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" Verfahren zum Oberflächenbeschichten von fadenführenden
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Bauteilen und durch das Verfahren hergestellte fadenführende Bauteile
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Oberflächenbeschichten von fadenführenden
Bauteilen wie von Galetten, Streckstiften, von Streckeinrichtungen für die Herstellung
hochpolymerer, verstreckter Spinnfäden.
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Hochpolymere Spinnfäden erhalten ihre endgüitigen Eigenschaften erst
durch einen Streckprozeß, durch den der Faden bzw. das Fadenkabel unter Molekülorientierung
auf ein Vielfaches seiner ursprünglichen Länge plastisch gedehnt wird. Ubliche Streckgrade
liegen zwischen > 1 und 4. Die Verstreckung findet dabei üblicherweise auf oder
zwischen mit Verlegerollen ausgerüsteten Walzen oder Walzenpaaren statt, die von
den Fäden mehrfach umschlungen werden, wobei das Verhältnis der Unterschiede der
Umfangsgeschwindigkeiten zueinander das Verstreckverhältnis bestimmt. Die betreffenden
Walzen werden auch regelmäßig als Galetten bezeichnet. Die räumliche Lage der Streckpunkte
wird dabei bevorzugt festgelegt, und zwar entweder auf besonderen Galetten oder
Streckstiften, relativ zu welchen die Fäden Gleitbewegungen ausführen. Die betreffenden
Galetten und/oder Streckstifte haben dabei fadenführende Eigenschaften. Die Gleitbewegung
führt sowohl zu einer Beeinflußung der Oberflächen der fadenführenden Bauteile als
auch der Fäden selbst.
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So ist es bereits bekannt, fadenführende Bauteile mit Oberflächen
beschichtungen aus Hartchrom, Nickel oder rein keramischen
Werkstoffen
auszuführen. In dem zuletzt genannten Fall bestehen die Oberflächenschichten beispielsweise
aus einem Gemisch aus Aluminiumoxid und Titandioxid, welches durch Plasmaspritzen
aufgetragen wird. Es ist auch bereits bekannt, Hartchromschichten auf Galetten durch
Sandstrahlen aufzurauhen.
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Je nach der Beschaffenheit der Oberflächenschichten zeigen sich in
den Laufeigenschaften erhebliche Unterschiede. Als Kriterien sind hierbei Anzahl
und Umfang folgender Vorgänge zu werten: Fadenbrüche bzw. Kabelbrüche, Kapillarbrüche,
Schlingenbildung, Wickelbildung und Fadenhaftung Da hierbei die Oberflächenbeschaffenheit
der fadenführenden Bauteile eine besondere Rolle spielt, wurden zur Beurteilung
der Oberflächenstruktur die Rauhtiefe gemessen und Reibungskoeffizienten mittels
der hierfür üblichen Meßmethoden bestimmt.
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Zur Messung der Rauhtiefe wurde das Meßgerät 1Perth-O-METER", Typ
Universal 34bd/4 eingesetzt, bei dem es sich um ein elektronisches Oberflächenmeßgeräthandelt,
zu handelt, das zur Kategorie der Tastschnittgeräte zählt. Hierbei wird das Oberflächenprofil
durch eine Tastspitze mechanisch abgetastet und die Tastspitzenbewegung über einen
elektro-mechanischen Wandler in die Beschriftung eines Schreibstreifens umgesetzt.
Die Tastspitze besteht dabei aus einer Diamantnadel mit einem Spitzenradius von
etwa 10 Mikrometer.
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Durch Messungen wurde festgestellt, daß eine hochglanzpolierte Hartchromoberfläche
eine Rauhtiefe von 0,5 jj besaß.
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Da bei einer geringen Rauhtiefe zu erwarten ist, daß der Faden über
seine gesamte Breite eine große Auflagefläche auf der Galettenoverfläche hat, ergab
sich zwangsläufig eine hohe Haftreibung bzw. eine große Gleitreibung.
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Wird eine Hartchromschicht sandgestrahlt, so erhöht sich die Rauhtiefe
auf etwa 9 Mikrometer. Zusätzlich treten in unregelmäßigen Abständen verstärkt positive
sowie negative Spitzen in Erscheinung, wobei die positiven Spitzen von größerer
Bedeutung sind. So wurden beispielsweise maximale Spitzenhöhen von ca. 5 Mikrometer
gemessen, so daß bei einem Kapillardurchmesser der Fäden von ca. 30 Mikrometer eine
Beschädigung oder Deformierung der Kapillaren nicht ausgeschlossen werden kann.
Die gemessenen Gleitreibungswerte sind von der Fadenabzugsgeschwindigkeit v abhängig.
Sie belaufen sich bei v = 1 m/min auf f = 0,123; bei v = 25'm/min auf f - 0,166
und bei v = 100 m/min auf f = 0,227.-Eine große Rauhtiefe hat einen niedrigen Reibungsbeiwert
zur Folge, was mit der gringen Oberflächenberührung zu erklären ist, die der Faden
erfährt.
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Bei einer Galette, die mit einer chemisch abgeschiedenen Nickelschicht
versehen war, ergab die Rauhtiefenmessung einen Wert von 5 bis 6 Mikrometer. Dabei
zeigten sich positive und negative
Spitzen, von denen die positiven
Spitzen eine Maximalhöhe von etwa 2 Mikrometer aufwiesen. Die Reibungsbeiwerte lagen
zwischen f = 0,21dabei v = 1 m/min und f = 0,257 bei v = 1C0 mlmin.
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Das Plasmaspritzen ist ein bei der Oberflächenbeschichtung von Werkstoffen
häufig angewandtes Beschichtungsverfahren.
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Hierzu wird in der Regel ein sogenannter Plasmabrenner verwendet,
bei dem ein Lichtbogen entweder zwischen einer zentralen Elektrode und einer Ringelektrode
gezogen wird, oder zwischen einer zentralen Elektrode und dem Werkstück.
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Durch Einspeisen pulverförmiger Beschichtungswerkstoffe mittels eines
geeigneten zur Plasmabildung beitragenden Gases werden feinste Tröpfchen des Beschichtungsmaterials
erzeugt und auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt, wo sie unter Wärmeabfuhr
an das Werkstück zu einer Oberflächenschicht erstarren.
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Rauhtiefenmessungen an durch Plasmaspritzen hergestellten Oberflächenschichten
aus rein keramischen Werkstoffen haben zu Rauhtiefen von 4,5 bis 5 Mikrometer geführt.
Die Zahl positiver Spitzen ist gering und bewegt sich in einer Größenordnung, die
vernachlässigbar ist.
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Bei sämtlichen bekannten Oberflächenschichten wurden nachteilige Wechselwirkungen
zwischen den Schichten und den Fäden festgestellt. So ruft beispielsweise ein Faden,
der über eine hartverchromte Galette oder einen hartverchromten Streckstift läuft,
eine ständige Oberflächenveränderung hervor, wodurch sich zwangsläufig Fadenspannung
und Fadenlaufeigenschaften ändern.
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Es wurden an einem Streckstift bereits deutlich sichtbare
Oberflächenveränderungen
festgestellt, nachdem 10.000 m Fadenmaterial über ihn gelaufen waren. Bei einer
durch Sandstrahlen aufgerauhten Hartchromoberfläche zeigten sich Kapillarbeschädigungen
an den Kontaktflächen durch Adhsionskräfte.
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Bessere Eigenschaften zeigte die chemisch abgeschiedene Oberflächenschicht
aus Nickel, jedoch nur beim Einsatz für Fixier- und Auslaufgaletten. Bei Verwendung
einer solchen Oberflächenschicht für Streck- und Reibgaletten konnten hingegen keine
zufriedenstellenden Ergebnisse erreicht werden.
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Die Standzeit war entsprechend gering, da sich bereits nach kurzer
Zeit deutliche Schleifspuren zeigten.
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Noch relativ günstig hat sich das Verhalten der durch Plasmaspritzen
aufgebrachten Keramikschicht gezeigt. Diese Schicht wirkt offensichtlich reibungsmindernd
und gewährleistet einen guter Fadenlauf. Kapillarbrüche und -beschädigungen wurden
ebenfalls nicil beobachtet, solange die betreffenden Galetten als Fixier-oder Auslaufgaletten
verwendet wurden. Beim Einsatz im Spinn-Streck-Prozeß als Streck- bzw. als Fixiergaletten
konnte hingegen kein zufriedenstellender Lauf erzielt werden.
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Als weiteres Kriterium für die Beurteilung der Oberflächeneigenschaften
sind noch die Auswirkungen auf die statische elektrische Aufladung der Fäden bzw.
Fadenkabel zu berücksichtigen. Zur Untersuchung des Einflusses wurde eine Meßapparatur
verwendet, die nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Das elektrostatische Verhalten von Synthesefasern ist von
großer
Bedeutung für alle Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse. Die Ursachen und Folgen
einer elektrostatischen Aufladung sind dabei sehr komplexer Natur, wobei jedoch
gesagt werden kann, daß eine möglichst geringe -elektrostatische Aufladung der Fäden
anzustreben ist.
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Bei Versuchen mit den bekannten Oberflächenschichten wurde festgestellt,
daß bei Verwendung reiner Oxidschichten elektrische Spannungen zwischen 560 und
1.100 V/cm auftraten. Selbst bei Verwendung einer Oberflächenschicht aus chemisch
niedergeschlagenem Nickel wurden noch Spannungen zwischen 530 und 730 V/cm gemessen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Oberflächenbeschichten anzugeben, das bei fadenführenden Bauteilen zu Schichten
mit Oberflächeneigenschaften führt, die eine möglichst geringe Zahl von Fadenbrüchen,
Kapillarbrüchen, Schlingen und Wickeln zur Folge hat und zu einer geringen Fadenhaftung
in Verbindung mit einer geringen elektrostatischen Aufladung führt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs; beschriebenen
Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man die Oberfläche der faden führenden Bauteile
durch Spritzen aus der flüssigen Phase mit einem Überzug aus einem Gemisch Metall/
Keramik mit 50 bis 90 % Keramikanteilen überzieht.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man auf die Oberfläche ein
Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromkarbid als Keramikanteil aufspritzt.
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Dabei ist es wiederum von besonderem Vorteil, wenn man auf die
Oberfläche
ein Gemisch aus 10 bis 30 eO einer Nickel-Chrom-LegierurlE mit 50 bis 90 Oo Nickelanteil,
Rest Chromkarbid, aufgespritzt.
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Optimale Verhältnisse haben sich dadurch eingestellt, daß man auf
die Oberfläche ein Gemisch aus 20 t einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung und 80 Oo
Cr2C3 aufspritzt.
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Sämtliche Prozentangaben sind Gewichtsprozente.
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Im Hinblick auf die anzuwendende Beschichtungstechnologie ist es von
ganz besonderem Vo-rteil, wenn man das Ausgangsmaterial der Oberflächenschicht durch
die'an sich bekannten Verfahren des Plasmaspritzens oder der Detonationsbeschichtung
aufbringt.
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Das Plasmaspritzen ist eine bereits weit verbreitete Beschichtungs
technologie, während das Detonationsverfahren erst in letzter Zeit eine zunehmende
Verbreitung gefunden hat. Bei dem zuletzt genannten Verfahren wird zur Beschichtung
eine Detonationskanone verwendet, die im wesentlichen aus einer rohrförmig verlängerten
Reaktionskammer besteht, die Geschütz-ähnlich aus einem Steuerblock für Gase, Werkstoffpulver
und Elektronik herausragt. Genau dosierte Gemische von Sauerstoff, Acetylen und
pulverisiertem Spritzwerkstoff werden in der Reaktionskammer durch einen elektrischen
Zündfunken zur Detonation gebracht. Der so erzeugte heiße Gas stahl schmilzt die
Materialpärtikel leicht' an und beschleunigt sie in der rohrförmigen Austrittsöffnung
auf eine Geschwindigkeit von > 800 m/sec. Beim Auftreffen dieser mit Uberschallge
schwindigkeit in die Werkstoffoberfläche einschlagendet Partikel tritt eine Mikroverschweißung
ein, die zu einer zähen Verbindung mit dem Grundstoff führt. Dadurch werden extrem
verschleiR£-este Schichten von überdurchschnittlicher Haftfestigkeit und Dichte
erzeugt.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Oberflächenschicht hat eine Struktur,
bei deren Oberfläche es sich um eine punktförmige, gewellte Oberfläche handelt,
die man auch als Runzeln oder Orangenhaut bezeichnen kann. Der Reibungskoeffizient
beim Gleiten eines Fadens auf der betreffenden Oberfläche liegt zwischen f = 0,148
bei v = 1 m/min und f = 0,238 bei v = 100 m/min. Die Rauhtiefe liegt zwischen 21
und 24 Mikrometer. Die betreffenden fadenführenden Bauteile konnten ohne weiteres
als Streck-und Fixiergaletten sowie als Streckstifte eingesetzt werden. Es ergaben
sich keinerlei Faden- oder Kapillarbrüche, Schlingen oder Wickel. Auch eine Fadenhaftung
wurde nicht beobachtet. Die gemessene elektrostatische Aufladung lagen zwischen
330 und 445 V/cm bei Kordfäden ohne Stabilisator und zwischen 380 und 510 V/min
bei Kordfäden mit Stabilisator, wobei gesagt werden muß, daß die Meßwerte in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Präparat ionen (unbekannter Zusammensetzung) Schwankungen
unterlagen. Dies hat jedoch im Hinblick auf die durchgeführten Vergleichsversuche
mit anderen Galettenbeschichtungen, jedoch mit gleichen Präparationen, keinen Einfluß
auf die Aussagekraft der Meßwerte, die beim Erfindungsgegenstand deutlich niedriger
als bei den bekannten Oberflächenbeschichtungen liegen.
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Uber einen erfindungsgemäß beschichteten Streckstift wurden
ca.
100.000 m eines Fadenkabels gezogen, ohne daß Schleifspuren sichtbar wurden.
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Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand der Tabellen I und
II sowie der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
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Die Tabelle I zeigt Versuchsergebnisse, die mit Galetten mit verschiedenen
Oberflächenschichten gewonnen wurden. Die Zahlenwerte sprechen für sich selbst.
Die rein metallische Nickelschicht hat einen Oberflächenwiderstand von 0,075 n/cm,
während die erfindungsgemäße Schicht, die aus 20 % metallischer und 80 % keramischer
Substanz besteht, einen Oberflächenwiderstand von 0,12 /cm aufweist. Damit liegen
die Oberflächenwiderstände der damit beschichteten Galetten in der gleichen Größenordnung.
Uber die metallischen Oberflächen der Galetten können elektrostatische Aufladungen
gut abfliessen.
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Die keramischen Schichten haben Oberflächenwiderstände von 4,4 x 10³
/cm bzw. 5 x 105 Q/cm. Die Oberfläche wirkt als Isolator, so daß elektrostatische
Aufladungen nur'schlecht abgeleitet werden können. Die Tabelle I enthält Versuchsergebnisse,
die im Produktionsmaßstab an einem Streckgaletten-Duo gewonnen wurden.
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Die Tabelle I-I enthält Versuchsergebnisse mit den gleichen Galetten,
die jedoch in einer Versuchsanordnung gemäß Figur 2 betrieben wurden, um vergleichbare
quantitative Aussagen über die elektrostatische Aufladung zu erhalten. Die Versuchsnummern
beziehen sich jeweils auf Spulen mit den gleichen Fäden. In den verschiedenen Versuchen
1 bis 13 wurden sowohl die Präparationen als auch die Additive variiert. Einzelheiten
bezüglich der Präparationen und Additive sind hier von unterge-
ordneter
Bedeutung, da sich in praktisch allen Fällen Vorteile zugunsten der erfindungsgemäßen
Oberflächenschicht zeigen.
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In Figur 1 ist eine Galette 1 dargestellt, die aus einem Grundkörper
2 und einer erfindungsgemäßen Oberflächenschicht 3 besteht.
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In Figur 2 ist die bereits erwähnte Versuchsanordnung zur Bestimmung
der elektrostatischen Aufladung dargestellt. Der zu untersuchende Faden 4 kommt
von einer Spinnspule 5 und läuft zunächst über eine Fadenbremse 6 mit einer eingestellten
Fadenspannung von 0,5 cN/dtex auf die Galette 1 mit einem Umschlingungswinkel von
540 Grad.
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Nach dem Verlassen der Galette 1 wird der Faden 4 über zwei Fadenführer
7 und 8 geführt, die einen definierten und während der Versuche konstant bleibenden
Abstand zu einer Meßsonde 9 aufwiesen. So betrug der Abstand zwischen dem Fadenführer
7 und der Meßsonde 9 70 cm und der Abstand zwischen der Meßsonde 9 und dem Fadenführer
8 10 cm, die gesamte Meßstrecke zwischen den beiden Fadenführern betrug also 80
cm. Der Faden 4 wurde schließlich von einer Abzugseinrichtung 10 aufgenommen, die
eine Fadenabzugsgeschwindigkeit von 100 m/min gewährleistet. Für einen jeden Versuch
betrug die Meßdauer 5 Minuten.
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Die Meßsonde 9 bestand aus einem Alpha-Strahler (Ra) mit einer Aktivität
von ca. 80 n Ci, durch den ein elektrisches Feld erzeugt wurde. Der mit unterschiedlicher
elektrostatischer Aufladung ankommende Faden bewirkte eine Änderung dieses Feldes,
die als Meßergebnis festgehalten wurde (Tabelle II).
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Der Faden wurde dabei in einem Abstand von 1 cm an der Sonde vorbeigeführt.
Das eigentliche Meßfeld war der unmittelbare Bereich einer Oeffnung von 4,5 mm Durchmesser
in der Sonde.
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Die Messung erfolgte kontinuierlich über die gesamte Fadenbreite.
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Tabelle I Versuche mit verschiedenen Galetten-Oberflächen durchgeführt
an einem Streckgaletten-Duo.
| Oberflächenschicht Volle Spulen Kapillarbruch- Oberflächen-
Elektrostati- |
| zählung mit widerstand sche Aufladung |
| Stroboskop |
| (%) (Anzahl/Spulen) (Ohm/cm) qualitativ |
| Nickel, chemisch 40,0 0/4 0,075 keine |
| abgeschieden |
| Keramik 65,0 1,3/4 4,5 x 10³ gering |
| 60% Al2O3 + 40% TiO2 |
| Keramik 45,5 0,5/20 5 x 105 größer als |
| 87% Al2O3 + 13% TiO2 vorangegangene |
| Zeile |
| erfindungsgemäß |
| 20% 80/20-NiCr 67,5 0/4 0,12 keine |
| + 80% Cr3C2 |
Tabelle II Versuche mit verschiedenen Galetten-Oberflächen durchgeführt
an einem Versuchseinrichtung gemäß Fig. 2
| Oberflächenschicht Versuchs-Nr. +) |
| (V/cm) |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
| Nickel, chemisch 400- 450- 400- 600- 700- 600- 500- 700- 400-
400- 480- 230- 250- |
| abgeschieden 600 600 600 800 900 800 700 900 600 600 580 500
300 |
| Keramik 700- 700- 600- 600- 700- 600- 600- 600- 500- 400- 850-
280- 200- |
| 60% Al2O3 + 40% TiO2 900 850 800 900 800 800 800 700 550 950
360 300 |
| Keramik 900- 1000- 900- 800- 1000- 1000- 900- 1000- 800- 700-
800- 220- 120- |
| 87% Al2O3 + 13% TiO2 1100 1200 1100 1000 1300 1200 1100 1200
1000 900 900 280 220 |
| erfindungsgemäß |
| 280- 200- 350- 270- 600- 280- 400- 380- 380- 250- 220- 220-
240- 220- |
| 20% 80/20-NiCr |
| 380 280 450 380 800 370 600 480 450 350 260 280 260 |
| + 80% Cr3C2 |
+) = die Versuchs-Nummern beziehen sich auf Spulen.