DE4116639A1 - Verfahren zum beschichten eines faserverstaerkten kunststoffkoerpers - Google Patents
Verfahren zum beschichten eines faserverstaerkten kunststoffkoerpersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines
aus mindestens einer Schicht bestehenden festhaftenden
widerstandsfähigen Belages auf die Oberfläche eines aus
einem Verbundwerkstoff aus faserverstärkenden Fasern und
einer Kunststoffmatrix bestehenden, mit einem Draht oder
einem Band umwickelbaren Körpers.
Durch Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen können
im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau erhebliche
Vorteile erzielt werden. Faserverstärkte Kunststoffe sind
bei guter Korrosionsbeständigkeit im allgemeinen leichter
als Metalle und haben bei entsprechender Auslegung
mindestens gleich gute gewichtsbezogene mechanische
Eigenschaften. Diese Vorteile fallen bei schnell bewegten
Teilen wie z. B. Wellen, Walzen, Rollen, Stößeln, Hebeln
oder Propellern etc. besonders ins Gewicht.
Aus Metallen bestehende, schnelldrehende Walzen, z. B. für
Papier-, Folienherstellungs- und -Verarbeitungs- oder
Druckmaschinen sind wegen ihrer großen Masse erheblichen
Fliehkräften ausgesetzt, die Trägheits- und damit die
Antriebskräfte sind vergleichsweise groß und an den
Massenausgleich werden hohe Anforderungen gestellt. Man
verwendet deshalb heute für diesen Zweck Walzen aus
faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlen
stoffaserverstärktem Kunststoff, die bei gleicher
Steifigkeit und verbesserter Formbeständigkeit eine
wesentlich kleinere Masse als Walzen aus Metall haben
(DE-GM 83 22 639).
Auch im Anlagen- und Behälterbau ist es vorteilhaft, sich
der hohen Zug- und Biegefestigkeit, der ausgezeichneten
Torsionssteifigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit der
im Vergleich zu Metallen oder keramischen Werkstoffen
leichteren faserverstärkten Kunststoffe zu bedienen.
Beim Einsatz für Förder- oder Transportvorgänge bzw. bei
der Beaufschlagung mit relativ zu Oberflächen bewegten
Stoffen erweisen sich die Oberflächen von faserver
stärkten Kunststoffen jedoch häufig als zu wenig wider
standsfähig. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die
Oberflächen zur Verminderung von Abrasionserscheinungen
und der Vermeidung von Produktverunreinigungen mit einem
widerstandsfähigen Metall durch galvanisches Auftragen zu
beschichten (DE-GM 84 06 019). Die Qualität so auf
gebrachter Schichten befriedigt indessen in vielen Fällen
wegen zu geringer Haftfestigkeit nicht. Nach einem
anderen Verfahren (GB 8 87 366) werden Formkörper aus
härtbaren Kunststoffen wie Formaldehydharzen durch Flamm
spritzen mit Überzügen aus Metallen oder Legierungen ver
sehen, die diese Teile gegen Stoß- und Schlagbean
spruchungen widerstandsfähig machen sollen. Dieses Ver
fahren ist nach heutigem Stand der Technik umständlich
und aufwendig, die Haftfestigkeit der Schichten genügt
besonders bei dynamischer Beanspruchung heutigen
Anforderungen nicht und die Wahl der Materialien, die
aufgespritzt und kombiniert werden können, ist
beschränkt. Um genügend festhaftende Schichten zu
erhalten, müssen nämlich spezielle Bedingungen einge
halten werden. Das Material für die erste Schicht ist
nicht frei wählbar. Sein Schmelzpunkt muß 400°C über
dem Zersetzungspunkt des Kunststoffs liegen und sein
thermischer Ausdehnungskoeffizient muß größer als der des
Kunststoffs sein. Außerdem ist es Bedingung, daß das
Material, aus dem die zweite Schicht aufgebaut werden
soll, einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten hat, als
die zuvor aufgebrachte erste Schicht, was schon auf eine
schlechte Haftung der ersten Schicht auf ihrer Unterlage
schließen läßt. Die zu beschichtenden Kunststoffteile
können Füllstoffe wie Kokspulver, Graphit, Holzmehl,
Gesteinsmehl, Quarzpulver, Papier- oder Textilschnitzel
enthalten, die möglicherweise zur Erniedrigung des
thermischen Ausdehnungskoeffizienten dienen sollen. Eine
Mitwirkung dieser Füller bei der Verankerung der auf
gespritzten Metalle auf der Kunststoffoberfläche ist in
der Literaturstelle nicht angedeutet und wegen der stoff
lichen Unterschiede zwischen den Füller- und den Schicht
materialien nicht möglich.
Mit dem Aufbringen von Schutzschichten auf aus Kunstharz,
Füllstoffen und/oder Fasern hergestellten Kunststoff
teilen durch Flammspritzen befaßt sich auch die
schweizerische Patentschrift 5 38 549. Danach können zwar
nach dem Flammspritzverfahren Schutz schichten aufgebracht
werden, aber diese Schichten haben eine ungenügende
Haftfestigkeit oder es treten verfahrensbedingt irre
parable Beschädigungen der Oberfläche des Trägerwerk
stoffes, insbesondere der verstärkenden Fasern auf. Zur
Lösung der Probleme wird deshalb auf den faserver
stärkten Grundkörper erst eine Zwischenschicht aus einem
Gewebe oder Geflecht und einem Kunstharz aufgebracht, die
als Haftgrund und Puffer beim Flammspritzen dient. Die
aufgespritzten Teilchen dringen zwischen die einzelnen
Gewebeporen ein und erzielen damit eine tiefe Ver
ankerung. Auch dieses Verfahren ist technisch nicht
befriedigend und zudem aufwendig, weil die Herstellung
der Zwischenschicht nur mit Stoffen möglich ist, die in
Gewebe- oder Geflechtform zugänglich sind, die Ver
arbeitung von Geweben und Geflechten teurer Handarbeit
oder spezieller technischer Einrichtungen bedarf und die
Gewebe oder Geflechte der Oberfläche des Grundkörpers
genau angepaßt werden müssen, was insbesondere bei in
sich geschlossenen Oberflächen wegen des Auftretens von
Stößen oder Überlappungen problematisch ist. Diese
gewebehaltige Schicht dient beim Flammspritzen als
thermische Barriere. Sie unterliegt deshalb hohen
inneren, durch Unterschiede in den thermischen Aus
dehnungskoeffizienten zwischen Kunstharzmatrix und
Gewebematerial bedingten Spannungen, die bei einiger
maßen gut haftender aufgespritzter äußerer Schicht zu
inneren Defekten und Delaminierungen im Unterkörper
führen können. Aber auch die Haftung der aufgespritzten
Schicht läßt trotz Verbesserungen gegenüber dem Stand der
Technik zu wünschen übrig, da beim Flammspritzen die
heißen Teilchen in allen Fällen zunächst auf eine Ober
fläche aus Kunstharz auftreffen, das sich dabei mehr oder
weniger zersetzt und wie Versuche inzwischen gezeigt
haben, eine direkte chemische Verbindung des Spritzguts
mit entsprechend ausgewähltem Gewebe- oder Geflecht
material verhindert.
In der Patentschrift DE 35 27 912 ist ein anderes Ver
fahren zum Beschichten von kohlenstoffaserverstärkten
Kunststoffkörpern mit Metallen beschrieben. Eine gute
Haftung der Schutzschicht wird hier durch Anwendung des
Plasmaspritzverfahrens in Verbindung mit einer C-faser
verstärkten Substratoberfläche auf Basis Phenolformalde
hydharz erzielt. Dieses Verfahren hat zwar Eingang in die
industrielle Praxis gefunden, die Haltbarkeit von nach
diesem Verfahren hergestellten Schichten befriedigt
jedoch auch nicht vollständig. Bei starken mechanischen
Belastungen wie beim Zuschneiden, beim Schleifen auf End
maß, unter stoßartiger Belastung oder auch langer
betrieblicher Beanspruchung treten noch immer Delami
nierungen der Beschichtung auf.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu
schaffen, bei dem die Wahl des verwendeten Matrix
kunstharzes und die Wahl der für eine Beschichtung in
Frage kommenden Stoffe keinen Einschränkungen unterliegt,
die Herstellung eines beschichtungsfähigen sowie eines
beschichteten Verbundkörpers einfach ist und Schichten
mit wesentlich verbesserter Haftfestigkeit herstellbar
sind.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der
Patentansprüche l und 2 gelöst.
Wesentlich für die Erfindung sind folgende, zusammen
wirkende Faktoren:
- 1. Ein mit einem Draht oder einem Band umwickelbarer Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff, insbe sondere eine Walze, Rolle oder ein Rohr ist mit mindestens einer Lage aus auf den Grundkörper ge wickeltem Draht umgeben, wobei der Draht seinerseits von einem Kunstharz umgeben ist, das eine gute Haftung auf dem Draht und auf dem Grundkörper hat. Damit ist der Draht sehr gut auf dem Grundkörper verankert.
- 2. Die radial nach außen weisende Oberfläche der Kunst harz-Drahtschicht des umwickelten Grundkörpers wird mindestens so weit und in einer Weise abgetragen, daß einerseits an den Drähten in Richtung der späteren Beschichtung weisende, saubere Metalloberflächen ent stehen, andererseits aber die Drähte weiterhin fest auf dem Grundkörper verankert bleiben.
- 3. Die auf diese Oberfläche mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens oder auf galvanischem Wege aufge gebrachte erste Schicht findet ihre Verankerung an und in den freigelegten Oberflächenanteilen der aufge wickelten Drähte, die auf ihren nicht freigelegten Seiten fest über das Kunstharz mit dem Grundkörper verbunden sind. Die Verankerung der thermisch aufge spritzten oder galvanisch aufgebrachten Schicht wird durch eine chemische Bindung mit den über das Kunst harz auf dem Grundkörper verankerten Drähten bewirkt. Wesentlich für eine befriedigende Ausbildung einer solchen Bindung ist das Fehlen einer die nach außen weisenden Drahtoberflächen bedeckenden Kunstharzhaut. Versuche haben ergeben, daß auch die Haftung der thermisch aufgespritzten Schicht drastisch ver schlechtert ist, wenn die heißen Partikel erst eine Kunstharzhaut durchschlagen müssen, ehe sie die Oberflächen der über das Kunstharz verankerten oder in das Kunstharz eingebetteten Drähte erreichen oder wenn sie gar nur mechanischen Halt in der Kunstharzschicht bekommen. Einer Haftung hinderlich sind auch thermische Zersetzungsprodukte, die beim Aufprall der heißen, geschmolzenen Beschichtungspartikel auf eine Kunstharzoberfläche entstehen. Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Verfahren ist bei dem erfindungs gemäßen Verfahren eine Verankerung der thermisch aufgespritzten Schicht in der Kunstharzunterlage nicht mehr notwendig.
Der Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff ist
bevorzugt eine Walze, Rolle oder ein Rohr. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf diese Formen beschränkt, sondern
erstreckt sich auf alle mit einem Draht oder einem Band
umwickelbaren Körper.
Matrixwerkstoff für die verstärkenden Fasern können alle
Kunstharze sein, aus denen Körper der oben beschriebenen
Gestalt mit ausreichender Form- und Temperaturstabilität
hergestellt werden können. Insbesondere sind dies die
duroplastischen Harze wie Phenolformaldehyd, Epoxid- oder
Polyesterharze. Es sind aber auch thermoplastische
Harze wie z. B. Polypropylen, Polyamide oder Polycarbonate
geeignet. Als verstärkende Fasern werden vor allem
Kohlenstoffasern, wobei in diesen Begriff Graphitfasern
eingeschlossen sein sollen, Glasfasern und Aramidfasern
verwendet. Wo es sinnvoll ist, können auch andere Fasern,
z. B. Mineralfasern wie Basaltfasern oder steinwolle,
Metallfasern und carbidische Fasern wie SiC-Whisker ein
gesetzt werden. Die Fasern können als Kurzschnitt- oder
Stapelfasern, in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken
oder anderen textilen Gebilden zwei oder dreidimen
sionaler Art oder als Endlosfasern in den Kunstharzkörper
eingebunden sein.
Der als Haftvermittler für die thermisch aufgespritzte
oder galvanisch abgeschiedene Schicht fungierende Draht
wird durch Wickeln aufgebracht. Zweckmäßigerweise bedient
man sich dabei einer der in der industriellen Praxis
bekannten Wickelmaschinen, mit denen die Wickeldichte,
d. h. der Abstand der Drähte auf dem Grundkörper nach dem
Bewickeln, die Drahtspannung und der Wickelwinkel
eingestellt werden können. Das Kunstharz, mit dem der
Draht auf dem Grundkörper verankert wird, kann vor dem
oder während des Wickelvorganges aufgebracht werden. Vor
dem Wickeln wird es entweder in dünner Schicht z. B.
mittels eines Pinsels, einer Spachtel oder durch Spritzen
auf den gereinigten, entfetteten und gegebenenfalls auf
bestimmte Maße vorbearbeiteten Grundkörper aufgetragen.
Das Auftragen während des Wickelns geschieht in der Regel
durch den Draht selbst, der als Träger für das Kunstharz
dient, nachdem er durch ein Harzbad geleitet worden ist.
Das verwendete Kunstharz kann das gleiche wie das
Matrixharz des Grundkörpers oder ein anderes sein, das
den Bedingungen einer guten Verbindung zum Grundkörper
und einer guten Haftung auf dem Draht gleichermaßen
entspricht. Insbesondere kommen hier Phenolformaldehyd-,
Epoxid- und Polyesterharze sowie Thermoplastharze
in Frage, deren Wärmebelastbarkeit derjenigen der
genannten härtbaren Kunstharze ähnlich ist.
Der Grundkörper wird in den meisten Fällen vor dem
Wickelprozeß durch Schleifen oder ein spanabhebendes
Verfahren auf genaue Außenabmessungen der zu bewickelnden
Oberflächen bearbeitet, damit im mit der thermisch
durch Spritzen oder galvanisch aufgebrachten Schicht
versehenen, fertig bearbeiteten Körper Schichten gleich
mäßiger Stärke vorliegen. Dies ist besonders für die
Erzielung einer gleichmäßigen Fliehkraftverteilung bei
rotierenden Körpern von Vorteil. Wo keine so hohen
Anforderungen an die Maßhaltigkeit der verschiedenen
Schichten und/oder an die Außenabmessungen des fertigen
Körpers gestellt werden, kann die Bearbeitung des Grund
körpers weniger genau durchgeführt werden oder entfallen.
Vor Beginn des eigentlichen Wickelvorgangs wird der Draht
an einer Seite des Grundkörpers z. B. durch Anbinden oder
Festklemmen befestigt, damit eine gewisse Drahtspannung
und eine genaue Führung des Drahtes gewährleistet ist.
Im allgemeinen wird der Draht so aufgewickelt, daß sich
im aufgewickelten Zustand benachbarte Drähte praktisch
berühren, d. h. daß der Abstand allenfalls der an ihnen
haftenden, dünnen Kunstharzhaut entspricht. Die Drähte
können aber auch so aufgewickelt werden, daß benach
barte Drähte im aufgewickelten Zustand einen gewissen
Abstand, der ca. 3 mm nicht überschreiten sollte, haben.
Diese Ausführungsform wird dann gewählt, wenn der mit der
thermisch aufgebrachten Schicht versehene Körper eine
entsprechend strukturierte Oberfläche haben soll. Rauten
förmige Oberflächenstrukturen erhält man z. B., wenn der
Draht zweilagig im Winkel, d. h. mit sich kreuzenden
Drähten aufgewickelt wird. Für den überwiegenden Teil der
Anwendungsfälle reicht eine einlagige Wickelschicht aus.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt. Der Draht kann auch in mehreren Lagen über
einander aufgewickelt sein, wobei in diesem Falle auch
Drähte unterschiedlichen Materials oder verschiedener
Durchmesser eingesetzt werden können.
Der Draht kann mit geringer oder auch mit hoher Vor
spannung aufgewickelt werden. Die Anwendung einer hohen
Vorspannung ist z. B. dann vorteilhaft, wenn wie bei
schnellrotierenden Walzen, an die Formstabilität unter
dynamischer Belastung hohe Anforderungen an den Form
körper gestellt werden. Die Grenze der angewendeten
Vorspannung ist einerseits bei dünnen Drähten durch deren
Eigenzugfestigkeit und bei starken Drähten durch die
Härte der Oberfläche und die Druckfestigkeit des Grund
körpers gegeben. Der verwendete Draht soll einen Durch
messer von mindestens 0,05 mm und höchstens 2,0 mm haben.
Besonders bevorzugt sind Drahtstärken von 0,1 bis 0,2 mm.
Unter dem Begriff Draht sind im Sinne der Erfindung auch
schmale Metallbänder mit einer Breite von maximal 10 mm
und einer Stärke von maximal 2 mm zu verstehen. Ihre
Verwendung ist dann vorteilhaft, wenn als Unterlage zum
thermischen Beschichten eine möglichst große metallische
Fläche zur Verfügung stehen soll.
Bezüglich der stofflichen Zusammensetzung entspricht der
zum Aufwickeln verwendete Draht den metallischen
Materialien, aus denen die thermisch aufgespritzten
Schichten bestehen können. Es können Metalle wie Nickel,
Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen, Kobalt, Titan, Silicium,
Aluminium, Kupfer, Zink oder Legierungen eines dieser
Metalle sein. Für eine galvanische Beschichtung werden
Drähte aus Nickel, Chrom, Eisen, Aluminium, Kupfer oder
Zink eingesetzt.
Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Drähte vor ihrer
Verwendung von Oberflächenverunreinigungen, speziell von
Ölen, Fetten oder Schlichten zu reinigen. Außerdem ist es
zur Verbesserung der Haftung des Kunstharzes auf dem
Draht in der Regel vorteilhaft, Drähte mit aufgerauhten
Oberflächen zu verwenden. Ein solches Aufrauhen der
Drahtoberflächen kann in bekannter Weise durch Ätzen,
mechanische auf Reibung beruhende Verfahren oder durch
Oxidieren geschehen.
Bei der Konzeption der gesamten Beschichtung wird von den
Anforderungen an die thermisch aufgespritzte Schicht aus
gehend ein Material ausgewählt, das eine gute Bindung
mit dem Material der thermisch aufgespritzten Schicht
ergibt und das sich als Draht gut über das vorgesehene
Kunstharz auf dem Grundkörper verankern läßt. Es ist
dabei nicht Bedingung, daß der im Kunstharz verankerte
Draht aus dem gleichen Material wie die thermisch auf
gespritzte Schicht besteht.
Nach Beendigung des Wickelprozesses wird der Draht wie zu
Beginn des Wickelns wieder an dem Grundkörper fixiert.
Der fertig gewickelte Körper wird, falls dies notwendig
oder zweckmäßig ist, zunächst durch Abwischen oder
Abkratzen, z. B. mit einer Spachtel, von überschüssigem,
oberflächlich anhaftendem Harz befreit und dann,
gegebenenfalls nach Umwickeln mit einer Trennfolie, einer
Behandlung zum Aushärten des aufgebrachten Harzes zu
geführt. Die Härtungsbedingungen richten sich nach dem
aufgebrachten Kunstharzsystem und sind aufgrund der
allgemein zugänglichen Gebrauchsanweisungen der
Hersteller nach wenigen Vorversuchen festlegbar.
Nach dem Aushärten des Kunstharzes wird der mit Draht
umwickelte Körper einer weiteren Oberflächenbehandlung
zugeführt. Dieser Verfahrensschritt ist für den Erfolg
des erfindungsgemäßen Verfahrens zwingend erforderlich.
Durch ihn wird die Voraussetzung geschaffen, daß eine
gute chemische Bindung zwischen der thermisch aufge
spritzten oder galvanisch abgeschiedenen Schicht und den
Oberflächen des Drahtes erreicht wird, über die die
Haftung dieser Schicht auf dem faserverstärkten Grund
körper vermittelt wird. Voraussetzung dafür ist das
Entfernen der die Drahtoberflächen zunächst bedeckenden
Kunstharzhaut und das Freilegen von metallischen
Angriffsflächen. Dies geschieht durch mechanischen Abtrag
oder durch chemische Löse- oder Ätzverfahren. Als
mechanische Verfahren sind neben den spanabhebenden
Verfahren vor allem Schleifen oder Sand- bzw. Pulver
strahlen vorteilhaft. Wenn die dabei erhaltenen Draht
oberflächen zu glatt sind, können sie z. B. durch Ätzen
mit Säuren oder Laugen aufgerauht werden. Unter dem
Begriff "chemische Bindung" werden im Sinne der Erfindung
alle Arten der chemischen Bindungen, wie ionogene,
kovalente, metallische oder koordinative Bindungen ver
standen. Bei dieser Bearbeitung kann der Flächenanteil
der metallischen Oberflächen, die für das thermische
Spritzen oder das galvanische Auftragen zur Verfügung
stehen sollen, durch die Stärke der abgetragenen Schicht
eingestellt werden. Bei nur geringem Abtrag, d. h. wenn,
gemessen am annähernd kreisförmigen Querschnitt des
Drahtes die gedachte, die Abtragshöhe markierende Sekante
eine geringe Größe hat, befinden sich zwischen den Draht
wicklungen noch beträchtliche Oberflächenbereiche aus
Kunstharz und die zur Verfügung stehende metallische
Oberfläche ist vergleichsweise klein. Wenn durch den
Abtrag die gedachte Sekante zum Durchmesser des Drahtes
wird, steht die maximal mögliche metallische Oberfläche
zur Verfügung. Bei dicht gewickelten Drähten ist dann,
abgesehen von den die Drähte bedeckenden dünnen Kunst
harzhäuten, die ganze Oberfläche metallisch. Der letzt
genannte Zustand kann auch erreicht werden, wenn der
Grundkörper mit einem metallischen Band umwickelt wird.
Eine große metallische Oberfläche erhält man auch, wenn
der Draht aus einem im Vergleich zum ausgehärteten Kunst
harz sehr harten oder zähen Metall besteht und das Frei
legen der blanken metallischen Oberflächen durch Pulver
strahlen geschieht. In diesem Fall wird das Kunstharz aus
den zwischen den Drahtwicklungen befindlichen Zwickeln
herausgestrahlt und es bleiben die Drahtkonturen im
wesentlichen erhalten. Die Einstellung des tatsächlich
verwendeten Oberflächenanteils wird vom Anwender des
Verfahrens den Erfordernissen der gestellten Beschich
tungsaufgabe gemäß auf der Basis von Vorversuchen vor
genommen.
Wenn an die Maßhaltigkeit der beschichteten Teile sehr
hohe Anforderungen gestellt werden, ist es vorteilhaft,
die Oberfläche des Walzenrohlings beim Freilegen der
metallischen Oberflächen vor dem Beschichten bereits auf
Maß und auf eine glatte Oberfläche zuzuschleifen. Die
danach thermisch aufgespritzten oder galvanisch abge
schiedenen und evtl. zusätzlich aufgebrachten Schichten
haben dann einen gleichmäßigeren Schichtaufbau und eine
gleichmäßigere Schichtdicke und sie lassen sich dann mit
geringem Aufwand auf die geforderte Oberflächengüte und,
falls noch erforderlich, auf die geforderten Maße bringen.
Auf den wie im vorstehenden beschrieben vorbereiteten
faserverstärkten, mit Metalldraht umwickelten Kunstharz
körper wird nach einer Reinigung von oberflächlich an
haftenden Verunreinigungen wie Staub oder einem Ölfilm,
mittels eines der in der Technik wohlbekannten
thermischen Spritzverfahrens mindestens eine Schicht
aufgespritzt. Als Auftragsverfahren kommen vor allem das
Flammspritzen und das Plasmaspritzen unter Einschluß der
Variante des Vakuumplasmaspritzens in Frage. Welches der
gleichermaßen geeigneten Verfahren verwendet wird, hängt
von den Gegebenheiten des Anwenders und von der Aufgaben
stellung ab.
Die freigelegten metallischen Oberflächenanteile können
auch der Haftgrund für galvanische Beschichtungen, die im
übrigen nach den allgemein bekannten Methoden hergestellt
werden, sein. Je nach Ausdehnung und Struktur der blanken
metallischen Oberflächenanteile kann so auf galvanischem
Wege eine Vielzahl von metallischen Oberflächen
strukturen erzeugt werden, von denen im folgenden bei
spielhaft einige beschrieben werden:
- - in Umfangsrichtung spiralförmig verlaufende, metall beschichtete Stege, die durch zu ihnen parallel ver laufende, tiefer liegende, aus Kunstharz bestehende Strukturen getrennt sind,
- - geschlossene metallische, beschichtete Oberflächen mit in Umfangsrichtung spiralförmig verlaufenden Erhebungen,
- - metallbeschichtete geschlossene, glatte Oberflächen.
Entsprechende Oberflächenstrukturen können, in allerdings
nicht so ausgeprägter Form auch beim thermischen Spritz
beschichten erhalten werden.
Als Spritzgut können alle Stoffe, die im vorstehenden als
Material für die Drahtwickelschicht aufgeführt worden
sind, verwendet werden. Es sind Metalle wie Nickel,
Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen, Kobalt, Titan, Silicium,
Aluminium, Kupfer, Zink oder Legierungen eines dieser
Metalle. Außerdem finden noch keramische Stoffe wie
Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkon
dioxid oder eine Kombination von Siliciumkarbid mit
Silicium Verwendung. Die Auswahl des jeweils eingesetzten
Stoffes richtet sich nach dem vorgegebenen Verwendungs
zweck. Durch letzteren ist auch die Oberflächenstruktur
des Körpers und die auf das thermische Beschichten
folgende Nachbehandlung der Oberfläche festgelegt. Wo es
nur auf Abrasionsfestigkeit ankommt oder einfache
Auflage- oder Umlenkfunktionen wie z. B. bei Förder- und
Walzenbändern zu erfüllen sind, kann auf eine weitere
Bearbeitung verzichtet werden. Bei Anwendungen, bei denen
es auf Maßhaltigkeit und hohe Oberflächengüte ankommt,
wie z. B. bei Druck-, Farbauftrags-, Umlenk- oder
Transportwalzen bei der Papier- oder Folienherstellung
oder -Verarbeitung ist eine nachfolgende Bearbeitung
durch spanabhebende Bearbeitungsverfahren, durch
Schleifen, Polieren oder Läppen erforderlich.
Für manche Einsatzzwecke ist es notwendig, Körper mit
einem mehrschichtigen Belag auf dem kunstharzhaltigen
Grundkörper herzustellen. Dies kann z. B. der Fall sein,
wenn außen eine duktile Oberfläche gefordert wird, die
sich auf einer harten, zähen Unterlage abstützt oder
verallgemeinert, wenn die aufgebrachte Grundschicht
allein dem vorgesehenen Verwendungszweck nicht genügt und
durch das Aufbringen weiterer Schichten erst die
geforderten Eigenschaften der Beschichtung bezüglich
Härte, Rauhigkeit, Haftfähigkeit, Porosität, elektrischer
Leitfähigkeit, Oberflächenstruktur etc. erreicht werden
können. In diesen Fällen ist es möglich, auf die erste
thermisch aufgespritzte Schicht nach an sich bekannten
und in der Praxis erprobten Verfahren weitere Schichten
aufzutragen. Dies kann durch Fortsetzen des Auftrags mit
thermischen Spritzverfahren oder, falls die Grundschicht
elektrisch leitend ist, auch auf galvanischem Wege
geschehen. Auf diese Weise können mehrere Schichten
übereinander aufgebracht werden, wobei das verwendete
Auftragsverfahren von Schicht zu Schicht gewechselt
werden kann. Die schichtweise übereinander aufgebrachten
Materialien gehören in der Regel unterschiedlichen
Stoffen an. Sie können aber auch stofflich gleich sein.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen auf
der Hand. Durch seine Variabilität ermöglicht es eine
Anpassung an eine Vielzahl von technischen Problem
stellungen auf einfachem Wege. Es ist nunmehr möglich,
auf mit Fasern verstärkten Kunstharzkörpern ohne größeren
Aufwand durch ein thermisches Spritz- oder ein galva
nisches Auftragsverfahren Oberflächenbeschichtungen mit
gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbesserter
Haftfestigkeit und mechanischer Stabilität zu schaffen.
Das Aufbringen galvanisch abgeschiedener Schichten war
bis jetzt nur nach einer vorhergegangenen thermischen
Spritzbeschichtung mit Metallen möglich. Die früher
existenten Haftungsprobleme zwischen der thermisch
aufgespritzten Schicht und dem faserverstärkten Kunst
harzkörper, die
- 1. aus der Wirkung stark unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem faserverstärkten Kunstharzkörper und dem thermisch aufgespritzten Beschichtungsmaterial und
- 2. aus der Bildung von Zersetzungsprodukten des Kunst harzes während des thermischen Spritzens sowie
- 3. aus dem Entstehen eben solcher Zersetzungsprodukte beim thermischen Spritzen oder/und dem Vorhandensein einer Kunstharzzwischenschicht zwischen zusätzlich auf den faserverstärkten Kunstharzkörper aufgebrachten Schichten, die eine bessere Haftung der aufgespritzten Schichten bewirken sollten und der thermisch aufge spritzten Schicht
herrührten, sind für das thermische Aufspritzen der
Schichten und für die Beanspruchung dieser Schichten im
laufenden Betrieb praktisch bedeutungslos geworden. Die
Unempfindlichkeit und die gute Haftfähigkeit der
Beschichtung erkennt man daran, daß nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren beschichtete Körper ohne Abplatzen von
Teilen der Schicht mit mechanischen Trennwerkzeugen
geschnitten werden können und daß die Beschichtung
Schlagbeanspruchungen beim Hantieren und im Betrieb ohne
Beschädigungen gewachsen ist. Das Aufbringen und
Präparieren der verfahrensnotwendigen, die verbesserte
Haftfähigkeit bedingenden Schicht auf dem faserver
stärkten Grundkörper kann mit geringem Aufwand unter
Verwendung allgemein gebräuchlicher maschineller Ein
richtungen wie Wickelmaschinen rationell ausgeführt
werden. Eine Schädigung außenliegender Verstärkungsfasern
durch auftreffende Partikel beim thermischen Spritzen
kann ausgeschlossen werden. Der Anwender des Verfahrens
ist in der Wahl der Harzmatrices für die Verstärkungs
fasern und der Materialien für die aufzubringenden
Schichten in weiten Grenzen frei.
Die Erfindung wird durch die folgenden Ausführungsbei
spiele erläutert. Sie ist jedoch nicht auf die Aus
führungsformen der Beispiele beschränkt.
- 1. Eine 2000 mm lange hohlzylindrische Walze mit einem
Innendurchmesser von 90 mm aus mit Kohlenstoffend
losfasern verstärktem Phenolformaldehydharz, die durch
Aufwickeln eines mit Phenolformaldehydharz getränkten
Kohlenstoffadens auf einen zylinderförmigen Dorn in
einer Vielzahl von Lagen, Aushärten des Harzes und
Entformen hergestellt worden war, wurde auf einer
Drehbank auf das Durchmesseraußenmaß von 100 mm zuge
schliffen. Die so vorbereitete Walze wurde auf eine
numerisch gesteuerte zweiachsige Wickelmaschine
gespannt und zum Entfernen von störenden Oberflächen
verunreinigungen mit ölnebelfreier Preßluft abgeblasen
sowie mit Aceton entfettet. Danach wurde mit einem
Pinsel ein Phenolformaldehydharz (Typ DW 247,
Fa. Bakelite, mit 5% p-Toluolsulfonsäure als Härter,
Viskosität 500 bis 1000 mPa·s) in dünner Schicht
aufgetragen und zur Erzeugung einer gleichmäßig
starken Schicht mit einer Ziehklinge abgezogen. Für
den nun folgenden Wickelprozeß wurde ein Nickeldraht
(98% Nickel) mit einem Durchmesser von 0,2 mm ver
wendet. Dieser Draht wurde in einer Bohrung am
äußersten Rand der Walze durch Verknoten fixiert und
sodann mit einer Walzendrehzahl von 150 min-1 bei
einem Vorschub von 0,2 mm pro Walzenumdrehung unter
einer Vorspannkraft von 6 N einlagig aufgewickelt.
Am Ende des Wickelprozesses wurde der Draht mit einer
Schraubklemme unter Fortbestehen der Spannkraft
fixiert, die Walze aus der Wickelmaschine heraus
genommen und das aufgebrachte Kunstharz bei Raum
temperatur 24 Stunden vorgehärtet. Das Endhärten
erfolgte danach in einem Umlufttrockenschrank unter
folgendem Temperaturprogramm:
Aufheizen auf 120°C, 2 Stunden,
Halten auf 120°C, 1 Stunde,
Abkühlen auf Raumtemperatur ohne Zwangskühlung. - Die Walze mit der aufgewickelten und durch aus gehärtetes Kunstharz auf ihrer Oberfläche fixierten Nickeldrahtschicht wurde auf einer Schleifmaschine mit Diamantscheibe um ca. 100 µm im Durchmesser abge schliffen und ihre äußere Oberfläche durch Abblasen mit ölnebelfreier Preßluft entstaubt. Auf die so vorbereitete Mantelfläche der Walze wurde durch Plasmaspritzen unter Anwendung von auf diesem Gebiet der Technik üblichen Bedingungen eine Schicht aus einer Nickel/Chrom-Legierung (80 Gew.-% Nickel, 20 Gew.-% Chrom) aufgebracht. Nach der Spritzbe handlung wurden die Spitzen und Grate der aufge brachten Beschichtung durch Bürsten mit einer Draht bürste abgetragen und eine glatte Oberfläche erhalten.
- 2. Auf einer Wickelmaschine wurde auf einen Dorn von
90 mm Durchmesser ein durch ein Bad eines Epoxidharzes
(Bakelite, L 20), Viskosität 800 bis 1000 mPa·s
geleitetes Kohlenstoffasergroßkabel aus 40 000 Fila
menten bis zu einer Schichtstärke von 10,3 mm ge
wickelt. Die Länge des Wickelkörpers betrug 2000 mm.
Die Oberfläche des Wickelkörpers wurde mit einer
Trennfolie umwickelt und der Körper in einem Umluft
trockenschrank mit folgendem Härtezyklus ausgehärtet:
Aufheizen auf 80°C, 1 Stunde,
Haltezeit bei 80°C, 10 Stunden,
Aufheizen von 80°C auf 130°C, 1 Stunde,
Haltezeit bei 130°C, 10 Stunden,
Abkühlen ohne Zwangskühlung.
Die so erhaltene Walze wurde dann auf einer Schleif
maschine mit Diamantschleifscheibe auf einen Durch
messer von 99,9 mm abgeschliffen. Danach wurde die Walze
zum Aufwickeln des Drahtes in eine in der industriellen
Technik gebräuchliche numerisch gesteuerte zweiachsige,
Technik gebräuchliche numerisch gesteuerte zweiachsige,
mit einer Fadenspannungsanlage ausgerüstete Wickel
maschine eingespannt und ihre Oberfläche durch Abblasen
mit ölnebelfreier Preßluft und Entfetten durch Abreiben
mit Aceton gereinigt. Zum Beschichten wurde ein Nickel
draht, 98% Nickel, Durchmesser 0,2 mm verwendet. Nach
dem Festlegen des Drahtes auf der Walze, das in gleicher
Weise wie in Beispiel 1 geschah, wurde der Draht unter
sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, jedoch mit
dem Unterschied aufgewickelt, daß der Draht in der
Wickelapparatur nach der Fadenspannungsanordnung durch
ein Bad aus Epoxidharz (Bakelite, L 20, Viskosität
800 bis 100 mPa·s) gezogen wurde. Die dabei vom Draht
auf- und mitgenommene Menge an Kunstharz reichte für den
Aufbau einer gut auf dem Grundkörper haftenden Kunst
harz-Draht-Schicht aus. Nach der vollständigen Bedeckung
des Wickelkörpers mit Draht und Festlegen des Draht
endes auf der Walze wurde der Körper nochmals der
gleichen Härtungsbehandlung wie oben unter diesem
Ausführungsbeispiel beschrieben, unterworfen. Danach
wurde die Walze auf einer Schleifeinrichtung mit einer
Diamantschleifscheibe auf ein Endmaß von 100,0 mm abge
schliffen. Nach dem Schleifen wurde die Walze zum
Beschichten nach dem Flammspritzverfahren in eine
motorgetriebene Dreheinrichtung eingespannt, die ein
Rotieren um die Längsachse der Walze ermöglichte. Vor
Beginn des Spritzvorganges wurde die Oberfläche der Walze
von anhaftenden Staubpartikeln mittels ölnebelfreier
Preßluft gereinigt. Danach wurde die Mantelfläche der
Walze mit einer 100 µm starken Schicht aus einer
Legierung der Zusammensetzung 78 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-%
Chrom, 7 Gew.-% Eisen nach dem Flammspritzverfahren unter
in diesem Zweig der Technik üblichen Bedingungen be
schichtet. Nach dem Beschichten wurde die Walzenober
fläche mittels Stahlbürste durch Abtragen der Spitzen
geglättet.
Die bei den Beschichtungen nach den Beispielen 1 und 2
erzeugten, thermisch aufgespritzten Schichten wurden mit
Schichten gleicher Zusammensetzung verglichen, die ohne
Verwendung einer haftvermittelnden Zwischenschicht mit
thermischen Spritzbeschichtungsverfahren nach dem Stand
der Technik hergestellt worden waren. Die angewendeten
Testmethoden bzw. Beanspruchungsarten und die erhaltenen
Testergebnisse sowie Beobachtungen sind aus der tabella
rischen Übersicht zu ersehen.
Diesen Beobachtungen und Ergebnissen muß noch hinzu
gefügt werden, daß Beschichtungen, wie sie in den
Beispielen 1 und 2 vorgenommen wurden, jedoch ohne
zuvor die haftvermittelnden Flächen der in die Kunst
harzzwischenschicht eingebundenen Teilchen von Kunst
harz zu befreien und zu säubern, nur Haftfestigkeiten von
der Güte des Vergleichsbeispiels zu Beispiel 1 erreichen.
Die beschriebenen Ergebnisse zeigen in klarer Weise den
durch die Erfindung bewirkten technischen Fortschritt.
Claims (17)
1. Verfahren zum Aufbringen eines aus mindestens einer
Schicht bestehenden, festhaftenden, widerstandsfähigen
Belages auf die Oberfläche eines aus einem Verbund
werkstoff aus verstärkenden Fasern und einer Kunst
stoffmatrix bestehenden, mit einem Draht oder einem
Band umwickelbaren Körpers,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - auf die äußere Oberfläche des mit einem Draht oder einem Band umwickelbaren Körpers ein Metalldraht gewickelt und dort mit Kunstharz fixiert wird, der stofflich dem Material entspricht, das als Beschich tungsmaterial dient oder das sich mit dem als Beschichtungsmaterial dienenden Material chemisch zu verbinden imstande ist
- - die äußere Oberfläche der aus gewickeltem Metall draht und Kunstharz bestehenden Schicht in einer Weise und soweit behandelt wird, daß in Richtung der späteren thermischen Beschichtung zeigende, kunst harzfreie, saubere, metallische Oberflächen ent stehen,
- - und daß das Material für die Erzeugung mindestens der ersten Schicht des Belages mittels eines thermi schen Spritzverfahrens auf die so vorbereitete äußere Oberfläche der aus gewickeltem Metalldraht und Kunstharz bestehenden Schicht aufgespritzt wird.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - auf die äußere Oberfläche des mit einem Draht oder einem Band umwickelbaren Körpers ein Metalldraht gewickelt und dort mit Kunstharz fixiert wird, der als Basismaterial zur galvanischen Abscheidung von mindestens einer Schicht dienen kann,
- - die äußere Oberfläche der aus gewickeltem Metall draht und Kunstharz bestehenden Schicht in einer Weise und soweit behandelt wird, daß in Richtung der späteren galvanischen Beschichtung zeigende, kunst harzfreie, saubere, metallische Oberflächen entstehen
- - und daß auf die kunstharzfreien, sauberen metallischen Oberflächen galvanisch eine Schicht aus der Gruppe der Metalle Nickel, Chrom, Kupfer, Zink aufgebracht wird.
3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht so auf den mit einem Draht oder einem Band
umwickelbaren Körper aufgewickelt wird, daß sich die
mit Kunstharz beschichteten Drahtwicklungen seitlich
berühren.
4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht auf den mit einem Draht oder einem Band
umwickelbaren Körper einlagig aufgewickelt wird.
5. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht auf den mit einem Draht oder einem Band
umwickelbaren Körper mehrlagig übereinander aufge
wickelt wird.
6. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht auf den mit einem Draht oder einem Band
umwickelbaren Körper unter einer Vorspannung auf
gewickelt wird.
7. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchmesser des Drahtes mindestens 0,05 mm und
höchstens 2,0 mm beträgt.
8. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchmesser des Drahtes mindestens 0,1 und
höchstens 0,2 mm beträgt.
9. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht und das für das thermische Spritzen zum
Aufbringen des festhaftenden widerstandsfähigen
Belages verwendete Material aus einem der Metalle aus
der Gruppe Nickel, Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen,
Kobalt, Titan, Silicium, Aluminium, Kupfer, Zink, oder
aus einer Legierung eines Metalls aus dieser Gruppe
besteht.
10. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Draht aus einem der Metalle aus der Gruppe Nickel,
Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen, Kobalt, Titan,
Silicium, Aluminium, Kupfer, Zink oder aus einer
Legierung eines Metalls aus dieser Gruppe und das für
das thermische Spritzen zum Aufbringen des festhaf
tenden, widerstandsfähigen Belages verwendete Material
aus der Gruppe Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titan
dioxid, Zirkondioxid oder Siliciumcarbid/Silicium
besteht.
11. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der äußere, festhaftende, widerstandsfähige Belag
durch Flammspritzen aufgebracht wird.
12. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der äußere, festhaftende, widerstandsfähige Belag
durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
13. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf die erste, thermisch aufgespritzte Schicht des
festhaftenden, widerstandsfähigen Belages mindestens
eine weitere Schicht thermisch aufgespritzt wird.
14. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf mindestens eine der thermisch aufgespritzten
Schichten, sofern sie elektrisch leitfähig ist, eine
oder mehrere Schichten galvanisch abgeschieden
wird/werden.
15. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zu beschichtende, mit einem Draht oder einem Band
umwickelbare Körper eine Matrix aus Phenolformaldehyd
harz hat.
16. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zu beschichtende, mit einem Draht oder einem Band
umwickelbare Körper eine Matrix aus Epoxidharz hat.
17. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zu beschichtende, mit einem Draht oder einem
Band umwickelbare Körper mit Kohlenstoffasern
verstärkt ist.
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