DE3708073A1 - Gewickeltes tribologisches ueberzugsystem fuer die maschinenindustrie und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gewickeltes tribologisches Überzugsystem für die Maschinenindustrie und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben, ins­ besondere zum Schutz von aneinander angepaßten und sich unter Belastung bewegenden Metallflächen, zur Verbesserung der Lastfähigkeit und Verschleißbestän­ digkeit, zur Erhöhung der Lebensdauer und zur Vermin­ derung der Wartungsansprüche der erwähnten Metallflä­ chen, wobei die zu überziehende Fläche vorbereitet, grundiert und ein tribologisches Überzugsystem herge­ stellt wird, welches eine gleichmäßige Schicht er­ wünschter Dicke gewährt.

Zum Schutz aneinander angepaßten und sich be­ wegenden Flächen, zur Verminderung der Reibung und zur Erhöhung der Lebensdauer sind verschiedene unor­ ganische Zutaten /Graphit, Molibden-Sulfid, Metall, Glas, Gestein usw./ enthaltende Kunststoffüberzüge bekannt.

Das gewickelte tribologische Überzugsystem ist durch ein Fadenkombinationssystem gebildet. Die ver­ wendeten Fäden sind von verschiedener Materialqualität: von Kunststoff, Glas, Keramik und Metall.

Die Konstruktion des Überzugsystem ist wie folgt:

• - An der verschlissenen oder dem Verschleiß ausge­ setzten metallreinen Fläche des Maschinenteiles ist eine Zwischenschicht /Grundschicht/ angebracht /die­ se Schicht ist nach Aufschmelzen durch das zugegebene Grundgemisch gebildet/,
• - an der Zwischenschicht ist ein verschleißbeständi­ ger Überzug, ein gewickeltes tribologisches System angebracht /"tribologisch" bedeutet: der Reibung, dem Verschleiß ausgesetzter, Schmierung beanspru­ chender Fläche entsprechend/, welches derart ausge­ bildet wird, daß die aus den oben erwähnten Mate­ rialien verfertigten Fäden auf die Grundschicht ge­ wickelt und darauf geschmolzen werden.

Die Wicklung kann entweder mit der herkömmlichen Technologie der Textilindustrie oder der Fernmeldetech­ nik hergestellt werden, derart ist auch ihre Konstruk­ tion jedwelchem mit dieser oder anderer Technologie verfertigten Wickelsystem entsprechend, nur mit dem Unterschied, daß die Fäden speziell für diesen Zweck geeignete Fäden sind, welche am Mantel des Bauteiles in mindestens einer Schicht aufgebracht sind und daß die dem Verschleiß ausgesetzte ganze Fläche durch das Wickelsystem überzogen oder benetzt ist.

Der Inanspruchnahme entsprechend besteht das ge­ wickelte Fadensystem aus Fäden verschiedener Dicke und Materialien, welche abwechselnd neben oder übereinander angeordnet sind.

Die an der metallreinen Fläche in der oben dar­ gestellten Weise ausgebildete Zwischenschicht und Fa­ denkombinationsschicht erhalten ihren endgültigen konstruktionellen Aufbau nach Anschmelzen z. B. mittels Induktionserwärmung wie folgt: die nicht schmelzenden Fäden /Metall, Glas, Keramik/ sind im geschmolzenen Kunststoffsystem von der Schmelze umnommen in darin eingebetteter Form angebracht, wobei das ganze ge­ wickelte tribologische System in die Fläche des me­ tallreinen Bauteiles eingebaut ist.

Es ist ein Verfahren zum Überziehen von Metall­ flächen in der Maschinenindustrie bekannt, wobei das Überziehen durch mit dem Auftragen gleichzeitig er­ folgende Vernetzung von Polyamidpulver durchgeführt ist. Bei dem bekannten Verfahren ist das aus P- Formaldehyd und aus Hexamethylentetramin bestehende Polyamidpulver-Gemisch in der Anwesenheit von ver­ netzendem Katalysator auf die vorgewärmte Metall­ fläche aufgetragen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren ist bei der Herstellung von Motorengleitlager der auf die Fläche des rißgeprüften, korngeblasenen und vorge­ wärmten Bauteiles aufgetragene kunststoff- und molibden- sulfid-haltige Überzug in zwei Schritten, neben Wärme­ behandlung und Drehung konzentriert.

Bei den bekannten Verfahren ist der Überzug mit­ tels Wirbelsintern oder mittels Pulverstreuung herge­ stellt.

Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht da­ rin, daß bei den großer Belastung, Verschleiß und dynamischer Inanspruchnahme ausgesetzten Bauteilen bis­ her kein Überzug entsprechender Qualität erzeugt wurde. Die Qualität der in Schiebanlage oder in Elektroofen erzeugten Kunststoffüberzugen hängt nämlich von der Geschwindigkeit des Überziehens, von der Arbeitsin­ tensität des Bedieners, von der Geschwindigkeit des Abkühlens usw. ab. Infolge der Unkontrollierbarkeit dieser Parameter sind in dieser Überzugen oft bedeu­ tende Spannungen angehäuft, die zur Verminderung der Haftfestigkeit und zur Abtrennung des Überzuges füh­ ren können.

Bei vernetzten Polyamid-Überzugen war die Last­ fähigkeit und Haftfestigkeit des Überzuges durch die infolge der eingemischten, leicht zerfallenden Formal­ dehyd-Verbindungen /z. B. Hexamethylentetramin/ auf Anschmelztemperaturen von 170 bis 220°C in dem Über­ zug entstehenden unregelmäßigen Hohlräumen ver­ schlechtert.

Die Verwendung von mittels Wärmebehandlung und Drehung konzentrierten Zutatstoffen /z. B. Molibden- Sulfid/ ergab nicht die mit dem Mehrkostenaufwand proportionale Qulalitätserhöhung.

Die industrielle Verwendung der bekannten An­ schmelztechnologie ist bei großdimensionierten Bau­ teilen durch den Zeitbedarf der Erwärmung und durch die Abkühlung begrenzt.

Bei den bekannten Verfahren wird die Schicht­ dicke der Überzuge in bedeutendem Maß durch die Masse und das Material des Bauteiles, weiterhin durch die Zeitdauer und Methode der Vorwärmung, des Über­ ziehens und der Abkühlung beeinflußt. Daraus folgt, daß mit den bekannten Verfahren Kunststoffüberzuge mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 0,4 mm ohne nach­ träglicher Bearbeitung nicht oder nur sehr umständ­ lich ausgebildet werden können.

Zielsetzung unserer Erfindung ist die Herstel­ lung von Kunststoffüberzugen für die Maschinenin­ dustrie mit einer großen Lebensdauer, welche ent­ sprechende Wärmeableitung, Elastizität und Ver­ schleißwiderstand neben niedrigem Kostenaufwand ge­ währen und wobei eine gleichmäßige Schicht erwünsch­ ter Dicke auch ohne nachträgliche Bearbeitung erreicht werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkennung, daß ein gut haftender, beständiger Überzug mittels einem in die zu überziehende Fläche und auch in den Überzug sich einbauenden Grundiermittel erzeugt werden kann. Weiterhin wurde erkannt, daß eine gleichmäßige Schicht erwünschter Dicke durch ein gewickeltes tri­ bologisches Überzugsystem erreicht werden kann. Laut dieser Erkennungen können die Schichtdicke und ande­ ren physischen Kennzeichen der mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten Überzuge mit Programm­ steuerung kontrolliert bzw. auf die entsprechenden Werte eingestellt werden.

Die Zielsetzung wurde erfindungsgemäß mit einem Verfahren erfüllt, wobei die zu überziehende Fläche vorbereitet, gereinigt, ausgebrannt, dann eine Grun­ diermischung mit Zutaten auf diese vorbereitete Fläche aufgetragen, und ein gewickeltes tribologisches Über­ zugsystem hergestellt wird, welches dann auf die grun­ dierte Fläche derart aufgeschmolzen wird, daß die genaue Schichtdicke des Überzuges sich durch Rege­ lung der Anschmelzzeit und -temperatur einstellen läßt, und die Fläche in gegebenem Fall bearbeitet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand vorteil­ hafter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsweise wird das Ausbrennen während der Vorbereitung der zu über­ ziehenden Fläche mittels Induktionserwärmung durch­ geführt, und zwar derart, daß eine Schutzoxydschicht an der Fläche ausgebildet wird.

Die Verwendung von die Haftfestigkeit der Über­ zuge verbessernden Grundiermitteln ist eine sehr wichtige Bedingung zur Herstellung von Überzugen gu­ ter Qualität. Die Qualität des zu erzeugenden Über­ zuges kann durch Verwendung eines sich in die zu überziehende Fläche und in das Material des Überzu­ ges einbauenden Grundiermittels weiter erhöht werden.

Diese Bedingung wird beispielsweise mit einer Grundiermischung mit folgender Zusammensetzung er­ füllt:

• 60 Gew.-% Phenolharz
• 9,5-9,8 Gew.-% Salzsäure /HCl/ oder Phosphor­ säure /H₃PO₄/
• 30 Gew.-% Leinöl und
• 0,2-0,5 Gew.-% Wärmegradindikatorfarbe

Nach Auftragen auf die zu überziehende Fläche trocknet sich das Grundiermittel einigermaßen, und bei Vorwärmung haftet sich der schmelzende Kunststoff besser an den Mikrospitzen der Metallsäule und - eine Polimerverbindung bildend - baut sich in die Metall­ fläche ein.

Das Grundiermittel ist zugleich auch zweckmäßig ein Klebstoff. Es kann auch in der Form von Folie auf die Fläche aufgetragen werden, kann sogar in selbst­ haftender Ausbildung hergestellt werden. Das Grundier­ mittel verfärbt sich infolge der eingemischten irre­ versiblen Wärmegradindikatorfarbe, was die Kontrolle der optimalen Anschmelztemperatur- und Überzugzeit ermöglicht. Die Temperatur kann beispielsweise mit einem Pirometer gemessen werden.

Als Grundstoff des Überzuges werden in erster Reihe thermoplastische Kunststoffmaterialien verwen­ det. Das Überzugmaterial ist erfindungsgemäß vor­ teilhaft Faden, können aber auch Folie, Lösung, Pul­ ver bzw. derer Kombination verwendet werden. Der Kunststoffüberzug wird durch das übermittelnde Grun­ diermittel, dessen Klebefähigkeit ausnützend, in kal­ tem Zustand auf die zu überziehende Fläche kommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält der Überzug außer dem Kunststoffgrundmaterial in je­ dem Fall auch organische und unorganische Materialien.

Unter den unorganischen Materialien können Metalle, Keramik, Glas, Quarz, Schlacke usw. in Rechnung kommen. Aus dem Grundmaterial und den oben erwähnten Stoffen werden Fäden von erwünschtem Quer­ schnitt verfertigt. Mit der kombinierten Verwendung der derart ausgebildeten Fäden wird das gewickelte tribologische Überzugsystem erzeugt.

In einer Kombination können von den erwünsch­ ten tribologischen Eigenschaften abhängige verschie­ dene Fäden in den der nötigen Schichtdicke entspre­ chenden Querschnitten verwendet werden.

Es können zwei oder mehrere verschiedene Fäden in einer Reihe nebeneinander gewickelt werden, bei­ spielsweise ein Polyamid- und ein Metallfaden, oder ein Polyamid- und zwei Glasfäden, oder ein Polyamid-, ein Glas- und ein Keramikfaden usw.

Aus verschiedenen Fäden kann auch ein aufein­ ander geschichtetes Überzugsystem hergestellt werden. Hierzu gehört ein Überzugsystem, wobei in der ersten Reihe Polyamidfaden, danach Metallfaden und in der nächsten Reihe wieder Polyamidfaden gewickelt werden. Es ist besonders einfach, wenn Metallfaden, z. B. Alu­ minium- oder Kupferfaden mit Polyamidüberzug verwen­ det werden.

Bei den gewickelten tribologischen Überzugsyste­ men können die aus Fäden ausgebildeten Schichten auch mit draufgestreuten Pulvern oder Lösungen kombiniert werden, derart ergeben sich Überzuge mit bisher un­ erreichbaren nützlichen Eigenschaften.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beim Über­ ziehen von sowohl Außen- und Innendrehflächen, als auch von ebenen Flächen verwendet werden. Beim Über­ ziehen von Innenflächen wird der Überzug auf die Aus­ senfläche einer Maske aufgetragen, welche sich an den zu überziehenden Innenflächen anpaßt. Das Material der Maske wird sich auch in diesem Falle in den Über­ zug während des nachfolgenden Anschmelzens einbauen.

Das Anschmelzen wird zweckmäßig mittels Induk­ tionsmomenterhitzung durchgeführt. Beim Überziehen von Außenflächen eines Drehkörpers wird der Körper im In­ nenraum einer Induktionsspule gedreht, bis das An­ schmelzen erfolgt.

Wenn das Material des Überzugsystems aus Metall­ faden mit Kunststoffüberzug besteht, wird die elektri­ sche Momenterhitzung den Metallfaden gleichzeitig als Heizfaden verwendend durchgeführt. Der derart erzeugte Überzug ist eine auf der Fläche ausgebildete Gleit­ fläche mit Metalleinlage, bzw. mit Metalleinlage be­ festigt, wobei der Metallfaden in diese Gleitfläche eingebaut ist. Die zum Schmelzen des Kunststoffes nö­ tige Wärmemenge kann gerechnet und in deren Kenntnis kann die Anschmelzzeit und -temperatur z. B. mit ent­ sprechender Wahl der Stromstärke eingestellt werden.

Die Schichtdicke der erfindungsgemäßen Über­ zuge ist neben den verwendeten Fadenquerschnitten über andere Parameter hinaus grundsätzlich durch die bereits erwähnte Anschmelztemperatur und -zeit be­ einflußt. Es können Schichtdicken außerordentlich guter Qualität und hoher Genauigkeit erreicht werden, wenn das Anschmelzen mit Programmsteuerung durchge­ führt ist. Durch den in den mit Verwendung von ge­ wickelten Überzugsystemen mit Metalleinlage herge­ stellten Überzugen nach dem Anschmelzen darinbleiben­ den Metallfaden ist der Überzug verstärkt und seine Wärmeableitfähigkeit erhöht. Die Kunststoffschicht des Überzuges ist oxydationsfrei, weil die Glühung infolge der Heizwirkung des Stromes aus dem Inneren des Metallfadens ausgeht, derart entsteht nur an der äußersten, mit der Luft in Berührung stehenden Flä­ che der Kunststoffschmelze eine Flächenoxydation, de­ ren Maß aber vernachlässigbar ist. Infolge dessen haben die derart hergestellten Überzuge einen großen Korrosionswiderstand, geringeren Bedarf an Schmie­ rung, und sie vermindern auch die oxydative Wirkung der verwendeten Schmieröle.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren her­ gestellten Kunststoffüberzuge sichern auch ohne Be­ arbeitung eine maßgenaue Schichtdicke und ausgezeich­ nete Flächenqualität.

Falls aus jedwelchem Grund eine Flächenbearbei­ tung doch nötig ist, ist es zweckmäßig, Flächen­ stemmung durchzuführen, wodurch die physischen Eigen­ schaften, die Härte, die Verschleißbeständigkeit der Fläche weiter erhöht und die Wasseraufnahme des Über­ zuges vermindert werden.

In den Fällen, wenn spezielle Schmieranforde­ rungen bei den Überzugen auftreten, kann zwecks Aus­ bildung der radialen oder axialen Schmierstofflager­ stellen auch spanende Bearbeitung durchgeführt werden. Die Schmierstofflagerstellen können auch mit elektrisch geheizten Profilwerkzeugen ausgebildet werden.

Beispiel zur Herstellung eines gewickelten tri­ bologischen Systems an der Außenfläche eines Bolzens:

• - Der Bolzen wird auf der bekannten Weise ausge­ brannt.
• - An der Fläche wird aus eigenem Material eine poröse Oxydschicht ausgebildet.
• - Auf die Fläche wird ein Faden Typ Polyamid 6 von 0,05 mm Dicke mit Glasfadenbefestigung in acht Schichten aufgewickelt, und zwar derart, daß nach zwei Polyamid-Schichten eine Schicht Glasfaden von 0,0125 mm Dicke, dann wieder zwei Polyamid-Schichten, eine Glasschicht, und schließlich vier Polyamid-Schichten erfolgen.
• - Das gewickelte System wird in einer Hoch­ frequenz-Vorrichtung auf einer Temperatur von 220 bis 250°C auf die Fläche ange­ schmolzen.

Claims (17)

1. Gewickeltes tribologisches Überzugsystem für die Maschinenindustrie in Fadenkombinationssystem, dadurch gekennzeichnet, daß an der metallreinen Fläche des gegebenen Maschinen­ teiles eine Grundschicht angebracht ist, und oberhalb deren ein aus der Gruppe von Kunststoff, Glas, Keramik, Metall gewählten Fäden einer oder mehrerer Materialien gewickelter und durch Aufschmelzung befestigter ver­ schleißbeständiger Überzug angeordnet ist.

2. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffüber­ zugen für die Maschinenindustrie, wobei die zu über­ ziehende Fläche vorbereitet, ausgebrannt und mechanisch gereinigt oder gegrundigt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Grundmischung mit mit Zutaten auf die vorbereitete Fläche aufgetragen, dann ein gewickeltes tribologisches Überzugsystem her­ gestellt wird, welches auf die grundierte Fläche durch Induktionserhitzung angeschmolzen, und die Schicht­ dicke des Überzuges mit Regelung der Anschmelzzeit und -temperatur eingestellt und die Fläche gegebenenfalls bearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Auf­ schmelzung eine Schutzoxydschicht durch Induktionser­ hitzung auf der Fläche ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß eine sich in die Fläche und in den Überzug einbauende Grun­ diermischung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundiermi­ schung mit einer Zusammensetzung von 9-10% Salzsäure /HCl/ oder Phosphorsäure /H₃PO₄/, 60% Phenolharz, 30% Leinöl und 0,2-0,5% Wärmegradindikatorfarbe verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundiermittel mit Eintauchen oder Streuen aufge­ tragen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundiermittel selbsthaftender Ausbildung verwen­ det wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß optimale Anschmelztemperatur und Überzugzeit verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale An­ schmelztemperatur und Überzugzeit aufgrund der Ver­ färbung der Wärmegradindikatorfarbe kontrolliert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschmelzen mit Hilfe einer Hochfrequenzvorrichtung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschmelzen mit Hilfe von eingebautem Heizfaden durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewickeltes Überzugsystem mit Fadenkombination hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewickeltes Überzugsystem mit Folienkombination hergestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsthaf­ tende Folie verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der die Schichtdicke bestimmenden An­ schmelzzeit und -temperatur aufgrund Komputerprogramm durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die überzogene Fläche mit Flächenstemmung nachbearbeitet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an der überzogenen Fläche Schmierstofflagerstellen ausgebildet werden.