DE19719004C2 - Flächenförmiger, kalt umformbarer Materialverbund - Google Patents

Description

Erfindungsgegenstand ist ein flächenförmiger, kalt umformbarer Materialverbund, insbesondere zum Einsatz in der Umwelt- und der chemischen Prozeßtechnik.

Bekannt sind beispielsweise großflächige Materialverbunde aus korrosionsbeständigen Legierungen und C-Stählen, die durch Plattieren unter Reibschweißbedingungen hergestellt werden. Dieses Verfahren ist jedoch nur für Blechstärken von über 1 mm des hochkorrosionsbeständigen Werkstoffes anwendbar und bedingt Spannungseinflüsse im Schichtverbund. Hinzu kommt bei diesen Materialverbunden ein erhöhter Schweiß- und Verarbeitungsaufwand.

Der EP 0 470 928 A1 ist ein Verfahren zum elastischen Verkleben zweier Substratflächen mit wäßrigen Klebstoffdispersonen zu entnehmen, wovon wenigstens eine porös ausgebildet ist. Eine kautschukhaltige erste Dispersion mit einem Acrylsäureestercopolymer und eine kolloidale zweite Dispersion eines Chloroprenpolymerisates werden nach vorheriger oder mit gleichzeitiger Durchmischung auf wenigstens eine der Substratflächen aufgetragen. Die zu verklebenden Substratflächen werden mit den nassen Klebstoffdispersionen aufeinandergelegt und angedrückt.

Der DE 39 04 170 A1 ist ein Verfahren zum Schutz von Rauchgasentschwefelungsanlagen vor Korrosion zu entnehmen, bei welchem eine diffusionsdichte Schicht aus Metall mit einer Schicht aus einem Elastomer zusammengefügt wird, wobei das entstehende Verbundsystem durch Aufkleben auf die zu schützenden Bauteile einer Rauchgasentschwefelungsanlage als Korrosionsschutz eingesetzt wird. Die so erzeugte korrosionshemmende Schicht soll bei Temperaturen zwischen 65 und 72°C einsetzbar sein. Eine Verschweißung bzw. Kaltumformung der durch dieses Verfahren erzeugten Bauteile ist nicht möglich.

Durch die DE 22 49 507 A ist ein kalt verformbarer Verbundwerkstoff zur Herstellung von schalldämmenden Bauteilen, bestehend aus zwei Metallstreifen, die durch ein Elastomerelement verbunden sind, bekannt geworden. Das Elastomerelement ist ein Butylkautschuk mit geringem ungesättigtem Anteil in einer Schichtdicke von 0,4-0,8 mm, der durch Copolymerisieren eines Gemisches aus Isobutylen und 1,5-4%, bezogen auf das Gewicht des letzteren, eines Diolefins, wie Isopren, gelöst in einem inerten Lösungsmittel hergestellt wird. Dieser Verbundwerkstoff soll für die Verwendung von Bauteilen für Automobilkarosserien, chemische Behälter sowie für Gebäude geeignet sein, wobei die Bauteile durch Ziehen hergestellt werden.

In der EP 04 70 928 A1 ist die Formgebung metallischer Komponenten von Materialverbunden vor der Vernetzung eines dazwischen angeordneten Klebers abgehandelt. Hier handelt es sich um einen kalt umformbaren Materialverbund. Auch dieses Sandwichprofil soll in der Fahrzeugindustrie Verwendung finden.

Abgesehen von den genannten metallischen Lösungen zum Korrosionsschutz in Kraftwerken und Anlagen der chemischen Prozeßindustrie werden auch preiswerte Korrosionsschutzsysteme (Gummierungen, organische Beschichtungen auf C-Stahl) eingesetzt. Hier stehen den geringen Investitionskosten beim Anlagenbau jedoch enorme Kosten in Form von Stillstandszeiten und Produktionsausfällen aufgrund der geringen Lebensdauer der Gummierungen gegenüber.

Aufgabe des Erfindungsgegenstandes ist es, einen Materialverbund zu konzipieren, die die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr beinhaltet, insbesondere eine verhältnismäßig hohe Standzeit aufweist und bei Bedarf auch für Sanierungsfälle einsetzbar sein soll.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen flächenförmigen, kalt umformbarer Materialverbund, insbesondere zum Einsatz in der Umwelt- und der chemischen Prozesstechnik, mit mindestens einem metallischen Trägerelement sowie mindestens einem metallischen Auflageelement, wobei das Trägerelement und/oder das Auflageelement mit einer viskoelastisch vernetzten aus einem Polyurethanklebstoff bzw. einer Polyurethandichtmasse gebildeten Verbindungsschicht versehen ist, wobei mindestens ein metallisches Trägerelement einen Teil einer Außenwand eines zu fertigenden Bauelementes und mindestens ein Auflageelement einen Teil einer Innenwand eines zu fertigenden Bauelementes bildet, wobei das Trägerelement aus einem Kohlenstoffstahl und das Auflageelement aus einer korrosionsbeständigen Legierung besteht.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Materialverbundes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur Herstellung dieser Materialverbunde wird zunächst die Oberfläche der Fügeteile in an sich bekannter Weise entfettet. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Haftreinigers auf der Basis von in Alkanolen gelösten Alkyltitanaten. Anschließend wird zumindest auf eine der zu fügenden Oberflächenbereiche ein fließfähiger Klebstoff in geeigneter Weise aufgebracht, woraufhin dann die Fügeteile zusammengebracht werden. Das Aufbringen des Klebstoffes und/oder der Dichtmasse kann z. B. durch Aufsprühen erfolgen. Für das Verkleben der Fügeteile ist Kontaktdruck ausreichend.

Die Vernetzungsgeschwindigkeit der zum Einsatz gelangenden Klebstoffe bzw. Dichtmassen kann bei feuchtvernetzenden Systemen, beispielsweise in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen, durch Befeuchten der Umgebungsluft erhöht werden, so daß u. U. schon nach 24 Stunden eine im wesentlichen abgebundene, weiterverarbeitbare Klebung vorliegt. Überraschend hat sich herausgestellt, daß zu Elastomeren feuchtvernetzende Polyurethanklebstoffe bzw. -dichtmassen für den vorgesehenen Verwendungszweck geeignet sind.

Die Festigkeit und die Umformbarkeit der erfindungsgemäßen Materialverbunde sind in weiten Grenzen von der Klebschichtdicke praktisch unabhängig. Die Klebfestigkeit (Druckfestigkeit) der Klebeverbindung genügt den thermomechanischen Beanspruchungen bei der Weiterverarbeitung.

Die Klebetechnik bietet aufgrund der isolierenden Eigenschaften des Klebers bzw. der Dichtmasse eine Verbindungsmöglichkeit für Metalle unterschiedlicher elektrochemischer Eigenschaften unter Ausschluß der galvanischen Korrosion. Aufgrund der schonenden Haftungsbildung zwischen Kleber bzw. Dichtmasse und den Fügeteiloberflächen stellt die Klebetechnik eine Verbindungsmöglichkeit für u. a. sehr dünne Fügeteile (Folien) dar. Die erfindungsgemäßen Auskleidungen lassen sich mit den in der Metallverarbeitung üblichen Verfahren trennen und weiterverarbeiten.

Als Trägerelement kommt vorzugsweise ein Kohlenstoffstahl, insbesondere ein C-Stahl-Kesselblech, unterschiedlichster Materialstärke zum Einsatz. Das Auflageelement sollte vorzugsweise aus einer hochkorrosionsbeständigen Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung bestehen, wobei hier jedoch der jeweilige Anwendungsfall zu berücksichtigen ist.

Die Aufgabe wird darüber hinaus auch gelöst durch die Verwendung eines, insbesondere feucht vernetzten, viskoelastischen Polyurethanklebstoffes bzw. einer Polyurethandichtmasse zur Herstellung eines flächenförmigen, kalt umformbaren Materialverbundes, insbesondere einer Auskleidung von Behältnissen, aus mindestens einem, insbesondere aus einem metallischen Kohlenstoffstahl bestehenden Trägerelement sowie mindestens einem, insbesondere aus einer korrosionsbeständigen Legierung bestehenden, metallischen Auflageelement.

Allgemein einsetzbar ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie, im Pipelinebau, im Schiffsbau, zur Herstellung von Verdampfern und Wärmetauschern und dergleichen.

Die durch den Kleber bzw. die Dichtmasse so gebildete Materialverbund ist insbesondere einsetzbar in der Umwelt- und der chemischen Prozeßtechnik. Spezielle Anwendungsgebiete sind Behälter (Druckbehälter), Rauchgaskanäle, Kamine, jegliche Art von Gefahrgütertransporten, Müllverbrennungsanlagen und dergleichen.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben:

Es zeigen

Fig. 1 Aufbau eines aus Einzelblechen bestehenden Blechpaketes, die miteinander zu verkleben sind.

Fig. 2 Durch Biegen kalt umgeformter Material­ verbund.

Fig. 3 Durch Schmelzschweißen miteinander verbun­ dener, aus einzelnen Flächenelementen be­ stehender Materialverbund.

Fig. 4 Zu Fig. 3 analoger Materialverbund, wobei die Stoßkanten mit einem Abdeckblech versehen sind.

Fig. 5 Querschnitt durch einen aus mehreren flächenförmigen Elemente zusammengesetzten Behälter.

Fig. 1 zeigt eine pressenartige Einrichtung, bestehend aus einer Bodenplatte 1 sowie Abdeckplatten 2, 3, zwischen denen zu ein­ zelnen Materialverbunden verbindbare Bauteile angeordnet sind. Jeder Materialverbund wird gebildet aus einem Trägerelement 4 sowie einem Abdeckelement 5. Zwischen dem Trägerelement 4 und dem Abdeckelement 5 erstreckt sich im wesentlichen ganzflächig eine Verbindungsschicht 6 in Form eines Klebstoffauftrages, der beispielsweise vorher durch Sprühen auf die entsprechende Ober­ fläche 7 des Trägerelementes 4 aufgebracht worden ist. Als Ver­ bindungsschicht 6 soll in diesem Beispiel ein zu Elastomeren vernetzender Polyurethanklebstoff zum Einsatz gelangen. Zwischen den einzelnen Materialverbunden sind beispielsweise Aluminiumfo­ lien 8 vorgesehen, damit eventuell hervorquellender Kleber nicht das gesamte Paket nachteilig beeinflußt und somit später umfang­ reichere Trennarbeiten notwendig sind.

Zur Fertigung der erfindungsgemäßen flächenförmigen, kalt um­ formbaren Materialverbunde werden vorzugsweise feuchtigkeitsver­ netzende Klebstoffe auf Polyurethanbasis verwendet. Für die Oberflächenvorbehandlung der Fügeteile 4, 5 kann eine Alkyltita­ nat enthaltende alkanolische Lösung eingesetzt werden. Das Trä­ gerelement 4 ist beispielsweise ein C-Stahl-Kesselblech, während als Auflageelement 5 eine hochkorrosionsbeständige Nickel-Chrom- Molybdän-Legierung zum Einsatz gelangt. Für den Klebstoffauftrag eignet sich sowohl die Spritztechnik wie auch das flächenmäßige Verteilen unter Verwendung von Zahnspachteln oder dergleichen. Im Anschluß an die Luftbefeuchtung wird jeweils das Auflageele­ ment 5 auf das Trägerelement 4 bzw. umgekehrt gelegt. Durch Übereinanderstapeln mehrerer solcher Materialverbunde wird das in Fig. 1 dargestellte Blechpaket erhalten, indem die Klebever­ bunde bis zur Weiterverarbeitung z. B. 16 Stunden gelagert wer­ den. Die Abmessungen des Trägerelementes 4 sowie des Auflageele­ mentes 5 können beispielsweise 2000 × 1000 mm betragen, wobei je nach Fertigungsmöglichkeit auch Abmessungen von 8000 × 2500 mm möglich sind. Die Platten 2, 3 dienen lediglich zum Beschweren des Blechpaketes, wobei zur Erzeugung des bzw. der Materialver­ bunde(s) kein weiterer äußerer Druck notwendig ist. Die Verbin­ dungsschicht 6 hat im vernetzten Zustand zähelastische (visko­ elastische) Eigenschaften, was sie in verarbeitungstechnischer Weise von bisher zum Einsatz gelangten Klebstoffen unterschei­ det.

Fig. 2 zeigt einen aus einem Trägerelement 4 sowie einem Aufla­ geelement 5 bestehenden Materialverbund, der durch die zähela­ stische Eigenschaften aufweisende Verbindungsschicht 6 zusammen­ gehalten wird. Der erfindungsgemäße Materialverbund ist bei sei­ ner Verarbeitung durch einen Umformungsprozeß mit vorgegebenem Biegeradius beansprucht worden, wobei sich überraschenderweise gezeigt hat, daß in Folge der zähelastischen Eigenschaften der Verbindungsschicht 6 ein Ablösen des Auflageelementes 5 von dem Trägerelement 4, insbesondere in dem beanspruchten Bereich 9, nicht erkannt werden konnte. Die Klebefugendicken sind hierbei ohne nachteilige Wirkung auf die Verbundhaftung in einem breiten Bereich variabel.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Materialverbund, bestehend aus einem Trägerelement 4 sowie mehreren nebeneinander angeordneten Aufla­ geelementen 5. Die im vernetzten Zustand zähelastische Eigen­ schaften aufweisende Verbindungsschicht, in diesem Beispiel in Form einer Dichtmasse auf Polyurethanbasis 6, ist zwar großflä­ chig aufgetragen, erstreckt sich jedoch nicht ganz bis in die Randbereiche 10, 11 des Materialverbundes. Die Auflageelemente 5 sind mit einem geeigneten Stoß 12 versehen, der ein problemloses Schmelzschweißen ermöglichen soll. Die Schweißraupe ist hierbei mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Ein vollständiges Durch­ schweißen ist bei geeigneter Stoßauswahl nicht notwendig, so daß auch keine so hohen Temperaturen in der Verbindungsschicht 6 er­ zeugt werden, die zu einer größeren Beschädigung im Stoßbereich führen. Dies in Ergänzung mit der zurückgesetzten Verbindungs­ schicht ergibt ein sehr materialschonendes Verbinden der Aufla­ geelemente 5.

Fig. 4 zeigt eine Alternative zu Fig. 3, wobei hier mehrere Trä­ gerelemente 4 und mehrere Auflageelemente 5 zum Einsatz gelan­ gen, die mit geeigneten Stoßbereichen 14, 15 versehen sind. Ana­ log zu Fig. 3 ist auch hier die Verbindungsschicht 6 nicht bis in die Randbereiche 16, 17 bzw. 18, 19 einerseits des jeweiligen Trägerelementes 4 und andererseits des jeweiligen Auflageelemen­ tes 5 eingebracht, so daß es auch bei dem sich anschließenden Schweißvorgang der Trägerelemente lediglich zu für die spätere Verwendung unbedeutenden Auflösungs- bzw. Ablösungsproblemen der Verbindungsschicht 16 von den Trägerelementen 4 bzw. den Aufla­ geelementen 5 kommt. Die Schweißraupe ist hierbei mit dem Be­ zugszeichen 20 versehen und wurde im Anschluß an den Schweißvor­ gang an die Dicke der nun miteinander verbundenen Trägerelemente 4 angepaßt. Auf seiten der Auflageelemente 5 ist in diesem Bei­ spiel keine Verschweißung derselben vorgesehen, vielmehr wird ein Abdeckstreifen 21 aus Blech über die Stoßstelle 15 gelegt, der dann in seinen Randbereichen mit den Auflageelementen 5 ver­ schweißt wird. Das Material des Abdeckstreifens 21 soll in die­ sem Beispiel dem der Auflageelemente 5 entsprechen.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Behälter 22, der aus mehreren kalt umgeformten Materialverbunden in Form von Kreis­ segmenten zusammengesetzt ist. Auch hier besteht jeder Material­ verbund aus einem Trägerelement 23, das in diesem Ausführungs­ beispiel auch gleichzeitig die Außenwand 24 des Behälters 22 bildet. Das Trägerelement 23 wirkt mit einem gleichzeitig die Innenwand 36 des Behälters 22 bildenden Auflageelement 25 zusam­ men, wobei zwischen beiden eine Verbindungsschicht 26 in Form eines im vernetzten Zustand zähelastische Eigenschaften aufwei­ senden Klebstoffes vorgesehen ist. Die Umformung des jeweiligen Materialverbundes wurde durch Kaltwalzen erzeugt, wobei die jeweiligen Materialverbunde im Bereich ihrer Stoßstellen 27, 28, 29 miteinander verbunden werden. Die Trägerelemente 23 sind in diesem Beispiel in jedem Fall durch Schweißen miteinander ver­ bunden, während die Auflageelemente im Bereich 27 miteinander verschweißt sind (Schweißraupe 30). Im Bereich 28 ist ein Ab­ deckstreifen 31 vorgesehen, der wiederum durch Schweißen mit den Auflageelementen 25 verbunden ist. Im Bereich 29 ist ebenfalls ein Abdeckstreifen 32 vorgesehen, der jedoch nicht wie im Be­ reich 28 durch Schweißen, sondern durch Kleben mit den Auflage­ elementen 25 verbunden ist. Im Bereich der Außenwand 24 ist ein Flansch 33 vorgesehen, der einen sich bis in den Innenraum 34 des Behälters 22 erstreckenden Eingang 35 aufweist. Der Behälter kann dann in der Umwelt- bzw. chemischen Prozeßtechnik einge­ setzt werden, wenn seine Innenwand 36 z. B. aus einer hochkorro­ sionsbeständigen Legierung, wie einer Nickel-Chrom-Molybdän- Legierung besteht, wobei dann auch die Abdeckstreifen 31, 32 aus einer mindestens gleiche Materialeigenschaften wie die Auflage­ elemente aufweisenden Legierung bestehen. Als Trägerelemente 23 können beispielsweise C-Stahl-Kesselbleche entsprechender Abmes­ sung zum Einsatz gelangen.

Claims (14)

1. Flächenförmiger, kalt umformbarer Materialverbund, insbesondere zum Einsatz in der Umwelt- und der chemischen Prozesstechnik, mit mindestens einem metallischen Trägerelement (4, 23) sowie mindestens einem metallischen Auflageelement (5, 25), wobei das Trägerelement (4, 23) und/oder das Auflageelement (5, 25) mit einer viskoelastisch vernetzten aus einem Polyurethanklebstoff bzw. einer Polyurethandichtmasse gebildeten Verbindungsschicht (6, 26) versehen ist, wobei mindestens ein metallisches Trägerelement (4, 23) einen Teil einer Außenwand (24) eines zu fertigenden Bauelementes (22) und mindestens ein Auflageelement (5, 25) einen Teil einer Innenwand (36) eines zu fertigenden Bauelementes (22) bildet, wobei das Trägerelement (4, 23) aus einem Kohlenstoffstahl und das Auflageelement (5, 25) aus einer korrosionsbeständigen Legierung besteht.

2. Materialverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (4, 23) ein C-Stahl-Kesselblech ist.

3. Materialverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflageelement (5, 25) aus einer hochkorrosionsbeständigen Nickel- Chrom-Molybdän-Legierung besteht.

4. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Klebefugendicke zwischen 0,5 und 5,0 mm.

5. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6, 26) mechanisch oder durch Spritzen bzw. Sprühen auf die entsprechende Oberfläche (7) des Trägerelementes (4, 23) und/oder des Auflageelementes (5, 25) aufbringbar ist.

6. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6, 26) im wesentlichen ganzflächig auf die jeweilige Oberfläche (7) des Trägerelementes (4, 23) und/oder des Auflageelementes (5, 25) aufbringbar ist.

7. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Oberfläche (7) in einzelnen oder mehreren Randbereichen (10, 11, 16 bis 19) verbindungsschichtfrei vorgesehen ist.

8. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere der flächenförmigen Elemente im Bereich ihrer Stoßkanten (12, 14, 15, 27, 28, 29) durch Schmelzschweißen miteinander verbindbar sind.

9. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere der flächenförmigen Elemente im Bereich ihrer Stoßkanten (12, 14, 15, 27, 28, 29) durch Kleben miteinander verbindbar sind.

10. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Stoßkanten (15, 18, 29) aneinander grenzender flächenförmiger Elemente Abdeckstreifen (21, 31, 32), insbesondere auf der Seite des Auflageelementes (5, 25), vorgesehen sind, die mit dem Auflageelement (5, 25) durch Schweißen oder Kleben verbunden sind.

11. Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Abdeckstreifen (21, 31, 32) zumindest das gleiche Korrosionsverhalten, wie insbesondere das Auflageelement (5, 25) aufweist.

12. Verwendung eines, insbesondere feucht vernetzten, viskoelastischen Polyurethanklebstoffes bzw. einer Polyurethandichtmasse zur Herstellung eines flächenförmigen, kalt umformbaren Materialverbundes, insbesondere einer Auskleidung von Behältnissen, aus mindestens einem, insbesondere aus einem metallischen Kohlenstoffstahl bestehenden Trägerelement (4, 23) sowie mindestens einem, insbesondere aus einer korrosionsbeständigen Legierung bestehenden, metallischen Auflageelement (5, 25).

13. Verwendung des Materialverbundes nach Anspruch 12 für Alt- und Neuanlagen der Umwelttechnik, insbesondere als Auskleidung für Kanäle und Kamine von Rauchgasentschwefelungsanlagen, von denen zumindest Teile der Auskleidung Innen- und/oder Außenwandbereiche dieser Anlage bilden.

14. Verwendung des Materialverbundes nach Anspruch 12 für den Behälterbau in Alt- und Neuanlagen der chemischen Industrie, insbesondere als Auskleidung für Behälter, wobei zumindest Teile der Auskleidung Innen- und/oder Außenwandbereiche dieser Behälter bilden.