DE19928601A1 - Dichtung, Beschichtungsmaterial für Dichtungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Dichtung, Beschichtungsmaterial für Dichtungen sowie Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung, ein Beschichtungsmaterial für Dichtungen sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Dichtungen wie sie beispielsweise als Mehrlagen-Stahllagendichtungen, auch Metalldichtungen genannt, beispielsweise im Fahrzeugbau für Zylinderkopfdichtungen verwendet werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird als Beschichtungsmaterial, das vorteilhafterweise durch ein Pulverbeschichtungsverfahren aufgetragen werden kann, ein Perfluorcopolymer, vorteilhafterweise aus einem perfluorierten Alkan und einem perfluorierten Vinylether, vorgeschlagen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung mit
einem Träger und einem darauf angebrachten Beschich
tungsmaterial, ein geeignetes Beschichtungsmaterial
für Dichtungen sowie ein Verfahren zur Herstellung
derartiger Dichtungen.
Bis vor einigen Jahren waren Weichstoffdichtungen
verbreitet, welche in der Regel aus einem planaren
metallischen Träger und beidseitig auf den Träger
aufgebrachten Weichstoffschichten bestanden. Diese
Weichstoffschichten wiesen Schichtdicken von ca.
0,80 mm auf und enthielten häufig die sehr stand- und
temperaturfesten Asbestfasern in Kombination mit
einem geringen Anteil elastomeren Bindemittels. Im
Zuge des Asbestverbotes wurde die Asbestfaser jedoch
durch andere, die Weichstoffschichten stabilisierende
Fasern ersetzt.
In letzter Zeit werden die Weichstoffdichtungen
zunehmend durch die dünneren Metalldichtungen ver
drängt. Diese umfassen eine oder mehrere Metallagen,
wobei die den abzudichtenden Flächen zugewandten
Seiten der Metalldichtungen in der Regel eine dünne
elastomere Beschichtung von typischerweise unter
0,40 mm aufweisen. Da die dünne elastomere Beschich
tung im Vergleich zu Weichstoffschichten nur eine
unzureichende Anpassungsfähigkeit besitzen, werden
Metalldichtungen zum überwiegenden Teil zusätzlich
mit Sicken versehen.
Nachteilig bei derartigen Metalldichtungen ist einer
seits die Tatsache, daß die verwendeten elastomeren
herkömmlichen Beschichtungsmaterialien, insbesondere
bei höheren Temperaturen ein unbefriedigendes Stand
verhalten aufweisen. Typische elastomere Beschich
tungsmaterialien zeigen beispielsweise bei 300°C und
einer Pressung von 75 N/mm für 30 Minuten (RPM 510-B)
Eindringtiefen von über 100 µm. Andererseits besitzen
diese elastomeren Beschichtungen eine sehr geringe
Kompressibilität und damit ein schlechtes Anpassungs
vermögen. Genau deshalb ist es notwendig, daß die
Metalldichtungen mit zusätzlichen elastischen Elemen
ten z. B. Sicken, versehen werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine beschichtete
Dichtung und ein zur Beschichtung einer Dichtung
geeignetes Beschichtungsmaterial zur Verfügung zu
stellen, welches in einem weiten Temperaturbereich
und insbesondere bei hohen Temperaturen gute Eigen
schaften bezüglich seiner Elastizität und Thermo
stabilität aufweist. Weiterhin soll die Dichtung auf
umweltfreundliche Weise herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Dichtung nach Anspruch
1, das Beschichtungsmaterial nach Anspruch 17 sowie
durch das Verfahren nach Anspruch 25 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Dichtung, des erfindungsgemäßen Beschichtungs
materials sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen
gegeben.
Die erfindungsgemäße Dichtung weist einen Träger auf
aus mindestens einer Metallage, beispielsweise eine
Mehrlagen-Stahldichtung, und einer mindestens auf
einer Außenseite der mindestens einen Metallage
zumindest bereichsweise angeordneten Beschichtung.
Die Beschichtung besteht erfindungsgemäß aus einem
Perfluorcopolymer. Unter den Perfluorcopolymeren
zeichnen sich nun wiederum die Perfluorcopolymere aus
einem perfluorierten Alkan und einem perfluorierten
Vinylether aus, beispielsweise aus Tetrafluorethylen
und Perfluormethylvinylether, Perfluorethylvinyl
ether, Perfluorpropylvinylether und/oder Perfluor
butylvinylether.
Die erfindungsgemäßen Perfluorcopolymere können ein
fach durch Extrusion, Preßspritzen, Formpressen,
Spritzgießen und/oder Blasformen verarbeitet werden.
Insbesondere können etwaige Zusatzstoffe, die zur
Erzielung besonderer mechanischer und/oder chemischer
Eigenschaften des Beschichtungsmateriales dem
Beschichtungsmaterial zugegeben werden, in einem
Extruder mit dem Perfluorcopolymer vermischt werden
und anschließend das so verarbeitete Beschichtungs
material zu einem Pulver zermahlen werden. Das Pulver
läßt sich erfindungsgemäß durch ein Pulverbeschich
tungsverfahren auf die Metallage der Dichtung auf
bringen. Dadurch erfolgt die Beschichtung absolut
lösungsmittelfrei und bedarf keiner Trocknung oder
Vernetzung des Beschichtungsmateriales. Es fällt
weiterhin kein Beschichtungsabfall an, so daß das
Fertigungsverfahren für die Dichtung äußerst ferti
gungsfreundlich, umweltfreundlich und absolut gesund
heitsunschädlich ist. Besonders vorteilhaft ist dies,
da derartige Pulverbeschichtungsverfahren für die
Herstellung von Dichtungen, beispielsweise für
Zylinderköpfe, bisher nicht zur Verfügung standen.
Erst durch das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
wird dieses ebenso erfindungsgemäße Pulverbeschich
tungsverfahren zur Herstellung von Mehrlagen-Stahl
dichtungen etc. möglich.
Als weitere Zuschlagstoffe zu dem Beschichtungsmate
rial kommen beispielsweise Füllstoffe wie Metall
pulver und/oder MoS2, Farbstoffe und/oder Weich
macher in Frage. Diese ermöglichen die exakte Ein
stellung der mechanischen Eigenschaften der Beschich
tung, beispielsweise der Elastizität und Temperatur
beständigkeit. So werden Beschichtungen, die ein-
oder mehrseitig, teilweise oder auch ganzflächig auf
den Träger aufgebracht werden mit einer Dicke von
10 µm bis 200 µm, vorteilhafterweise zwischen 50 µm
bis 150 µm möglich. Weiterhin kann selbstverständlich
wie bei herkömmlichen Metalldichtungen bereits
bekannt, die Metallage beispielsweise um die Zylin
derbohrungen herum zur besseren und elastischen
Abdichtung gesickt sein. Zwischen der Metallage und
der Beschichtung kann eine erste weitere Schicht,
beispielsweise eine Primerschicht, eine Kleberschicht
und/oder eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein,
um die Haftung der Beschichtung auf der Metallage
weiter zu verbessern. Auf der Beschichtung selbst
kann eine zweite weitere Schicht angeordnet sein, die
die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung, bei
spielsweise deren Anithafteigenschaften oder Klebe
eigenschaften, in gewünschter Weise modifiziert.
Die erfindungsgemäßen Dichtungen finden Einsatz bei
spielsweise bei der Herstellung von Ein- oder Mehr
lagen-Stahldichtungen für die Brennräume von Brenn
kraftmaschinen, beispielsweise als Zylinderkopf
dichtungen.
Im folgenden werden einige Beispiele eines erfin
dungsgemäßen Beschichtungsmateriales gegeben.
In einem ersten Beispiel wurde ein Perfluorcopolymer
mit der folgenden Strukturformel
als Beschichtungsmaterial verwendet. Die Polymeri
sationsgrade n und m liegen im Bereich von 5000 bis
300000, bevorzugte Polymerisationsgrad liegt bei
20000 bis 250000, besonders bevorzugt bei 80000 bis
150000, was Molmasse von 500000 bis 3000000 ent
spricht. Diese Substanz ist für andere Bereiche,
insbesondere im Bereich der Kabelisolierung bereits
unter dem Handelsnamen Hyflon MFA der Firma Ausimont
bekannt. Hyflon MFA weist eine hervorragende ther
mische Stabilität auf und besitzt mechanische Eigen
schaften in einem weiten Temperaturbereich bis zu 250°C.
Hyflon MFA ist gegenüber einer Vielzahl
korrosiver und anorganischer Chemikalien beständig
und besitzt auch eine hervorragende Beständigkeit
gegenüber organischen Chemikalien wie Anhydriden,
Kohlenwasserstoffen, funktionellen Aromaten, Estern,
Ethern, Ketonen und Aminen.
Hyflon MFA ist weiterhin bei einer Dauergebrauchs
temperatur bis zu 240°C thermisch beständig und
kann, wie durch die Erfinder gefunden wurde hervor
ragend bei thermisch und mechanisch belasteten Zylin
derkopfdichtungen eingesetzt werden.
Je nach Polymerisationsgrad können die einzelnen
Eigenschaften innerhalb bestimmter Grenzen geändert
werden. So ist beispielsweise auf dem Markt ein
"Hyflon MFA 620" und ein "Hyflon MFA 640" als
hochmolekulares MFA bzw. mittelmolekulares MFA
erhältlich.
Das aus der Copolymerisation von Tetrafluorethylen
und Perfluormethylvinylether hergestellte Hyflon MFA
wurde bisher lediglich in der chemischen und elektro
technischen Industrie eingesetzt. Eine Verwendung im
Bereich der Stahllagendichtungen ist bisher nicht
bekannt. Weiterhin ist es bisher nicht bekannt, daß
dieses Perfluorcopolymer hervorragend durch Pulverbe
schichtungsverfahren zur Herstellung von Beschichtun
gen verwendet werden kann.
In einem weiteren Beispiel wurde ein weiteres halb
kristallines Perfluorcopolymer aus der Copolymeri
sation von Tetrafluorethylen und Perfluorvinylether
als Beschichtungsmaterial verwendet. Dieses Perfluor
copolymer ist unter dem Handelsnamen Hyflon PFA der
Firma Ausimont bereits für Anwendungen in der Chemie,
Elektrotechnik und Elektronik, in der Luftfahrt sowie
der Lebensmittelindustrie bekannt und weist folgende
Strukturformel auf
Überraschend war hier, daß die ebenfalls hervorra
gende thermische Beständigkeit und die guten mechani
schen Eigenschaften von Hyflon PFA, die nicht wie bei
anderen Fluorkohlenwasserstoffen in gleichem Maße von
der Einsatztemperatur beeinflußt werden sondern über
einen sehr breiten Temperaturbereich auf hohem Niveau
konstant bleiben, dieses Perfluorcopolymer hervor
ragend als Beschichtung für Stahllagendichtungen
geeignet machen. Überraschenderweise ist auch Hyflon
PFA durch Pulverbeschichtungsverfahren auf die Stahl
lage aufbringbar, so daß sich ein äußerst umwelt
freundliches, lösungsmittel- und beschichtungs
abfallfreies Beschichtungsverfahren für Stahllagen
dichtungen eröffnet, das sämtliche Anforderungen
bezüglich Umweltfreundlichkeit, Fertigungsfreund
lichkeit und Gesundheitsunschädlichkeit erfüllt.
Claims (26)
1. Dichtung mit einem Träger aus mindestens einer
Metallage und einer mindestens auf einer Außen
seite der Metallage zumindest bereichsweise
angeordneten Beschichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein Perfluorcopolymer
enthält.
2. Dichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein
Perfluorcopolymer aus einem perfluorierten Alkan
und einen perfluorierten Vinylether enthält.
3. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung ein Perfluorcopolymer aus
Tetrafluorethylen und einem perfluorierten
Vinylether enthält.
4. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung ein Perfluorcopolymer aus einem
perfluorierten Alkan und perfluorierten Methyl-,
Ethyl-, Propyl- und/oder Butylvinylether
enthält.
5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein
Perfluorcopolymer mit der Formel
enthält, wobei n, m, r ganze Zahlen, und n und m 5000 bis 300000, bevorzugt 80000 bis 150000, und r 1 bis 5 sind.
enthält, wobei n, m, r ganze Zahlen, und n und m 5000 bis 300000, bevorzugt 80000 bis 150000, und r 1 bis 5 sind.
6. Dichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein
Perfluorcopolymer mit der Formel
und/oder ein Perfluorcopolymer mit der Formel
enthält und m und n die vorstehend angegebene Bedeutung besitzen.
und/oder ein Perfluorcopolymer mit der Formel
enthält und m und n die vorstehend angegebene Bedeutung besitzen.
7. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung weitere Zuschlagstoffe,
vorteilhafterweise Füllstoffe, beipielsweise
Metallpulver und/oder MoS2, Farbstoffe und/oder
Weichmacher, enthält.
8. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung einseitig oder mehrseitig auf den
Träger aufgebracht ist.
9. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung ganzflächig auf den Träger
aufgebracht ist.
10. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung eine Dicke von 10 µm bis 200 µm
aufweist.
11. Dichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung
eine Dicke von 50 µm bis 150 µm aufweist.
12. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichtung gesickt ist.
13. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Träger und der Beschichtung zumindest
bereichsweise mindestens eine erste weitere
Schicht angeordnet ist.
14. Dichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste weitere
Schicht eine Primerschicht, eine Kleberschicht
und/oder eine Haftvermittlerschicht ist.
15. Dichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
Beschichtung zumindest bereichsweise mindestens
eine zweite weitere Schicht angeordnet ist.
16. Dichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite weitere
Oberschicht Antihafteigenschaften oder
Klebeeigenschaften aufweist.
17. Beschichtungsmaterial für einen Dichtungsträger,
enthaltend ein Perfluorcopolymer.
18. Beschichtungsmaterial nach dem vorhergehenden
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es ein
Perfluorcopolymer aus einem perfluorierten Alkan
und einen perfluorierten Vinylether enthält.
19. Beschichtungsmaterial nach einem der beiden vor
hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein Perfluorcopolymer aus
Tetrafluorethylen und einem perfluorierten
Vinylether enthält.
20. Beschichtungsmaterial nach einem der drei vor
hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein Perfluorcopolymer aus einem
perfluorierten Alkan und perfluorierten Methyl-,
Ethyl-, Propyl- und/oder Butylvinylether
enthält.
21. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß es ein Perfluorcopolymer mit
der Formel
enthält, wobei n, m, r ganze Zahlen sind, und n, m und r wie im Anspruch 5 definiert sind.
enthält, wobei n, m, r ganze Zahlen sind, und n, m und r wie im Anspruch 5 definiert sind.
22. Beschichtungsmaterial nach dem vorhergehenden
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung ein Perfluorcopolymer mit der Formel
und/oder ein Perfluorcopolymer mit der Formel
enthält, und m und n wie im Anspruch 6 definiert sind.
und/oder ein Perfluorcopolymer mit der Formel
enthält, und m und n wie im Anspruch 6 definiert sind.
23. Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche
17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es
weitere Zuschlagstoffe, vorteilhafterweise
Füllstoffe, beipielsweise Metallpulver und/oder
MoS2, Farbstoffe und/oder Weichmacher, enthält.
24. Verwendung von Dichtungen nach einem der
Ansprüche 1 bis 16 und/oder von
Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche
17 bis 23 zur Herstellung von Dichtungen für
Brennräume von Brennkraftmaschinen wie
Zylinderkopfdichtungen in Einlagen- oder
Mehrlagenaufbau.
25. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei auf eine
Metallage als Träger eine Beschichtung
aufgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den Träger ein Beschichtungsmaterial
nach einem der Ansprüche 17 bis 23 als Pulver
und/oder über einen Primer aufgetragen wird.
26. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß dem
Perfluorcopolymer die Zuschlagstoffe
zugegebenen, in einem Extruder gemischt, das
erhaltene Beschichtungsmaterial vermahlen und
anschließend auf den Träger aufgebracht wird.
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