DE3210289C2 - Application and development of a manufacturing process for a molded body to be provided with a surface coating on carbon fiber-reinforced carbon bodies - Google Patents

Application and development of a manufacturing process for a molded body to be provided with a surface coating on carbon fiber-reinforced carbon bodies

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Abstract

Zur Herstellung eines Formkörpers aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff mit einem amorphen Kohlenstoffüberzug auf dessen Grundkörper wird zunächst auf einer Formfläche aus einem wenigstens zähflüssigen Gemenge von pulverisiertem Kohlenstoff mit einem härtbaren Bindemittel, insbesondere Kunstharz, eine Schicht gebildet und wird diese bereits nach dem anschließenden Aushärten und/oder nach dem Aufbringen von für die Formung des Grundkörpers mit demselben Bindemittel imprägniertem Kohlefasermaterial und dem Aushärten desselben (bzw. derselben gemeinsam) hiermit vereint mittels Wärme karbonisiert.To produce a molded body made of carbon fiber-reinforced carbon with an amorphous carbon coating on its base body, a layer is first formed on a molded surface from an at least viscous mixture of pulverized carbon with a hardenable binder, in particular synthetic resin, and this is already formed after the subsequent hardening and / or after the application of carbon fiber material impregnated with the same binder for the shaping of the base body and the hardening of the same (or the same together) combined with it carbonized by means of heat.

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung und Ausbildung eines Verfahrens zum Herstellen eines Formkörpers und einen Oberflächenüberzug durch Einbringen als Formkörpermaterial in eine Form, auf deren Formfläche zuvor das Überzugsmittel zu einer mit dem aus dem Formkörpermaterial geformten Grundkörper unmittelbar sich vereinigenden Schicht aufgetragen wird, auf kohlefaserverstärkte Kohlenstoffkörper wie amorphem Kohlenstoffüberzug. Das Aufbringen eines Oberflächenüberzugs aus feuerfesten Massen beispielsweise durch Aufdampfen bei Temperaturen um 1800° C ist bisher nicht ohne Beschädigung (Risse) der Kohlefasern an der Grundkörperoberfläche möglich mit der zwangsläufigen Folge einer unzureichenden Haftung des betreffenden Oberflächenüberzugs. Daher besteht für den einzelnen Formkörper das Bestreben nach einem Grundkörper aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff mit einem festhaftenden amorphen Kohlenstoffüberzug im jeweils zu vergütenden Oberflächenbereich, auf welchen dann der gewünschte Oberflächenüberzug, z. B. aus Siliziumkarbid aufgebracht werden kann. Bisher ist man jedoch bei einem derartigen Kohlenstoffschichtkörper für die Gestaltung des Kohlenstoffüberzugs auf zerspanende Bearbeitungsverfahren angewiesen. So wird beispielsweise ein dünner Kohlenstoffüberzug an der Innenwandung einer zylindrischen Hülse durch Ausfräsen eines Kohlenstoffkerns auf entsprechend geringe Dicke erreicht In dieser Weise haben selbstverständlich Kohlenstoffüberzüge bei Formkörpern komplizierter Gestalt, wie Gehäuseteile von Ventilen, Düsen und Brennkammern, einen beträchtlichen Anteil an den Mas terial- und Arbeitskosten.The invention relates to the application and development of a method for producing a molded body and a surface coating by introducing as a molding material into a mold on the molding surface thereof beforehand, the coating agent to form a base body formed from the molded body material directly unifying layer is applied to carbon fiber reinforced carbon bodies such as amorphous Carbon coating. The application of a surface coating of refractory compounds, for example Vapor deposition at temperatures around 1800 ° C has so far not been without damage (cracks) to the carbon fibers possible on the base body surface with the inevitable consequence of insufficient adhesion of the relevant Surface coating. There is therefore a desire for one for the individual molded body Base body made of carbon fiber reinforced carbon with a firmly adhering amorphous carbon coating in the surface area to be remunerated, on which the desired surface coating, e.g. B. made of silicon carbide can be applied. So far, however, such a carbon laminate has been used Dependent on machining processes for the design of the carbon coating. So For example, a thin carbon coating on the inner wall of a cylindrical sleeve is milled out of a carbon core to a correspondingly small thickness Carbon coatings in molded bodies of complex shape, such as housing parts of valves, nozzles and Combustion chambers, a considerable proportion of the mas material and labor costs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Herstellung eines derartigen mit einem amorphen Kohlenstoffüberzug versehenen kohlefaserverstärkten Kohlenstoff-Formkörpers auf zerspanendes BearbeitenThe invention is therefore based on the object of producing such a device with an amorphous carbon coating provided carbon fiber-reinforced molded carbon body to machining

to verzichten zu können.to be able to do without.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Anwendung des vorgenannten Verfahrens mit der Maßgabe gelöst, daß die Schicht aus einem wenigstens zähflüssigen Gemenge von pulverisiertem Kohlenstoff mit einem härtbaren Bindemittel gebildet und bereits nach dem anschließenden Aushärten gesondert und/oder nach dem Aufbringen von für die Formung des Grundkörpers mit demselben Bindemittel imprägniertem Kohlefasermaterial und dem Aushärten desselben (bzw. derselben gemeinsam) hiermit vereint mittels Wärme karbonisiert wird.According to the invention, this object is achieved by using the aforementioned method with the proviso solved that the layer of an at least viscous mixture of pulverized carbon with a curable binder and formed separately and / or after the subsequent curing after the application of impregnated with the same binder for shaping the base body Carbon fiber material and the hardening of the same (or the same together) herewith combined by means of heat is carbonized.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Anwendung sind in der Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Das angewandte allgemeine, z. B. durch die DE-PS 22 18 320 bekannte. Verfahren wird bisher zur Oberflächenvergütung von Formkörpern aus härtbarem Kunststoff unter dem Kriterium eines besonders innigen, unlösbaren Verbundes zwischen dem Grundkörper des Formkörpers und seinem Oberflächenüberzug verwendet. Die vorliegende Erfindung basiert nun auf der Erkenntnis, daß das für die Herstellung der Schicht auf der Formfläche dem Überzugsmittel »Kohlenstoff« beigemengte Bindemittel unter der zum Karbonisieren zugeführten Wärme ebenso wie das dem Kohlefasermaterial aus Gründen der Formbarkeit zugesetzte Bindemittel verkokt mit entsprechender Anreicherung von Kohlenstoff, wodurch der Grundkörper und Oberflächenüberzug eine innige Verbindung eingehen. Folglich ist der Formkörper bereits nach dem gemeinsamen Karbonisieren des Grundkörpers und Oberflächenüberzugs bereit für eine Imprägnierung mit Silizium im Sinne der angestrebten Umwandlung des Oberflächenüberzugs in Siliziumkarbid. Da für die Gestaltung des Oberflächenüberzugs von keramischen Formgebungsverfahren,Advantageous embodiments of this application are described in claims 2 to 4.
The applied general, e.g. B. from DE-PS 22 18 320 known. Process has hitherto been used for the surface treatment of molded bodies made of curable plastic under the criterion of a particularly intimate, non-detachable bond between the base body of the molded body and its surface coating. The present invention is based on the knowledge that the binding agent added to the coating agent "carbon" for the production of the layer on the molding surface under the heat supplied for carbonization, as well as the binding agent added to the carbon fiber material for reasons of malleability, cokes with a corresponding enrichment of carbon, whereby the base body and surface coating enter into an intimate connection. Consequently, after the joint carbonization of the base body and surface coating, the shaped body is ready for impregnation with silicon in the sense of the desired conversion of the surface coating into silicon carbide. As for the design of the surface coating of ceramic molding processes,

z. B. dem Schlickergießen, Gebrauch gemacht werden kann, ist auch bei komplizierter Geometrie der Oberfläche des Formkörpers eine wirtschaftliche Herstellung sichergestellt. Die Erfindung wird an Hand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.z. B. slip casting, use can be made, is also with a complicated geometry of the surface the molded body ensures economical production. The invention is based on the following Embodiment explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt im Schnitt einen auf einer Form 1 sitzenden Ventildeckel, der aus einem Grundkörper 2 aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff mit einem inneren Oberflächenüberzug 3 aus Kohlenstoff frei von jeglicher Faser besteht. Zur Herstellung des Ventildeckels wird zunächst ein wenigstens zähflüssiges Gemenge des Kohlenstoffs in Pulverform und Kunstharz als Bindemittel, erforderlichenfalls unter Zusatz eines Verdünners, auf der Formfläche 1.1 in der gewünschten (MiIIimeter-)Schichtdicke aufgetragen, vorzugsweise durch Schlickergießen unter Verwendung einer Gipsform 1. Danach wird mit Kunstharz getränktes Kohlefasermaterial zur Formung des Grundkörpers 2 aufgebracht, z. B. mehrere Lagen Kohlefasergewebe-Prepregs. Nach dem gemeinsamen Aushärten des Grundkörpers 2 und Oberflächenüberzugs 3 wird die Form 1 entfernt und der Ventildeckel in einem Glühofen bei etwa 1300°C karbonisiert. Hierbei erst entsteht die angestrebete innige, bindemittelfreie Verbindung zwischen dem Grund-The drawing shows in section a valve cover seated on a mold 1, which consists of a base body 2 made of carbon fiber reinforced carbon with an inner surface coating 3 made of carbon free of any Fiber is made. To produce the valve cover, an at least viscous mixture of the Carbon in powder form and synthetic resin as a binder, if necessary with the addition of a thinner, on the mold surface 1.1 in the desired (millimeter) layer thickness applied, preferably by slip casting using a plaster mold 1. Then carbon fiber material soaked with synthetic resin is applied to form the base body 2, z. B. several layers of carbon fiber fabric prepregs. After the joint hardening of the base body 2 and Surface coating 3, the mold 1 is removed and the valve cover in an annealing furnace at about 1300 ° C carbonized. Only then does the desired intimate, binder-free connection between the basic

körper 2 und Oberflächenüberzug 3 durch Anreichern von Kohlenstoff infolge der Verkokung des Kunstharzes unter Abgabe der flüchtigen Bestandteile desselben und sonstiger Verunreinigungen. Erforderlichenfalls kann auch bereits vor dem Aufbringen des Kohlefasermaterials der Oberflächenüberzug 3 für sich einer Karbonisierung unterzogen werden, wozu dann natürlich eine feuerfeste Stützform für den vorher ausgehärtet von der Gipsform 1 zu entformenden Oberflächenüberzug 3 erforderlich wird. Sofern die Dichte des Oberfiächenüberzugi 3 und auch des Grundkörpers 2 besonders erhöht werden soll, kann natürlich in bekannter Weise ein weiteres Imprägnieren mit solchen Bindemitteln, wie Teer, Pech und Phenolharz, folgen, die bei einem anschließenden erneuten Karbonisieren größere Kohlenstoffanreicherungen ergeben. Abschließend kann nach dem Karbonisieren die Schicht mit dem Grundkörper bei Temperaturen von etwa 24000C graphitiert werden.body 2 and surface coating 3 due to the accumulation of carbon as a result of the coking of the synthetic resin, releasing the volatile constituents of the same and other impurities. If necessary, the surface coating 3 can already be subjected to carbonization before the application of the carbon fiber material, for which purpose a fire-resistant support mold is then of course required for the surface coating 3 to be demolded from the plaster mold 1 after it has been cured beforehand. If the density of the surface coating 3 and also of the base body 2 is to be particularly increased, further impregnation with binders such as tar, pitch and phenolic resin can of course follow in a known manner, which result in greater carbon accumulations during a subsequent renewed carbonization. Finally, after the carbonization, the layer with the base body can be graphitized at temperatures of about 2400 ° C.

Die Umwandlung des Oberflächenüberzu6es 3 in SiIiziumkarbid im Wege eines üblichen Imprägnierverfahrens mit Silizium in der Dampfphase hat, wie sich gezeigt hat, keinerlei schädigende Auswirkungen auf dessen Haftung an dem Grundkörper 2.The conversion of the surface over 6 es 3 into silicon carbide by way of a customary impregnation process with silicon in the vapor phase has, as has been shown, no damaging effects on its adhesion to the base body 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Anwendung eines Verfahrens zum Herstellen eines Formkörpers mit einem Oberflächenüberzug durch Einbringen des Formkörpermaterials in eine Form, auf deren Formfläche zuvor das Oberzugsmittel zu einer mit dem aus dem Formkörpermaterial geformten Grundkörper unmittelbar sich vereinigenden Schicht aufgetragen wird, auf kohlefaserverstärkte Kohlenstoffkörper mit amorphem Kohlenstoffüberzug mit der Maßgabe, daß die Schicht aus einem wenigstens zähflüssigen Gemenge von pulverisiertem Kohlenstoff mit einem härtbaren Bindemittel gebildet und bereits nach dem anschließenden Aushärten gesondert und/oder nach dem Aufbringen von für die Formung des Grundkörpers mit demselben Bindemittel imprägniertem Kohlefasermaterial und dem Aushärten desselben (bzw. derselben gemeinsam) hiermit vereint mittels Wärme karbonisiert wird.1. Application of a method for producing a shaped body with a surface coating by introducing the molded body material into a mold, on the mold surface of which the upper pulling agent has previously been applied to form a unit that directly unites with the base body formed from the molded body material Layer is applied to carbon fiber reinforced carbon bodies with an amorphous carbon coating with the proviso that the layer consists of an at least viscous mixture of pulverized Carbon formed with a hardenable binder and already after the subsequent Curing separately and / or after the application of for the shaping of the base body carbon fiber material impregnated with the same binder and hardening of the same (or the same together) is hereby carbonized by means of heat. 2. Ausbildungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Karbonisieren die Schicht und der Grundkörper mit einem Bindemittel, das bei einem anschließenden Karbonisieren eine größere Kohlenstoffanreicherung ergibt, erneut imprägniert und hiernach erneut karbonisiert werden.2. Form of embodiment according to claim 1, characterized in that after carbonizing the Layer and the base body with a binder, which in a subsequent carbonization results in greater carbon enrichment, re-impregnated and then re-carbonized. 3. Ausbildungsform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Karbonisieren die Schicht mit dem Grundkörper bei Temperaturen von etwa 24000C graphitiert wird.3. Form of embodiment according to claim 1 or 2, characterized in that after the carbonization, the layer with the base body is graphitized at temperatures of about 2400 ° C. 4. Ausbildungsform nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter hoher Temperatur im Imprägnierverfahren mit einer hitzebeständigen Schicht aus Siliziumkarbid auszustattende kohlefaserverstärkte Kohlenstoffkörper behandelt werden.4. Form of embodiment according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that at high temperature in the impregnation process with a heat-resistant layer of silicon carbide Carbon fiber reinforced carbon bodies to be equipped are treated.
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