DE3143874C2

DE3143874C2 - Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes mit einer Beschichtung aus Hartstoff

Info

Publication number: DE3143874C2
Application number: DE19813143874
Authority: DE
Inventors: Winfried 7240 Horb Heinzel
Original assignee: PTG Plasma Oberflaechentechnik GmbH
Current assignee: Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Priority date: 1981-11-05
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1988-12-22
Also published as: EP0079007B1; DE3143874A1; EP0079007A1

Abstract

Ein Verfahren zum Versiegeln einer im Plasmasprühverfahren auf einem Werkstück aufgebrachten porösen Beschichtung aus Hartstoff, wie Aluminiumoxid, Wolframkarbid, Chrom, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit einem flüssigen vernetzbaren Kunststoff oder Lack getränkt wird, und die Kunststoff- bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen weisenden Bereich durch Bestrahlung mit Elektronen vernetzt wird, Dadurch kann in der porösen Schicht eine geschlossene Schicht des Kunststoffes oder Lacks hergestellt werden, die den Zutritt von aggressiven Stoffen zum Werkstück verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes, bei dem das Werkstück mit einer Beschichtung aus Hartstoff versehen wird, wenigstens ein Teil der Beschichtung mit einem flüssigen, vernetzbaren Kunststoff versehen ist und der Kunststoff durch Bestrahlen mit Elektronen vernetzt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-Z-Industrie-Lackier-Betrieb, 48, Heft 10, Seite 366 (1980) bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird vorgeschlagen, eine Elektronenstrahlvernetzung bei Bindemitteln, beispielsweise Phenolharzen, in der Schleifmittelindustrie zu verwenden. Bei dem bekannten Verfahren wird demnach die Beschichtung des Werkstückes zunächst in der Weise bewirkt, daß ein in körniger Form vorliegendes Schleifmittel mit dem Kunststoff-Bindemittel vermengt und auf das Werkstück aufgetragen wird. Der mechanische Zusammenhalt der Schicht wird in diesem Verfahrensstadium daher durch das Kunststoff-Bindemittel bewirkt. Durch die Anwendung der Elektronenstrahlvernetzung wird das Bindemittel dann ausgehärtet, wodurch die Beschichtung ihre endgültige mechanische Stabilität erhält. Das bekannte Verfahren ist demnach nur bei solchen Anwendungen einsetzbar, bei denen der Hartstoff in körniger Form vorliegt und nach Vermengung mit einem Kunststoff-Bindemittel eine in einem Zwischenstadium feste mechanische Schicht bildet

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine bereits vorhandene, mechanisch hochfeste, jedoch poröse Schicht, mit Hilfe eines Kunststoffes versiegelt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

to daß das Werkstück zunächst im Plasmasprühverfahren mit der porösen Beschichtung aus Hartstoff, wie Aluminiumoxid, Wolframkarbid oder Chrom versehen, anschließend die poröse Beschichtung mit dem Kunststoff oder einem Lack getränkt und schließlich die Kunst stoff- bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen weisenden Bereich durch das Bestrahlen mit Elektronen vernetzt wird.

Es ist bekannt, metallische Gegenstände, die jine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb aufweisen müssen, im Plasmasprühverfahren mit einer Beschichtung aus einem Hartstoff zu versehen, wobei als Hartstoffe u. a. geeignete Metalle, Oxide und Carbide in Frage kommen. Das Beschichtungsmaterial wird der Plasmasprühdüse in Form eines Pulvers zugeführt, im Plas- mastrahl an der Oberfläche der einzelnen Körner geschmolzen und gelangt so zu der zu beschichtenden Oberfläche, wo der Hartstoff einen mehr oder weniger porösen Oberzug bildet. Die in dieser Beschichtung enthaltenen Hohlräume sind im allgemeinen zu einem mehr oder weniger großen Teil Kapillaren. Während die Widerstandsfähigkeit metallischer Körper, die in dieser Weise beschichtet worden sind, gegen rein mechanische Abnutzung in der Regel gut ist, ist die Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe häufig ungenügend, denn es können durch die Hohlräume der Beschichtung beispielsweise Säuren bis zu dem metallischen Körper gelangen, diesen angreifen und dadurch ein Ablösen der

Beschichtung verursachen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Hohl-

räume in der Beschichtung zu schließen, so daß chemisch aggressive Stoffe nicht bis zur Oberfläche des metallischen Körpers gelangen können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Beschichtung mit einem flüssigen vernetzbaren Kunststoff oder Lack getränkt wird und daß diese Kunststoffschicht bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen weisenden Bereich durch Bestrahlung mit Elektronen vernetzt wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß innerhalb

der porösen Beschichtung eine vollkommen geschlossene Schicht des vernetzten Kunststoffs oder Lacks geschalten wird, die den Zutritt von Säuren oder sonstigen aggressiven Stoffen zur Oberfläche des metallischen Körpers bei geeigneter Auswahl des Kunststoffes mit Sicherheit verhindert. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, daß die Kunststoff- oder Lackschicht, die im folgenden der Einfachheit halber lediglich als Kunststoffschicht bezeichnet wird, in ihrer vollen Tiefe vernetzt wird, sondern es genügt, wenn das Vernetzen Ie- diglich in einem äußeren Bereich erfolgt. Von Vorteil ist bei der Erfindung weiterhin, daß das Vernetzen mittels Elektronenbestrahlung sehr schnell erfolgen kann, bei Vorhandensein geeigneter Anlagen beispielsweise in wenigen Sekunden oder allenfalls wenigen Minuten, und daß eine merkliche Erwärmung der Kunststoffschicht und somit des die Beschichtung tragenden Körpers infolge der Elektronenbestrahlung nicht erfolgt. Es können daher auch gegen Temperaturerhöhungen emp-

findliche Körper mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden. Wenn vorgesehen ist, den Körper nach dem Vernetzen einer Bearbeitung zu unterziehen, beispielsweise die beschichtete Oberfläche zu schleifen, so wird die Vernetzung so durchgeführt, daß s die Vernetzung in der aufgebrachten Kunststoffschicht zumindest so tief reicht, daß bei der nachfolgenden Bearbeitung keine noch nicht vernetzten Bereiche der Kunststoffschicht erreicht werden. Da zumindest der äußere Bereich der Kunststoffschicht in äußerst kurzer ι ο Zeit vernetzt und somit trocken ist, können die beschichteten Körper unmittelbar nach der Elektronenbsstrahlung weiter bearbeitet werden. Je nach der Art des beschichteten Gegenstands mag es dann ausreichend sein, wenn in der Tiefe vorhandene, noch nicht vernetzte Bereiche des Kunststoffs unter dem Einfluß einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur im Lauf der folgenden Tage oder Wochen noch vollständig vernetzen.

Für den beabsichtigten Korrosionsschutz der metallischen Oberfläche ^es beschichteten Körpers ist es nicht unbedingt erfordtjlich. daß der Kunststoff überall bis zur metallischen Oberfläche vordringt.

Da es jedoch für viele Fälle vorteilhaft ist, wenn die Kunststoffschicht möglichst tief in die poröse Beschichtung eindringt, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Körper vor dem Aufbringen des flüssigen Kunststoffes atif etwa 80° C erwärmt wird, und daß der Kunststoff anschließend auf den erwärmten Körper aufgebracht, insbesondere aufgesprüht wird. Durch das Erwärmen auf die verhältnis- mäßig niedrige Temperatur von beispielsweise 80° C, die auch von empfindlichen Körpern ohne Gefahr ausgehalten wird, wird die in den Hohi.-äumen der Hartstoffbeschichtung enthaltene Luft zu einem großen Teil ausgetrieben und es wird daher das Eil.jringen des flüssigen Kunststoffs bis in die Tiefe der porösen Schicht erleichtert Der Kunststoff wird dabei aufgebracht, solange der Körper noch warm ist, so daß der flüssige Kunststoff bei der Abkühlung der in den Poren noch enthaltenen Luft in tiefere Bereiche der porösen Schicht eindringen kann. Durch Aufsprühen kann die Menge des aufgebrachten flüssigen Kunststoffs* besonders einfach den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Vorteilhaft ist es, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen flüssigen Kunststoff geringer Viskosität zu verwenden, vorzugsweise einen Kunststoff, der flüssiger als Wasser ist Dadurch wird das Eindringen des Kunststoffs in die Hohlräume der Hartstoffbeschichtung erleichtert

Bei Ausführungsformen der Erfindung wird das Verfahren so angewandt daß lediglich eine einzige Kunststoffbeschichtung vorgesehen wird, die dann im allgemeinen die gesamte Dicke der Hartstoffbeschichtung einnimmt Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die poröse Beschich- tung zunächst nur in ihrem dem metallischen Körper benachbarten Bereich getränkt wird, und daß nach dem Aushärten durch Elektronenbestrahlung der Körper wiederum mit einem Kunststoff getränkt wird, der ebenfalls durch Elektronenbestrahlung vernetzt wird. Es kann hierbei bei Ausführungsformen der Erfindung der gleiche Kunststoff verwendet sein, wenn in besonderen Fällen beispielsweise eine gewünschte Vernetzung bis in relativ große Tiefe nicht in einem einzigen Bestrahlungsvorgang erfolgen kann, weil die Kunst-Stoffschicht hierzu zu dick ist; bei anderen Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch unterschiedliche Kunststoffe verwendet. Insbesondere kann die äußere Kunststoffschicht so gewählt sein, daß sich ein besonders niedriger Reibungskoeffizient des Körpers ergibt; die äußere fertig vernetzte Kunststoffschicht kann in diesem Falle insbesondere Polytetrafluoräthylen sein.

Bei ebenen Werkstücken kann das Eindringen des Kunststoffes nur in den dem metallischen Körper benachbarten Bereich der porösen Beschichtung dadurch bewirkt werden, daß auf die poröse Schicht nur eine beschränkte zur Füllung der dem metallischen KCrper benachbarten Kapillaren erforderliche Menge Kunststoff aufgebracht wird, der dann durch entsprechende Erwärmung in Folge der Schwerkraft nach unten sikkert, wobei wegen der begrenzten Menge des flüssigen Kunststoff die oberen Bereiche vom Kunststoff wieder fre? werden und nach dem Aushärten des eingebrachten Kunststoffes mit einem anderen Kunststoff gefüllt werden können. Wo ein derartiges Verfahren nicht möglich iss, kann die ganze Beschichtung mit einem bestimmten Kunststoff angefüllt werden und das Werkstück auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der flüssige Kunststoff aus dem oberflächennahen Bereich verdampft wobei dann bei dieser Temperatur bereits eine Aushärtung des verbleibenden Kunststoffes erfolgen kann. In den durch Verdampfung des Kunststoffes frei gewordenen Bereich der porösen Schicht kann dann ein anderer Kunststoff eingebracht und durch Elektronenbestrahlung ausgehärtet werden. Um die Verdampfung des Kunststoffes an der Oberfläche zu erreichen, kann die Erwärmung so vorgenommen werden, daß sich dieser an der Oberfläche befindliche Bereich der Schicht stärker erwärmt als der dem metallischen Korper benachbarten Bereich der porösen Schicht

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt noch in folgendem: Muß ein mit Hartstoff beschichteter Körper, beispielsweise ein Zylinder einer Druckmaschine, zur Erzielung einer ausreichend glatten Oberfläche geschliffen werden, so werden häufig ganze Körner des Beschichtungsstoffs aus der Beschichtung gerissen, so daß ein bestimmtes Maß der Rauhtiefe nic>t unterschritten werden kann. 1st der Körper dagegen mit der erfindungsgemäßen Versiegelung versehen, so hält die vernetzte Kunststoffschicht insbesondere dann, wenn sie bis in größere Tiefen der Beschichtung reicht die Körner der Hartstoffbeschichtung fest, so daß beim Schleifvorgang einzelne zu weit nach außen ragende Körner teilweise abgetragen werden, wie dies erwünscht ist aber nicht vollständig aus der Beschichtung herausgerissen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Ein metallischer Körper, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Druckzylinder einer Druckmaschine handelt und der aus Stahl besteht und Abmessungen von 180 cm Länge und 85 cm Durchmesser aufweist wird im Plasmasprühverfahren mit einer Schicht aus Wolframkarbid überzogen. Diese Beschichtung hat eine Dicke von etwa 100 μπι. Das Plasmasprühverfahren oder, wie es auch genannt wird, Plasmaspritzen, und die hierfür erforderlichen Vorrichtungen sind bekannt Dabei wird ein Gas einem Lichtbogen-Plasmabrenner zugeführt und in dem Lichtbogen je nach Art des Gases dissoziiert und ionisiert. Kurz vor dem Düsenaustritt wird dem unter hoher Geschwindigkeit ausströmenden Plasma das pulverisierte Spritzgut, also der Hartstoff, mit Hilfe eines Trägergases zugeführt. Als Plasmagas wird häufig Argon verwendet.

Anschließend wird der mit der Hartstoffbeschichtung versehene Körper so erwärmt, daß die Temperatur des

Körpers von innen nach außen etwas abnimmt Die Erwärmung bewirkt, daß die in den Poren der Oberflächenschicht enthaltene Luft großenteils entweicht Hierauf wird der beschichtete Körper mit einem flüssigen Kunststoff besprüht, der unten näher angegeben ist Dieser Kunststoff zieht, zumindest teilweise auch infolge von Kapillarwirkung, in die Poren der Beschichtung ein, nicht zuletzt deshalb, weil der flüssige Kunststoff unter weiterer Verflüssigung in die wärmeren Bereiche der Beschichtung, also nach innen, vordringt ι ο

Das Besprühen erfolgt unmittelbar nach dem Erwärmen des Werkstücks auf etwa 80° C, damit die aus den Poren der Beschichtung ausgetretene Luft nicht inzwischen wieder eindringt

Anschließend an das Besprühen wird das Werkstück durch Elektronen bestrahlt Eine für eine derartige Bestrahlung geeignete im Handel befindliche Anlage erzeugt Elektronen mit einer Energie von 150 keV, dabei kann der zu bestrahlende Körper sich an der freien Atmosphäre befinden und wird lediglich zum Fernhaiten des Sauerstoffs der Luft in dem Bereich, in dem die Elektronen auf den Körper auftrcffen, mit einem geeigneten Inertgas gespült Als Inertgas komm:, beispielsweise Stickstoff in Frage. Von der genannten Anlage gibt es mehrere Ausführungsformen, die sich in der Breite des erzeugten Elektronenstrahls unterscheiden. Bei einer derartigen Anlage beträgt die Leistung des zum Bestrahlen zur Verfugung stehenden Elektronenstrahls 7,5 KW.

Es ist an sich nicht erforderlich, daß die gesamte Hart-Stoffschicht von dem Elektronenstrahl durchdrungen wird, es genügt vielmehr, wenn die vom Elektronenstrahl durchdrungene Schicht so tief ist daß sie bei einer nachfolgenden Bearbeitung nicht ganz abgetragen wird, so daß auch nach einer nachfolgenden Bearbeitung die Oberfläche des Werkstücks mit ausgehärtetem Kunststoff bedeckt ist Der unterhalb dieser ausgehärteten Kunststoffschicht befindliche Kunststoff härtet dann im Laufe der Zeit aus, beispielweise innerhalb von etwa 2 bis 10 Wochen.

Die Vers.^gelung durch den mittels Elektronenbeschuß vernetzten oder ausgehärteten Kunststoff ist außerordentlich wirksam. Eine unversiegelte, im Plasmaspritzverfahren aufgebrachte Schicht wird beispielsweise bei einem einzigen Arbeitsgang durch Sandstrahlen mit Korund entfernt. Ist eine erfindungsgemäße ausgehärtete Künststoffschicht in die Hartstoffschicht eingebracht, so sind zum Entfernen dieser kombinierten Schicht etwa sechs derartige Sandstrahlvorgänge erforderlich.

Durch die vernetzte Kunststoffschicht ist es erstmals möglich. Werkstücke mit im Plasmasprühverfahren vergüteten Oi/erflächen im chemischen Bereich zu verwenden, wo ohne Vorhandensein der gehärteten Kunststoffschicht die Hartstoffbeschichtung durch Korrosion des diese Schicht tragenden Metallkörpers Schaden nehmen würde. Eine Tränkung der Hartstoffschicht mit einem nicht ausgehärteten Kunststoff könnte dagegen die Korrosion des Metallkörpers nicht mit Sicherheit verhindern.

Wollte man die in die Hartstoffschicht eingebrachte flüssige Kunststoffschicht durch Anwendung erhöhter Temperaturen innerhalb relativ kurzer Zeit vernetzen, so müßten hierfür Temperaturen zwischen 130°C und 250°C, je nach der Art des verwendeten Kunststoffs, angewendet werden

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Elektronenbestrahlune trotz der üdrch die einzelnen Partikel der Hartstoffschicht zu erwartenden Abschattung eine wirkungsvolle schnelle Aushärtung der Kunststoffschicht bewirkt. Dabei kann eine Aushärtung bis in eine Tiefe von 300 μπι erzielt werden. Demgegenüber sind bei vielen Anwendungen die Hartstoffschichten nur etwa 100 μπι dick, so daß in einem einzigen Bestrahlungsgang die Kunststoffschicht vollständig ausgehärtet werden kann.

Zur Zeit wird als günstig die Verwendung eines hochmolekularen Kunststoffes angesehen, der auf der Basis von Polyethylenglykol/Dimethacrylat unter Beimengung von aliphatischen Kohlenwasserstoffen aufgebaut ist und der die üblichen Zusätze von Weichmacher Polymer-Verdicker, Peroxid, Toluidin, Saccharin, Füllstoffen, Pigmenten, Stabilisatoren und dergleichen enthält

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes, bei dem das Werkstück mit einer Beschichtung aus Hartstoff versehen wird, wenigstens ein Teil der Beschichtung mit einem flüssigen, vernetzbaren Kunststoff versehen ist, und der Kunststoff durch Bestrahlen mit Elektronen vernetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zunächst im Plasmasprühverfahren mit der porösen Beschichtung aus Hartstoff, wie Aluminiumoxid, Wolframkarbid oder Chrom, versehen, anschließend die poröse Beschichtung mit dem Kunststoff oder einem Lack getränkt und schließlich die Kunststoff- bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen weisenden Bereich durch das Bestrahlen mit Elektronen vernetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor dem Aufbringen des flüssigen Kunststoffs oder Lacks auf 80⁰C erwärmt wird, und daß der Kunststoff bzw. Lack auf das erwärmte Werkstück aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff auf die Beschichtung aufgesprüht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoff oder Lack geringer Viskosität verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des flüssigen Kunststoffs oder Lacks derart bemessen ist, daß die poröse Beschichtung nur in ihren ut.teien Bereichen getränkt wird, und daß nach dem Vernetzen dieser Kunststoffschicht das Werkstück wiederum mit einem flüssigen Kunststoff oder Lack getränkt wird, der ebenfalls durch Elektronenbestrahlung vernetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Kunststoffe bzw. Lakke für die unterschiedlichen Tränkungsvorgänge verwendet werden.