DE3527912C2

DE3527912C2 -

Info

Publication number: DE3527912C2
Application number: DE3527912A
Authority: DE
Inventors: Hinrich Dipl.-Ing. 8906 Gersthofen De Habenicht
Original assignee: Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1985-08-03
Filing date: 1985-08-03
Publication date: 1989-12-21
Also published as: DE3527912A1; CH670796A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer festhaftenden, widerstandsfähigen Oberfläche versehenen, hohlzylindrischen Walzenkörpers aus kohlen stoffaserverstärktem Kunststoff durch Wickeln eines mit einem härtbaren Harz beschichteten Kohlenstoffgarns auf einen zylindrischen Dorn und Härten des Harzes.

Vorteile durch Gewichtsreduzierungen im Maschinen- und Fahrzeugbau können durch Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff erreicht werden. In DE-OS 33 41 368 wird dazu vorgeschlagen, eine aus einem Kunststoffrohr mit metallischen Anschlußelementen bestehende Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen, die neben ausreichender Torsionsfestigkeit auch gute, schwingungsdämpfende Eigenschaften hat. Zur Herstellung einer solchen Antriebswelle werden mit Kunst harz beschichtete Fasern, vorzugsweise Kohlenstoffasern mit bestimmten Orientierungen auf einen die Anschluß elemente tragenden Dorn gewickelt, die Harze unter Einwirkung von Wärme ausgehärtet und der Dorn entfernt. Besonders geeignete Harze für diesen Verwendungszweck sind Polyester-, Epoxid- und Acrylharze.

Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, die durch Ver wendung von leichten Werkstoffen erzielbaren Vorteile beim Betrieb von Transport-, Umlenk-, Andrück-, Farb auftrags- oder Druckwalzen zu nutzen.

Aus Metallen bestehende schnelldrehende Walzen, z.B. für Papier-, Folienveredelungs- und Druckmaschinen, sind wegen ihrer großen Masse erheblichen Fliehkräften ausge setzt, die Antriebskräfte sind vergleichsweise groß und an den Massenausgleich werden hohe Anforderungen gestellt. Andere Nachteile von Metallwalzen sind die starke Be lastung der Lager und des Maschinenrahmens und gegebenen falls auch die nicht genügende Beständigkeit gegen korro sive Medien. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Walzen aus faserverstärktem Kunststoff, ins besondere aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff zu verwenden, die bei gleicher Steifigkeit eine wesentlich kleinere Masse als Walzen aus Metall haben (DE-GM 83 22 639). Zur Herstellung der hohlzylindrischen Walzenkörper werden die mit einem Kunstharz getränkten Verstärkungsfasern auf einen Dorn gewickelt und der Wickelkörper wird zur Härtung des Harzes erwärmt. Bei einem anderen Verfahren fixiert man vorkondensiertes Harz enthaltende Gelege- oder Gewebestreifen auf dem Dorn. Die Verstärkungsfasern sind in beiden Aus führungsformen in einer im wesentlichen geschlossenen Harzmatrix verteilt. In die stirnseitigen Enden des Hohlzylinders werden zur Aufnahme der Lagerzapfen An schlußstutzen, Böden oder andere Befestigungselemente eingeklebt oder mit Keilen befestigt.

Die Dichte hohlzylindrischer Walzenkörper, die Kohlen stoffasern als Verstärkung enthalten, beträgt etwa 1,5 bis 1,6 g/cm³ gegen etwa 7,8 g/cm³ von Stahl. Festig keit und Elastizitätsmodul des Walzenkörpers sind u.a. Funktionen der verwendeten Fasersorte, der Fasermenge und -orientierung und der Harzart. Im Mittel betragen Zugfestigkeit bzw. E-Modul der Walzenkörper 500 bis 1000 MPa bzw. 50 bis 100 GPa gegen etwa 1100 MPa und 200 GPa von Stahl. Die Biegefestigkeit beider Walzen sorten ist etwa gleich, aber die Masse der Walze aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff (CFK) fast fünf mal kleiner als eine Stahlwalze. Ein Nachteil von Walzen mit einer Kunstharzmatrix ist die vergleichsweise geringe Oberflächenhärte und es ist vorgeschlagen worden, zur Verminderung des Walzenabriebs und der Verunreinigung von Produkten durch den Walzenabrieb die Walzen mit einem widerstandsfähigen Metall zu beschichten (DE-GM 84 06 019). Abriebfeste Walzen mit einer metallischen Oberfläche erhält man beispielsweise durch galvanisches Auftragen einer 0,01 bis 0,1 mm dicken Schicht aus Nickel oder Chrom auf dem CFK-Walzenkörper. Nicht immer ausreichend ist die Haftfestigkeit der aufgetragenen Metallschichten. Sie lösen sich häufig nach kürzerer oder längerer Zeit wenigstens teilweise von dem Walzenkörper ab und es kommt zu Beschädigungen und Verschmutzungen des von den Walzen geführten Produkts. Außerdem ist die Beschichtung von Walzen großer Abmessungen aufwendig. Ein anderes Beschichtungsverfahren für Kunststoffkörper ist in GB 8 87 366 offenbart. Danach werden Formkörper aus härtbaren Kunststoffen, wie Rohre oder Hülsen aus Phenolformaldehydharzen durch Flamm spritzen mit Überzügen aus Metallen oder Legierungen versehen, die diese Teile gegen Stoß- und Schlagbean spruchungen widerstandsfähig machen. Die in dieser Patentschrift beschriebenen Formkörper aus Phenol formaldehydharzen enthalten als Füller pulverige oder zerkleinerte, schüttbare Massen, die sich in der Kunst harzmatrix gleichmäßig verteilen und dem Körper isotrope Eigenschaften verleihen. Anders als die isotropen Kunst harzkörper verhalten sich nach Wickel- oder Legeverfahren aus Kunststoffen und anisotropen Fasern hergestellte Verbundkörper, die dann ebenfalls anisotrope Eigen schaften haben. Das Aufbringen einer festhaftenden, widerstandsfähigen Oberflächenschicht war im Gegensatz zu isotropen Körpern auf diesen anisotropen Körpern nicht möglich. In der schweizerischen Patentschrift Nr. 538 549 wird dazu ausgeführt, daß nach dem Flammspritzverfahren zwar Schutzschichten aufgebracht werden können aber diese Schichten eine ungenügende Haftfestigkeit haben oder verfahrensbedingt irreparable Beschädigungen der Ober fläche des Trägerwerkstoffes, insbesondere der ver stärkenden Fasern auftreten. Zur Lösung des Problems wird deshalb auf den faserverstärkten Grundkörper erst eine Zwischenschicht aufgebracht, die dann als Haftgrund und Puffer beim Flammspritzen dient. Dieses Verfahren ist technisch nicht befriedigend und zudem aufwendig, weil vor dem Aufbringen der Oberflächenvergütung durch Flamm spritzen mit dem Herstellen einer Zwischenschicht ein weiterer Verfahrensschritt notwendig ist, der zusätz liches Material erfordert und Kosten verursacht. Zwischenschichten dieser Art müssen sorgfältig bezüglich ihrer Eigenschaften und der Geometrie an den Grund körper angepaßt werden. Dennoch bleiben sie eine Quelle von Fehlern und Störungen in der Anwendung, z.B. durch Delaminierungen. Außerdem können die speziellen Ober flächeneigenschaften des Grundkörpers nicht genutzt werden. Gerade dies ist aber für Umlenk-, Andrück-, Farb aufgabe- oder Druckwalzen bei der Papier-, Folien- oder Stoffherstellung und beim Drucken wichtig.

Die Erfindung will den beschriebenen Nachteilen abhelfen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von festhaftenden, widerstandsfähigen Schichten auf der Mantelfläche eines hohlzylindrischen Walzen körpers aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu schaffen. Der Walzenkörper soll schließlich eine griffige Oberfläche aufweisen, um einen Schlupf zwischen Walze und dem geförderten Produkt zu vermeiden.

Die Lösung der Aufgabe geschieht dadurch, daß zum Wickeln des Walzenkörpers ein mit Phenolformaldehydharz beschichtetes Kohlenstoffgarn verwendet und auf die Mantelfläche des Walzenkörpers eine widerstandsfähige, festhaftende Schicht durch Plasmaspritzen aufgetragen wird.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch Plasmaspritzen auf die Oberfläche eines Walzenkörpers aus CFK ohne Verwendung einer Zwischenschicht aufgetragene Schutzschichten aus metallischen oder keramischen Werkstoffen fest haften, wenn die Matrix des faserverstärkten Körpers aus einem gehärteten Phenolformaldehyd-Harz besteht. Mit anderen als Matrixharz bekannten Duroplasten, wie Epoxidharze, Polyesterharze, und auch Thermoplasten erhält man Schutz schichten mit ungenügender Haftung, die sich bereits bei kleinen Beanspruchungen von der Oberfläche des Walzen körpers lösen. Das Versagen dieser Harzsorten geht vor allem auf partielle chemische Zersetzung und Volumen änderungen der Matrix beim Aufbringen der Schutzschicht durch Plasmaspritzen zurück. Andere Beschichtungsver fahren, wie die galvanische Beschichtung der Walzen körper oder das Flammspritzen, ergeben schließlich bei allen Matrixharzen, einschließlich Phenolformaldehyd- Harz, Schutzschichten, die eine den Anforderungen nicht genügende Haftfestigkeit haben. Allein das für den Fach mann nicht leicht erkennbare Zusammenwirken der Phenol formaldehyd-Harz-Matrix und der Beschichtung durch Plasmaspritzen ergibt eine ausreichende Haftfestigkeit der Schutzschicht auf dem Walzenkörper. Das Plasma spritzen ist zudem zum Auftragen von Schutzschichten aus einer Vielzahl von Werkstoffen geeignet, so daß für jede Belastung des Walzenkörpers eine geeignete widerstands fähige Schicht hergestellt werden kann. Das neue Ver fahren gestattet die Herstellung von Schichten besserer Qualität in kürzerer Zeit und mit einem geringeren Material- und Kostenaufwand. Die Dicke der durch Plasma spritzen auf den Walzenkörper aufgetragenen Schutzschicht beträgt vorzugsweise 0,05 bis 0,15 mm. Dünnere Schichten sind abhängig von der Art des Beschichtungsmaterials nicht immer frei von durchgehenden Poren und dickere Schichten gegebenenfalls empfindlich gegen stoßartige Beanspruchungen. Bevorzugt werden Metalle als Beschich tungsmaterialien, wie beispielsweise NiCoCrAl- oder CrMoAl-Legierungen, die eine zähe und harte Schutz schicht für den Walzenkörper bilden. Für besondere An forderungen können nach dem gleichen Verfahren auch metallische Hartstoffe, z.B. Carbide, Nitride, Boride oder Silicide, und nicht-metallische Hartstoffe, vor allem Oxide, auf den Walzenkörper aufgetragen werden, etwa bei starker abrasiver oder korrosiver Beaufschlagung der Walze. Die Schutzschicht wird, besonders bei größerer Dicke der Schicht, vorteilhaft in mehreren übereinander gelagerten Teilschichten aufgetragen, deren Zusammensetzung verschieden sein kann. Die Basisschicht besteht z.B. aus einem Werkstoff mit großer Zähigkeit und die Deckschicht aus einem Werkstoff mit großer Härte. Besondere Ober flächeneffekte, etwa eine bestimmte Griffigkeit, werden vorteilhaft dadurch erzielt, daß auf die durch Plasma spritzen erzeugte Schutzschicht galvanisch eine Metall schicht aufgebracht wird. Vorteilhaft sind insbesondere Chromschichten, deren Dicke nur 0,01 bis 0,03 mm beträgt, die auf der Schutzschicht als Haftgrund vorzüglich haften.

Zur Herstellung des Walzenkörpers werden Kohlenstoffasern in Form eines Garns auf einen zylindrischen Dorn gewickelt, wobei der Winkel zwischen Garn und Dornachse in bekannter Weise den Belastungen des fertigen Wickelkörpers angepaßt wird. Aufeinanderfolgende Lagen der Wicklung haben den gleichen oder einen unterschiedlichen Wickelwinkel. Vor der Wickelmaschine wird das Garn durch eine mit Phenol formaldehyd-Harz gefüllte Wanne gezogen und mit einer Harzschicht überzogen. Die Viskosität des Harzes beträgt etwa 300 bis 1500 Pa×s. Der Wickelkörper, dessen Wand stärke im allgemeinen etwa 5 bis 10 mm beträgt, wird zur Härtung der Harzmatrix einer Wärmebehandlung unterworfen und zu diesem Zweck auf etwa 80 bis 120°C erhitzt; die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt etwa 8 bis 24 h. Die bei der Härtung des Phenolformaldehyd-Harzes beobach teten Maßänderungen des Walzenkörpers sind klein und können durch einfache Vorversuche bestimmt und durch ein entsprechendes Aufmaß ausgeglichen werden. Für sehr kleine Toleranzen wird die Mantelfläche des Walzenkörpers geschliffen und dabei auch ein leicht aufgerauhter Haft grund für die Schutzschicht geschaffen. Zum Auftragen der Schutzschicht wird in bekannter Weise das pulver förmige Spritzgut mit einem Trägergas in einen Plasma strahl geblasen, in dem Plasma geschmolzen und auf die Mantelfläche geschleudert. Als Spritzgut geeignet sind alle Stoffe, die sich unter den Beschichtungsbedingungen nicht zersetzen, z.B. Metalle, Oxide, Carbide und Silicide. Die erzeugte Schutzschicht ist im allgemeinen permeabel; die Porosität von Schichten aus duktilen Werkstoffen be trägt etwa 1% von Schichten aus spröden Stoffen etwa 5%. Porenfreie Schichten, die für Verwendungen der Walzen im Kontakt mit korrosiven Fluiden von Vorteil sind, können durch Plasmaspritzen im Vakuum bzw. bei niedrigem atmo sphärischem Druck erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1

Ein Kohlenstoffasergarn, enthaltend 40 000 Filamente, mit einer Zugfestigkeit von etwa 3 GPa wurde durch einen mit Phenolformaldehyd-Harz gefüllten Trog gezogen, dabei mit einem Harzfilm versehen und auf einen zylindrischen Dorn mit einem Durchmesser von 120 mm gewickelt. Die Viskosität des handelsüblichen Phenolformaldehyd-Harzes betrug 838 mPa × s. Gewickelt wurde mit einer Geschwindig keit von 50 m/min und einem Vorschub von 3 m/m eine erste Schicht, deren Fasern mit der Achse des Dorns einen Winkel von 78° bildeten, vier Schichten mit in Achsrichtung orien tierten Fasern, eine zweite Schicht mit gegen die Achse geneigten Fasern usf., bis die Dicke des Walzenkörpers 10 mm war. Zur Härtung des Phenolformaldehyd-Harzes wurde der Walzenkörper in einem Heißluftstrom auf 80°C erhitzt, die Härtungszeit war 4 h. Die Rohdichte des Walzenkörpers betrug 1,4 g/cm³, der E-Modul 140 GPa.

Unter Normaldruck wurde auf die Mantelfläche des Walzen körpers durch Plasmaspritzen eine widerstandsfähige Schicht aus einer CrMoAl-Legierung aufgetragen. Der Pulverdurchsatz betrug etwa 150 g/min, die Schichtdicke 0,10 mm. Die Schicht haftet fest auf dem Walzenkörper und löst sich auch nach mehrfachen schnellen Erwärmungszyklen zwischen 20 und 120°C und stoßartigen Belastungen nicht von der Mantel fläche. Die beschichtete Walze ist abriebfest, hat eine griffige Oberfläche und eignet sich gut als Leitwalze für Papier-, Folien- und Druckmaschinen.

Beispiel 2

Wie im Beispiel 1 hergestellte Walzenkörper aus kohlen stoffaserverstärktem Phenolformaldehyd-Harz wurden mit einer widerstandsfähigen Schicht aus Silicium versehen. Beschichtet wurde wegen der vergleichsweise schnellen Oxidation des als Spritzpulver verwendeten Siliciums im Vakuum (50 hPa). Das Plasmagas bestand aus einem Argon- Wasserstoff-Gemisch, der Pulverdurchsatz war etwa 100 g/min. Die festhaftende Schutzschicht mit einer Dicke von 0,15 mm war porenfrei und schützte den Walzenkörper im Kontakt mit korrosiven Fluiden, wie Tetrahydrofuran, gegen die Phenolformaldehyd-Harz nur bedingt beständig ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines mit einer fest haftenden, widerstandsfähigen Oberfläche versehenen hohlzylindrischen Walzenkörpers aus kohlenstoff faserverstärktem Kunststoff durch Wickeln eines mit einem härtbaren Harz beschichteten Kohlenstoffgarns auf einen zylindrischen Dorn und Härten des Harzes, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wickeln des Walzenkörpers ein mit Phenolformal dehydharz beschichtetes Kohlenstoffgarn verwendet und auf die Mantelfläche des Walzenkörpers eine wider standsfähige, festhaftende Schicht durch Plasma spritzen aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht mit einer Dicke von 0,05 bis 0,15 mm auf den Walzenkörper aufgetragen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Metallen bestehende Schutzschicht aufgetragen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht in Form mehrerer Teilschichten aufgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die durch Plasmaspritzen aufgetragene Schutz schicht galvanisch eine Chromschicht aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß galvanisch eine 0,01 bis 0,03 mm dicke Schicht auf gebracht wird.