstufe zwischen 150°C und 300°C liegt.
Bauteil, insbesondere zur Anwendung im einem Automobil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche.