DE4116641A1

DE4116641A1 - Verfahren zum beschichten eines faserverstaerkten kunststoffkoerpers

Info

Publication number: DE4116641A1
Application number: DE4116641A
Authority: DE
Inventors: Hinrich Dipl Ing Habenicht
Original assignee: Sigri Great Lakes Carbon GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1992-11-26
Also published as: DE59200715D1; FI921549A0; FI99028C; JPH05202461A; CA2066149A1; FI99028B; EP0514640A1; KR920021629A; EP0514640B1; ATE113633T1; FI921549A; JP2954423B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines aus einer oder mehreren Schichten bestehenden fest haftenden widerstandsfähigen Belages auf die Ober fläche von aus einem Verbundwerkstoff aus verstärkenden Fasern und einer Kunststoffmatrix bestehenden Körpern.

Durch Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen können im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau sowie in der Bau industrie erhebliche Vorteile erzielt werden. Faserver stärkte Kunststoffe sind bei guter Korrosionsbeständig keit im allgemeinen leichter als Metalle und haben bei entsprechender Auslegung mindestens gleich gute gewichtsbezogene mechanische Eigenschaften. Diese Vor teile 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 sowie in der Bau industrie ist es vorteilhaft, sich der hohen Zug- und Biegefestigkeit, der ausgezeichneten Torsionssteifigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit der im Vergleich zu Metallen oder keramischen Werkstoffen leichteren faser verstärkten 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 durch galvanisches Auftragen mit einem widerstandsfähigen Metall zu beschichten (DE-GM 84 06 019). Die Qualität so aufgebrachter 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 Schutzschichten 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 einer 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 und wenig aufwendig ist und Schichten mit wesentlich verbesserter Haft festigkeit herstellbar sind.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zu beschichtende Oberfläche aus einem Kunstharz besteht, in das ein Anteil eines Materials in Teilchenform eingebunden ist, das stofflich dem Material entspricht, das als Beschichtungs material dient oder das sich mit dem als Beschichtungs material dienenden Material chemisch zu verbinden im stande ist, daß die äußeren Teile der zu beschichtenden Oberfläche soweit und in einer Weise abgetragen werden, daß die in die Oberfläche eingebundenen, stofflich dem Beschichtungsmaterial gleichen oder entsprechenden Teil chen in Richtung der späteren Beschichtung zeigende, freiliegende, saubere, kunstharzfreie Oberflächen haben und daß das Material für die Erzeugung mindestens der ersten Schicht des Belages auf diese Oberfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgespritzt wird. Weitere Ausgestaltungen der erfinderischen Lösung finden sich in den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Wesentlich für die Erfindung sind folgende, zusammen wirkende Faktoren:

1. Ein Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff ist mit einer ein teilchenförmiges Material enthaltenden Kunstharzschicht verbunden. Das für diese Schicht verwendete Kunstharz hat einerseits eine gute Haftung auf oder in der Harzmatrix des Grundkörpers und andererseits ein gutes Einbindungsvermögen für die körnigen bis pulverigen Materialien.
2. Die Oberfläche der teilchenhaltigen Schicht wird im ausgehärteten Zustand soweit abgetragen, daß die zunächst herstellungsbedingt mit einer Kunstharz schicht überzogenen Teilchen freiliegende, nach außen weisende, saubere Oberflächen erhalten, aber anderer seits weiterhin fest in der Kunstharzmatrix verankert bleiben.
3. Die auf diese Oberfläche mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens aufgebrachte erste Schicht findet ihre Verankerung an und in den freigelegten Ober flächenanteilen der Teilchen, die auf ihren nicht freigelegten Seiten fest in die Kunstharzmatrix der Zwischenschicht eingebunden sind. Diese Verankerung wird durch eine chemische Bindung der aufgespritzten Teilchen mit den in die Harzmatrix eingebetteten Teilchen der Unterlage bewirkt. Wesentlich für eine befriedigende Ausbildung einer solchen Bindung ist das Fehlen einer die Teilchenoberflächen abdeckenden Kunstharzhaut. Versuche haben ergeben, daß die Haftung der thermisch aufgespritzten Schicht drastisch ver schlechtert ist, wenn die heißen Partikel erst eine Kunstharzhaut durchschlagen müssen, ehe sie die Ober flächen der in der Kunstharzschicht verankerten Teil chen erreichen oder wenn sie gar nur mechanischen Halt in der Kunstharzschicht bekommen. Einer Haftung hinderlich sind auch Produkte der thermischen Zer setzung, die beim Aufprall der heißen geschmolzenen Beschichtungspartikel auf eine Kunstharzoberfläche entstehen. Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Verfahren ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verankerung der thermisch aufgespritzten Schicht in der Kunstharzunterlage nicht mehr notwendig.

Der Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff kann jede für die Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens geeignete Form haben. Besonders geeignet sind einerseits ebene oder gebogene flächige Gebilde wie Platten, Schalen, Behälter oder Rohrleitungen oder Segmente davon oder andererseits Körper mit mindestens teilweise in sich geschlossenen Oberflächen wie Rohre, Rollen, Walzen, Kegel oder Kegelstümpfe.

Grundmaterial und Matrixwerkstoff für die verstärkenden Fasern können alle Kunstharze sein, aus denen Körper der oben beschriebenen Gestalt mit ausreichender Form- und Temperaturstabilität hergestellt werden können. Insbe sondere sind dies die duroplastischen Harze wie Phenol formaldehyd-, Epoxid- oder Polyesterharze. Es sind aber auch thermoplastische Harze wie z. B. Polypropylen, Poly amide oder Polycarbonate geeignet. Als verstärkende Fasern werden vor allem Kohlenstoffasern, wobei unter diesem 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 carbi dische Fasern wie SiC-Whisker eingesetzt werden. Die Fasern können als Kurzschnitt- oder Stapelfasern in Form von Geweben, Geflechten, Gewirken oder anderen textilen Gebilden zwei oder dreidimensionaler Art oder als End losfasern in den Kunstharzkörper eingebunden sein.

Zur Haftvermittlung für die thermisch aufzuspritzende Schicht dienen Teilchen, die

1. entweder direkt in die an die äußere Oberfläche des faserverstärkten Grundkörpers angrenzenden Schichten oder
2. in einer auf die äußere Oberfläche des faserver stärkten Grundkörpers aufgebrachte und mit dieser Oberfläche fest verbundenen Schicht eingebunden sind.

Im ersten Fall werden die Teilchen beim Aufbau der äußersten Schichten direkt mit eingearbeitet. Dabei können die Teilchen im trockenen Zustand, eventuell mit einem Haftvermittler versehen oder aufgeschlämmt in einem Harz oder in einer Harzlösung verarbeitet werden. Dies kann z. B. durch gleichzeitiges Aufspritzen der Teilchen komponente und einer kurzfaserverstärkten Kunstharzmasse mit getrennten aber koordiniert arbeitenden Spritzein richtungen oder aber durch Aufspritzen der die Teilchen enthaltenden Kunstharzkomponente in entsprechender Weise oder auch durch Aufstreuen der trockenen Teilchenkompo nente beim Aufbau eines mit Endlosfasern verstärkten Körpers, z. B. beim Wickelprozeß geschehen.

Im zweiten Fall wird vorteilhafter Weise eine Mischung aus einem Kunstharz, das sich mit dem Grundkörper aus faserverstärktem Kunstharz gut verbinden kann und der Teilchenkomponente hergestellt. Das dazu ausgewählte Kunstharz kann das gleiche wie das des Grundkörpers oder ein anderes sein, das den Bedingungen einer guten Ver bindung zum Grundkörper, einer guten Einbindung der Teilchen und einer guten Bearbeitbarkeit nach dem Aus härten gleichermaßen entspricht. Diese Kunstharz- Teilchen-Mischung wird in dünner Schicht auf die Oberfläche des faserverstärkten Kunstharzkörpers auf gebracht. Man kann sich dazu aller Verfahren bedienen, die dazu geeignet sind. Das Auftragen kann mit einer Spachtel von Hand, maschinell mit einem Rakel, durch ein Spritzverfahren oder nach einem "inversen Verfahren" durch Aufblasen eines Körpers, speziell einer Walze oder eines Rohres, gegen eine entsprechend ausgebildete Form, deren Innenwand mit einer Kunstharz-Teilchenschicht ver sehen worden ist, Aushärten des Kunstharzes und nach folgendes Entformen geschehen. Nach einer anderen Variante eines derartigen "inversen Verfahrens" wird ein Kunstharz verwendet, das bei Temperaturbehandlung und/oder beim Aushärten expandiert, wobei die Teilchen sowohl im expandierbaren Kunstharz oder in einer auf die Innen wand der umgebenden Form aufgebrachten Kunstharzschicht enthalten sein können. Für Beschichtungen, die keinen hohen Ansprüchen genügen müssen, können die Teilchen auch auf eine Kunstharzschicht aufgestreut oder als Pulver aufgespritzt und falls notwendig eingedrückt werden. Nach ihrer Herstellung wird die teilchenhaltige Schicht nach bekannten Verfahren ausgehärtet.

Wenn an die Maßhaltigkeit des fertig beschichteten Körpers hohe Anforderungen gestellt werden, ist es vor teilhaft, bereits dem faserverstärkten Grundkörper eine in entsprechenden Toleranzen vorbearbeitete Oberfläche zu geben. Dies kann je nach Anwendungsfall durch Schleifen oder ein spanabhebendes Verfahren geschehen. Um nach dem Aufbringen der teilchenhaltigen Kunstharzschicht und dem Aushärten dieser Schicht wiederum eine glatte, nicht deformierte Oberfläche zu erhalten, werden die mit der teilchenhaltigen Harzschicht versehenen Körper mit einer Abdeckfolie belegt, die nach dem Aushärten wieder ent fernt wird. Zylinderförmige Körper werden dazu mit einem Deckband wie es dem Fachmann bekannt ist, umwickelt. Die auf dem faserhaltigen Grundkörper befindliche, die Haftung der thermisch aufgespritzten Schicht ver mittelnde Teilchen enthaltende Schicht hat eine Dicke von mindestens 50 µm und höchstens 4000 µm. Dünnere Schichten lassen einen ausreichenden thermischen Ausgleich beim thermischen Spritzen nicht zu und ergeben eine schlechtere Haftung der Schichten, dickere Schichten sind wegen des steigenden Materialverbrauchs, des damit verbundenen Gewichtszuwachses des gesamten Körpers und wegen der Schwierigkeit, das Coating maßhaltig aufzu bringen, ungünstig. Die Teilchen, die als Haftvermittler wirken, werden in Form von Pulvern oder Körnungen in das Kunstharz eingebracht. Ihre Menge liegt je nach Anforde rungen zwischen 5 und 60 Volumenprozent bezogen auf die Kunstharz/Teilchenmischung. Die Teilchenform kann je nach stofflicher Herkunft und Herstellungsverfahren ver schieden sein. Die meisten angewendeten Formen sind im wesentlichen isometrisch, plättchen- oder stäbchenförmig wobei eckige, rauhe oder gezackte Teilchenoberflächen eine feste Verankerung begünstigen und deshalb bevorzugt werden. Die Teilchengröße beträgt mindestens 10 µm und höchstens 1000 µm.

Bezüglich der stofflichen Zusammensetzung entsprechen die in den zu beschichtenden Körper eingebrachten Teilchen den Materialien, aus denen die thermisch aufgespritzten Schichten bestehen. Es können metallische Werkstoffe wie Nickel, Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen, Kobalt, Titan, Silicium, Legierungen dieser Metalle oder Aluminium bzw. dessen Legierungen oder Kupfer und dessen Legierungen oder auch nichtmetallische Stoffe wie Siliciumdioxid, Gläser, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid oder Si-SiC sein. Bei der Konzeption der gesamten Beschichtung wird von den Anforderungen an die thermisch aufgespritzte Schicht ausgehend, ein Material ausgewählt, das eine gute Bindung mit dem Material der thermisch aufgespritzten Schicht ergibt und das in Teilchenform gut in der Harz matrix verankert werden kann. Dabei ist es nicht Bedingung, daß die im Kunstharz verankerten Teilchen aus dem gleichen Material bestehen, wie die thermisch auf gespritzte Schicht.

Nach dem Aufbau der ausgehärteten, die Teilchen ent haltenden Schicht ist es für den weiteren Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens zwingend erforderlich, daß eine gute chemische Bindung zwischen der thermisch auf gespritzten Schicht und den die Haftung dieser Schicht auf den faserverstärkten Körper vermittelnden Teilchen erreicht wird. Voraussetzung dafür ist das Entfernen der die Teilchen zunächst bedeckenden Kunstharzhaut. 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. Pulverstrahlen vorteilhaft. Die dabei erhaltenen, relativ glatten Teilchenoberflächen können danach z. B. durch chemisches Ätzen mit Säuren oder Laugen aufgerauht werden, ohne die glatte Kunstharzoberfläche des Körpers zu verletzen. Unter dem Begriff "chemische Bindung" werden im Sinne der Erfindung alle Arten der chemischen Bindungen wie ionogene, kovalente, metallische oder koordinative Bindungen verstanden.

Wenn maßhaltige, beschichtete Teile wie z. B. Walzen für die Druckindustrie hergestellt werden sollen, ist es vorteilhaft, die Oberfläche des Walzenrohlings nach dem Aufbringen der teilchenhaltigen Schicht und vor dem thermischen Beschichten bereits auf Maß und auf eine glatte Oberfläche zuzuschleifen. Die danach thermisch aufgespritzten und evtl. zusätzlich aufgebrachten Schichten haben dann einen gleichmäßigeren Schichtaufbau, eine gleichmäßigere Schichtdicke und sie lassen sich mit geringerem Aufwand auf die geforderten Maße und die geforderte Oberflächengüte bringen.

Auf den wie im vorstehenden beschrieben vorbereiteten faserverstärkten Kunstharzkörper, der außen eine teil chenhaltige Zone aufweist, wird mittels eines der bekannten thermischen Spritzverfahren mindestens eine Schicht aufgespritzt. Als Auftragsverfahren kommen vor allem das Flammspritzen und das Plasmaspritzen unter Einschluß der Variante des Vakuumplasmaspritzens in Frage.

Als Spritzgut können alle Stoffe, die im vorstehenden als Einlagerungsmaterial in Teilchenform für die Kunstharz zwischenschicht aufgeführt worden sind, verwendet werden. Die Auswahl des jeweils eingesetzten Stoffes richtet sich nach dem vorgegebenen Verwendungszweck. Durch den Ver wendungszweck ist auch die Oberflächenstruktur des Körpers festgelegt. Für Zwecke in der Bauindustrie oder im Abrasionsschutz kann häufig der beschichtete Körper ohne weitere Oberflächenbehandlung eingesetzt werden. Anwendungen im Maschinenbau wie z. B. als Druck-, Farb auftrags-, Umlenk- oder Transportwalzen bei der Papier- oder Folienherstellung oder -Verarbeitung erfordern eine nachfolgende Bearbeitung durch spanabhebende Bearbei tungsverfahren, durch Schleifen, Polieren oder Läppen, um die notwendige Genauigkeit und Rauhtiefe zu erzielen.

Für manche Einsatzzwecke ist es erforderlich, 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.

Wie zu erkennen ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr variabel und läßt auf einfachem Wege eine Anpassung an eine Vielzahl von technischen Problemstellungen zu. Im einzelnen ergeben sich folgende Vorteile. Es ist nunmehr möglich, auf einfachem Wege auf mit Fasern verstärkten Kunstharzkörpern durch ein thermisches Spritzverfahren Oberflächenbeschichtungen mit gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbesserter Haftfestigkeit und mechanischer Stabilität zu schaffen. Die früher existenten Haftungsprobleme zwischen der thermisch aufgespritzten Schicht und dem faserverstärkten Kunstharzkörper, 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 nach einfachen, auch maschinell und damit rationell ausführbaren Verfahren geschehen. 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 Verstärkungsfasern und der Materialien für die auf zubringenden 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 zum Beschichten mit einer mit einem Metallpulver ge füllten Kunstharzschicht auf eine numerisch gesteuerte Wickelmaschine gespannt und ihre äußere Oberfläche mit Aceton entfettet. Die Masse für das Beschichten bestand aus einer Mischung aus Phenolformaldehydharz (Bakelite DW 247), mit einer Viskosität von 500 bis 1000 mPa·s, in das wasserverdüstes Stahlpulver (Typ 316 L), rostfrei, Korngröße 75 µm im Volumen verhältnis 45% Stahlpulver zu 55% Phenolformal dehydharz eingemischt worden war. Zum Beschichten wurde die Walze mit einer Geschwindigkeit von 30 m·min^-1 rotiert und die Beschichtungsmischung mit einer flexiblen Spachtel in einer Dicke von ca. 1 mm aufgezogen. Anschließend wurde der be schichtete Körper mit einem Abreißgewebe umwickelt und in einem Umlufttrockenschrank mit folgendem Härte zyklus ausgehärtet:
Aufheizen auf 90°C, 1 Stunde,
Haltezeit bei 90°C, 24 Stunden,
Aufheizen von 90°C auf 130°C, 1 Stunde,
Haltezeit bei 130°C, 2 Stunden,
Abkühlen auf Raumtemperatur ohne aktives Kühlen.
Die Walze mit der ausgehärteten Oberflächenschicht wurde auf einer Schleifmaschine mit Diamantscheibe auf einen Durchmesser von 100,8 mm und eine Rauhtiefe von 10 bis 15 µm abgeschliffen 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 Nickel/Chrom-Legierung (80 Gew.-% Nickel, 20 Gew.-% Chrom) aufgebracht. Nach der Spritzbehand lung wurden die Spitzen und Grate der aufgebrachten Beschichtung durch Bürsten mit einer Drahtbürste abgetragen und eine glatte Oberfläche erhalten.
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 Filamenten bis zu einer Schichtstärke von ca. 9,5 mm gewickelt. Der Wickelkörper hatte eine Länge von 1 500 mm. Für das Einbringen der metallhaltigen Haft vermittlerschicht in die äußeren Lagen des Wickel körpers wurde mit einem Kohlenstoffaserkabel aus 12 000 Filamenten weitergearbeitet. Dieses wurde durch ein Bad geleitet, das aus einer Suspension aus dem gleichen Epoxidharz wie oben (Bakelite, L 20) mit einem Gehalt von 50 Gew.-% 15 Vol.-% eines Legierungspulvers, Korngröße 60% 70 µm, Zusammen setzung 89 Gew.-%, Nickel, 5 Gew.-% Molybdän, 6 Gew.-% Aluminiumbestand und nach dem Durchlaufen des Bades bis zum Erreichen einer Wandstärke von ca. 10,1 mm auf den Zylinder aufgewickelt. Durch die Fadenspannung beim Aufwickeln wurde ein beträchtlicher Teil der Mischung aus Expoxidharz und dem Legierungspulver aus den auf diese Weise aufgebrachten Wickellagen in die äußerste Oberflächenschicht gepreßt, so daß dort eine dünne, faserfreie Kunstharz/Legierungspulverschicht entstand. Die Oberfläche des Wickelkörpers wurde mit einer Trennfolie umwickelt und in einem Umlauf trockenschrank mit folgendem Härtezyklus ausgehärtet:
Aufheizen auf 90°C, 1 Stunde;
Haltezeit bei 90°C, 10 Stunden;
Aufheizen von 90°C auf 130°C, 1 Stunde;
Haltezeit bei 130°C, 2 Stunden.
Die so erhaltene Walze wurde sodann auf einer Dreh bank mit einer Diamantschleifscheibe auf ein Endmaß von 10,0 mm abgeschliffen. Nach dem Schleifen wurde die Walze zum Beschichten nach dem Flammspritz verfahren 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 Staub partikeln 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 beschichtet. Nach dem Beschichten wurde die Walzen oberfläche mittels Stahlbürste durch Abtragen der Spitzen geglättet.
3. Auf eine mit Glasfasern (mittlere Länge 20 mm) ver stärkte Platte (Breite 30 cm, Länge 50 cm, Dicke 0,2 cm) aus Phenolformaldehydharz, deren Oberfläche mit Ölnebelfreier Preßluft staubfrei gemacht worden war, wurde mit einer Spachtel eine Mischung aus Phenolformaldehydharz (Bakelite DW 247, Viskosität 500 bis 1000 mPa·s) mit einem Legierungspulver (Körnung 100 bis 200 µm, Zusammensetzung: Nickel 80 Gew.-%, Chrom 20 Gew.-%) im Volumenverhältnis 55% Legierungspulver, 45% Phenolformaldehydharz in einer Schichtdicke von 1 mm aufgetragen. Zum Härten der aufgetragenen Schicht wurde die Platte in einen Umlufttrockenschrank eingesetzt und nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Härtezyklus ausgehärtet. Nach dem Aushärten wurde die Oberfläche der Platte mit einem Sandstrahlgebläse so lange behandelt, bis die auf die Oberfläche der Platte aufgebrachte, das Legierungspulver enthaltende, ausgehärtete Harzschicht um ca. 0, 1 mm abgetragen worden war und genügend Oberflächenanteile der Körner des in die Harzschicht eingelagerten Legierungspulvers harzfrei gestrahlt worden waren. Nach dem Staubfreiblasen mit Ölnebelfreier Preßluft wurde die gestrahlte Oberfläche in einer Plasmaspritzanlage mit einer Zweikoordinaten traversiereinrichtung (waagerecht, senkrecht) mit einer Aluminiumoxidschicht (Schichtstärke 500 µm) versehen. Die so erhaltene Beschichtung kann ohne weitere Bearbeitung für Abrasionsschutzzwecke eingesetzt werden.
Die bei den Beschichtungen nach den Beispielen 1, 2 und 3 erzeugten thermisch aufgespritzten Schichten wurden mit Schichten gleicher Zusammensetzung ver glichen, die ohne Verwendung einer haftvermittelnden Zwischenschicht mit Beschichtungsverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden waren. Die angewendeten Testmethoden bzw. Beanspruchungsarten und die erhaltenen Testergebnisse sowie Beobachtungen sind aus der tabellarischen Übersicht zu ersehen.

Diesen Beobachtungen und Ergebnissen muß noch hinzu gefügt werden, daß Beschichtungen, wie sie in den Beispielen 1, 2 und 3 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 Fort schritt.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen eines aus mindestens einer Schicht bestehenden festhaftenden, widerstandsfähigen Belages auf aus einem Verbundwerkstoff aus ver stärkenden Fasern und einer Kunststoffmatrix bestehenden Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß

- der zu beschichtende Körper eine äußere, Verstär kungsfasern enthaltende oder von Verstärkungs fasern freie Schicht aus Kunstharz hat, in die ein Anteil eines Materials in Teilchenform einge bunden ist, das stofflich dem Material entspricht, das als Beschichtungsmaterial dient oder das sich mit dem als Beschichtungsmaterial dienenden Material chemisch zu verbinden imstande ist;
- die Oberfläche dieser äußeren Schicht aus Kunstharz soweit und in einer Weise abgetragen wird, daß die in die Schicht eingebundenen, stofflich dem Beschichtungsmaterial gleichen oder entsprechenden Teilchen in Richtung der späteren Beschichtung zeigende, freiliegende, saubere, kunstharzfreie Oberflächen haben
- und daß das Material für die Erzeugung mindestens der ersten Schicht des Belages auf diese Oberfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf gespritzt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Kunstharzes, die die Teilchen enthält, die stofflich dem Material entsprechen, das als Beschichtungsmaterial dient oder die sich mit dem als Beschichtungsmaterial dienenden Material chemisch zu verbinden imstande ist, eine Dicke von mindestens 50µm und höchstens 4000 µm hat und die Teilchen in einer Menge von 5 bis 60 Vol.-%, bezogen auf die Teilchen/Kunstharzmischung, eingebunden sind.

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schicht aus Kunstharz eingebundenen Teilchen eine Größe von mindestens 10 µm und höchstens 1000 µm haben.

4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schicht aus Kunstharz eingebundenen Teilchen und das für das thermische Spritzen ver wendete Material stofflich aus einem Material aus der Gruppe Nickel, Chrom, Vanadium, Mangan, Eisen, Kobalt, Titan, Silicium, Legierungen dieser Metalle, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupfer legierungen besteht.

5. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schicht aus Kunstharz eingebundenen Teilchen und das für das thermische Spritzen ver wendete Material stofflich aus einem Material aus der Gruppe Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid/Silicium besteht.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Verbund werkstoff bestehende Körper mit Kurzfasern verstärkt ist.

7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Verbundwerkstoff bestehende Körper mit Endlosfasern verstärkt ist.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Verbund werkstoff bestehende Körper mit durch textile Ver knüpfung von Fasern erhaltenen textilen Gebilden verstärkt ist.

9. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, festhaftende, widerstandsfähige Schicht durch Flammspritzen aufgebracht wird.

10. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, festhaftende, widerstandsfähige Schicht durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.

11. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die erste thermisch aufgespritzte Schicht mindestens eine weitere Schicht thermisch aufge spritzt wird.

12. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens eine der thermisch aufgespritzten Schichten eine oder mehrere Schichten galvanisch abgeschieden wird/werden.

13. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beschichtende Körper eine Walze oder Rolle aus kohlenstoffaserverstärktem Kunstharz ist.