DE19928601A1 - Dichtung, Beschichtungsmaterial für Dichtungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Dichtung, Beschichtungsmaterial für Dichtungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

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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.
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.
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.
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.
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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