DE4129120A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von substraten mit hochtemperaturbestaendigen kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Beschichten eines Substrats mit hochtem­ peraturbeständigen Kunststoffen.

In der chemischen Verfahrenstechnik, der Druck- und Plasmaätztechnik und anderen technischen Gebieten besteht die Notwendigkeit, metallische Grundkörper mit elektrisch isolierenden und gleichzeitig gegen Naßkorrosion schützenden Schichten zu überziehen, wobei die Schichten festhaftend und frei von durch­ gängigen Poren und Rissen sein müssen. Für Einsatz­ temperaturen bis etwa 100°C gibt es eine Reihe ge­ eigneter Thermoplaste, die beispielsweise durch Wir­ belsintern oder elektrostatische Verfahren auf die metallischen Körper aufgebracht werden. Kunststoff­ beschichtungen für höhere Temperaturen beispielsweise 200 bis 250°C, konnten nicht hergestellt werden.

Seit jüngster Zeit sind Kunststoffe auf Polyphenylen­ sulfid (PPS)- oder Polyetherketonbasis (PEK) verfüg­ bar, die eine hohe chemische Beständigkeit, relativ hohe Einsatztemperaturen (maximale Dauer - Gebrauchs­ temperatur von PPS etwa 220°C, von PEK von etwa 260°C) und gute elektrisch isolierende Eigenschaften auf­ weisen. Diese Kunststoffe werden zur Zeit für die Herstellung von Körpern mittels Spritzgießens verwen­ det. Es hat sich gezeigt, daß die feste und dichte Aufbringung auf metallische Grundkörper als Beschich­ tung bisher nicht möglich war. Mit elektrostatischen Methoden lassen sich aufgrund der inhärenten Verfah­ renseigenschaften nur jeweils dünne Schichten auf­ bringen, die nicht für tribologische oder Walkbela­ stung oder für hohe angelegte Spannungen geeignet sind. Auf vielen technischen Anwendungsgebieten be­ steht aber ein großes Interesse an dichten auf metal­ lischen Grundkörpern gut haftenden Schichten aus Kunststoff mit den oben angegebenen Eigenschaften. Im chemischen Apparatebau und in der Elektrochemie sind Kunststoffbeschichtungen beispielsweise zum Schutz metallischer Wandungen gegen Naßkorrosion und als chemisch beständige elektrische Isolation von Bautei­ len erforderlich; in der Papierindustrie werden walk­ belastbare Walzenbeschichtungen mit glatter Oberflä­ che benötigt, die geeignet sind für den Einsatz in aggressiven Medien; in der Druckindustrie werden Iso­ lierbeschichtungen von Elektrodenwalzen verlangt, um die Kunststoffoberflächen mittels Koronaentladung zu aktivieren und bedruckbar zu machen, wobei neben der Beständigkeit der Beschichtung in Ozon und W-Strah­ lung hohe Spannungs- und Durchschlagfestigkeit und niedrige Verlustwinkel bei HF-Entladungen gefordert sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten mit hochtemperaturbeständigen Kunststoffen zu schaffen, mit denen dichte und gut haftende Schichten ohne durchgängige Poren oder Risse her­ stellbar sind.

Im Stand der Technik sind zum Auftragen von Materia­ lien, beispielsweise von hochschmelzenden metalli­ schen oder keramischen Werkstoffen das Plasmaspritzen sowie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen als thermische Spritzverfahren bekannt. Beim Plasmaver­ fahren gibt es das atmosphärische Plasmaspritzen, das Vakuumplasmaspritzen und das Inertgasplasmaspritzen, bei denen eine aus einer Hochstromentladung stammende Plasmaströmung (Plasmastrahl) zur Aufschmelzung, Be­ schleunigung und Deposition des in Pulverform zuge­ führten Spritzgutes dient. Das Spritzgut wird nahe des Plasmaerzeugungsbereichs über Injektoren, die im oder am Plasmabrenner angeordnet bzw. befestigt sind, eingespritzt. In diesem Bereich kann das Plasma Tem­ peraturen von 10 000°C und mehr annehmen, wodurch im Falle einer Zuführung des hochbeständigen Kunststoff­ materials über die Injektoren eine thermische Zerset­ zung des Spritzgutes auftreten würde. Darüber hinaus ist bei üblichen Brennern die Geschwindigkeit der Spritzguttropfen zu niedrig, um ihre hohe Oberflä­ chenspannung zu überwinden, so daß keine dichten gleichmäßigen Schichten hergestellt werden können.

Bei dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen reagieren im Inneren des Brenners Brenngase wie Propan, Propy­ len usw. oder auch Acetylen mit Sauerstoff, wodurch sich ein unter erhöhtem Druck stehendes Reaktionsge­ misch bildet, daß sich durch eine Düse in Form einer Flamme entspannt. Das aufzubringende Spritzgut wird in Pulverform axial in diesem Reaktionsraum bzw. in den Anfangsbereich der Flammenströmung zugeführt, wodurch sich eine lange gewünschte Aufheiz- und Be­ schleunigungszeit für das Spritzgut ergibt. Für die Verarbeitung des hochtemperaturbeständigen Kunst­ stoffs ist die Brennraumtemperatur, die etwa bei 3000°C liegt, zu hoch. Dadurch können wiederum Ver­ crackungen des Kunststoffs auftreten und darüber hin­ aus setzen sich die Partikel des Kunststoffs an den Düsenwandungen fest, was zu schnellem Ausfall des Brenners führt.

Erfindungsgemäß wird die Beschichtung mit hochtempe­ raturbeständigen Kunststoffen mittels thermischer Spritzverfahren mit hoher Strahlgeschwindigkeit d. h. Geschwindigkeiten größer als 500 m/sec. aufgebracht, wobei der pulverförmige Kunststoff im den kälteren Bereich des Strahls bzw. der Flamme zugeführt wird.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, das pulverförmige Kunststoffmaterial sowohl beim Plasmaverfahren als auch beim Hochgeschwindigkeits­ flammspritzen stromabwärts im kälteren Strahlbereich, d. h. im Bereich von Temperaturen kleiner als 3000°C außerhalb der Düse oder des Brenners eingegeben wird. Dabei ist die Entfernung des jeweiligen Injektors zu der Düse bzw. dem Brenner abhängig von der Temperatur der austretenden Flamme bzw. des austretenden Strahls.

Es werden Brenner mit einer solchen Düsengeometrie verwendet, daß sich ein verbreiterter Hochgeschwin­ digkeitsstrahl ergibt, wodurch ein breiteres Strahl- und Temperaturprofil mit abgesenktem Temperaturniveau erzeugt wird und die thermische Belastung des einge­ gebenen Kunststoffmaterial verringert wird. Durch die Zuführung des Spritzgutes außerhalb der Strahlquelle im stromabwärtigen, kälteren Bereich des Freistrahls wird eine Überhitzung des Beschichtungsmaterials so­ wie eine Verstopfung der Strahlquelle im Falle des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens vermieden. Die Düsengeometrie für hohe Strahlgeschwindigkeit ist durch einen - von der Quelle ausgesehen - sich zu­ nächst verengenden und dann wieder erweiternden Quer­ schnitt gekennzeichnet. Bei richtiger Auslegung und Wahl der Druckbedingungen nimmt die Strömung in der Engstelle Schallgeschwindigkeit an, um dann im expan­ dierenden Teil überschallschnell zu werden. Das Spritzgut wird vorzugsweise in Pulverform zugeführt, kann aber auch in anderer Form, beispielsweise in Form von endlosen Fäden oder von mit Pulver gefüllten Schläuchen eingegeben werden.

Wie schon weiter oben erwähnt, besitzen die hochtem­ peraturbeständigen Kunststoffe (PPS, PEK) eine hohe Viskosität und Oberflächenspannung, so daß die Kunst­ stoffpartikel mit hoher Geschwindigkeit z. B. größer 200 m/sec und damit hoher kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffen müssen, damit eine möglichst dichte, stabile und festhaftende Schicht entsteht. Durch Zumischen von Zusätzen aus Keramik oder Metall, die ebenfalls pulverförmig ausgebildet sein können, kann die Viskosität und Oberflächenspannung verringert werden, wodurch die Schichtqualität verbessert wird. Diese Zusätze können zusammen mit dem Kunststoffmaterial zugegeben werden, aber vorzugsweise werden sie getrennt im heißeren Strahlbereich oder in die Strahlquelle, d. h. dem Brenner selbst zugeführt, wodurch aufgrund der ther­ mischen Energie die Aufschmelzung des Kunststoffmate­ rials verbessert wird. Die Verringerung der Oberflä­ chenspannung der Kunststoffpartikel fördert eine dichtere Schicht und gleichzeitig wirken die kerami­ schen oder metallischen Zusatzpartikel wegen ihrer höheren Dichte und Energie durch Impulsübertragung verdichtend. Durch die Zusatzpartikel wird die Härte der Schicht erhöht, so daß eine größere mechanische Belastbarkeit möglich wird. Darüber hinaus wird die Wärmedehnung der Schicht abgesenkt und damit die Ge­ fahr von Spannungsrissen verringert. Durch die Ein­ gabe der metallischen Zusatzpartikel mit vorgegebenen Dosierungen lassen sich die elektrische und thermi­ sche Leitfähigkeit gezielt variieren sowie die Härte, die mechanische Bearbeitbarkeit, optische Eigenschaf­ ten und dgl. beeinflussen.

Zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem zu beschichtenden Substrat, das beispielswei­ se aus Metall besteht, kann die Oberfläche aufgerauht werden, bei Metall beispielsweise durch Strahlen. Es kann auch zur Verbesserung der Haftung der Kunst­ stoffschicht auf dem Substrat eine metallische Haft­ schicht aus NiAl, NiCr, Zn oder dergleichen aufge­ bracht werden, wobei derselbe Spritzbrenner wie für die Kunststoffbeschichtung verwendet werden kann oder ein zusätzlicher Spritzbrenner vorgesehen werden kann. Für eine festere Verzahnung und einen zusätzli­ chen Wärmedehnungsausgleich ist es vorteilhaft, einen gradierten Übergang zwischen metallischer Haftschicht und Kunststoffbeschichtung herzustellen, wobei sich eine getrennte Partikelinjektion anbietet, da geson­ derte Dosierungen entsprechend dem gewünschten Aufbau möglich sind.

Die betrachteten Kunststoffe können nach der Deposi­ tion teilkristallin vorliegen. Sie neigen dann zur Rekristallisation unter Volumenabnahme, d. h. es tre­ ten Schrumpfspannungen und damit Risse auf. Diesen Eigenschaften kann durch Vorheizen des Substrats bzw. Werkstücks um oder über etwa 130°C im Falle des PPS entgegengewirkt werden. Eine andere Möglichkeit ist das Aufbringen einer porösen Zwischenschicht, die die Schrumpfspannungen aufnimmt, wobei für diese poröse Zwischenschicht gröberes Kunststoffpulver verwendet werden kann, das nur oberflächlich aufschmilzt, aber daher auch nicht schrumpft. Die gewünschte Porosität der Zwischenschicht läßt sich auch durch Verminderung der Strahl- und Partikelgeschwindigkeit, durch Absen­ ken der Brennerleistung und damit der Strahlenthalpie sowie eine Verlagerung der Partikelzugabe weiter stromabwärts erreichen. Auch ist die Einlagerung von Hohlkugeln aus demselben Kunststoffmaterial, die Ein­ lagerung von nachgebendem Material, wie zum Beispiel Polyethylen und die schon oben angesprochene Einlage­ rung von Material mit niedriger Wärmedehnung, wie zum Beispiel Al₂O₃ denkbar.

Ein Plasmabrenner und eine Hochgeschwindigkeits­ flammspritzpistole, wie sie bei dem thermischen Spritzverfahren gemäß der Erfindung verwendet werden sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol­ genden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den Plasmabrenner und

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Flammspritzpistole.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 das Sub­ strat bezeichnet, das beispielsweise ein Metallkör­ per, wie eine Druckwalze sein kann. Die Kunststoff­ schicht 2 aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise Kunststoff auf Polyphenylsulfid- oder Polyetherketonbasis wird mittels eines Plasmastrahls 3 auf das Substrat aufgebracht. Der Plasmabrenner 4 besteht aus einem Grundkörper 5 und im Ausführungs­ beispiel aus drei an dem Grundkörper über Halter 10, 11 befestigten Injektoren 6, 7, 8 sowie einem direkt in den Expansionsteil der Düse 17 integrierten Injek­ tor 9. In dem Grundkörper sind Kanäle 12 für die Gas­ zufuhr, beispielsweise die Zufuhr von Argon vorgese­ hen, die in dem Düsenkanal 13 der Düse 17 münden. Der Düsenkanal 13 besteht aus einem konvergierenden Teil 14, einer Engstelle 15, in der bei richtiger Einstel­ lung Schallgeschwindigkeit herrscht, und einem diver­ gierenden Teil 16, in dem dann die Strömungsgeschwin­ digkeit weiter erhöht wird. In den Düsenkanal 13 ragt eine Kathode 18 hinein, während die Düse 17 als Anode geschaltet ist, so daß sich im Düsenkanal 13 ein Lichtbogen bildet, der das aus dem Kanal 12 kommende Gas aufheizt und so den Plasmastrahl 3 entstehen läßt. Zur Kühlung des Plasmabrenners 4 sind im Grund­ körper im Bereich der Kathode und der Anode Wasser­ kanäle 18 angeordnet.

Durch den Injektor 6, der am weitesten entfernt vom Düsenausgang und somit im kälteren Bereich liegt, wird der hochtemperaturbeständige Kunststoffin Pul­ verform zusammen mit einem Trägergas in den Plasma­ strahl 3 injiziert, in diesem beschleunigt, so daß die Kunststoffpartikel mit großer Geschwindigkeit auf das Substrat 1 treffen und dort die Schicht 2 bilden. Wie schon weiter oben zu dem Verfahren erläutert wur­ de, können Zusatzpartikel in den Plasmastrahl einge­ leitet werden. Dazu dient beispielsweise der Injektor 7, durch den beispielsweise Al₂O₃ in Pulverform zusam­ men mit einem Trägergas injiziert wird und zwar di­ rekt am Austritt der Düse 17 im heißen Strahlbereich. Selbstverständlich können auch andere Partikel zum Beispiel metallische Partikel durch den Injektor 7 eingeleitet werden. Ein weiterer Injektor 8, der ebenfalls in den heißen Strahlbereich gerichtet ist, dient zur Zufuhr von beispielsweise NiCr zusammen mit Trägergas, um eine metallische Haftschicht zur Ver­ besserung der Haftung der Kunststoffschicht 2 auf zu­ bringen. Zur Zufuhr der Zusatzpartikel kann auch der Pulverinjektor 9 im Engstellen- bzw. Erweiterungsbe­ reich der Düse dienen. Die Dosierungen der durch die vier Injektoren 6, 7, 8, 9 injizierten Partikel wer­ den entsprechend dem gewünschten Verwendungszweck des Substrats 1 mit der Beschichtung 2 gewählt. Auch die zeitliche Abfolge der Zuführung der Partikel wird entsprechend dem gewünschten Aufbau festgelegt. So kann beispielsweise zu Beginn der Beschichtung nur der Injektor 8 Partikel in den Plasmastrahl injizie­ ren und zur Erzielung eines gradierten Aufbaus werden dann die anderen Injektoren mit unterschiedlichen Dosierungen betätigt.

Der Injektor 6 ist beim atmosphärischen Plasmasprit­ zen ca. 20-30 mm vom Brenner entfernt, während der Abstand des Werkstückes vom Brenner bei 100-150 mm liegt. Beim Vakuumplasmaspritzen ist der Abstand Brenner/Injektor ca. 50 mm und der Abstand Brenner- /Werkstück ca. 200 mm.

In Fig. 2 ist die Flammspritzpistole dargestellt, die einen in einem Grundkörper 20 angeordneten Reak­ tionsraum 21 aufweist, in den Kanäle 22, 23 für Brenngas und Sauerstoff münden und darüber hinaus ist ebenfalls ein Zuströmkanal 24 für Zusatzpartikel, beispielsweise Keramikpulver vorgesehen. Außerdem sind Wasserkanäle 25 für die Kühlung im Grundkörper 20 angeordnet. Der Reaktionsraum 21 geht in eine Düse 26 über, die derart ausgebildet ist, daß der Flamm­ strahl stark beschleunigt wird. An den Grundkörper 20 ist über einen Halter 27 ein Injektor 28 für das hochtemperaturbeständige Kunststoffmaterial in Pul­ verform und das Trägergas befestigt und derart ange­ ordnet, daß die Kunststoffpartikel außerhalb der Flammspritzpistole in den Freistrahl eingeleitet wer­ den.

Der Abstand Brenner/Kunststoffinjektion liegt bei ca. 30 mm, während der Abstand Brenner/Werkstück 200-250 mm beträgt.

Claims (19)

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten mit hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet daß der hochtemperaturbeständige Kunststoff mittels thermischer Spritzverfahren mit hoher Strahlgeschwindigkeit aufgebracht wird, wobei der Kunststoff in den kälteren Strahlbereich eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als thermisches Spritzverfah­ ren das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder das atmosphärische, das Vakuum- oder das Inertgas-Plasmaspritzverfahren, jeweils für hohe Strahlgeschwindigkeit modifiziert, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben Kunststoff kera­ mische und/oder metallische Materialien fein verteilt dem Strahl zugegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die keramischen und/oder metallischen Materialien pulverförmig im heißeren Strahlbereich oder in die Strahl­ quelle selbst eingegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Zwischenschicht aus demselben Kunststoff­ material gebildet wird, bei der nur die Oberflächenbereiche der Kunststoffpartikel aufgeschmolzen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Ausbildung der porö­ sen Zwischenschicht die Kunststoffpartikel dadurch nur oberflächlich aufgeschmolzen werden, daß gröberes Kunststoffpulver ver­ wendet und/oder die Strahl- bzw. Partikelge­ schwindigkeit verringert und/oder die Lei­ stung des Brenners abgesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kunststoffpartikel für die poröse Zwischenschicht zumindestens teilweise Hohlkugeln des selben Kunststoff­ materials zugeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich zu den Kunststoff­ partikeln für die poröse Zwischenschicht Partikel aus einem anderen weicheren Kunst­ stoff, wie Polyethylen zugeführt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesse­ rung der Haftfestigkeit die Oberfläche des Substrats aufgerauht und/oder eine zusätz­ liche rauhe, festhaftende metallische Spritzschicht, z. B. aus NiAl, NiCr, Zn oder dgl. aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zuführung von metallischen und/oder keramischen Mate­ rialien diese zur Erzielung eines gradier­ ten Übergangs zwischen Beschichtungsberei­ chen mit unterschiedlichen Dosierungen ein­ gegeben werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beschichtungsvorgang das Substrat auf ge­ heizt und/oder nach dem Beschichtungsvor­ gang das beschichtete Substrat getempert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in besonderen Anwendungsfällen fasriges Kunststoffmaterial zugeführt wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plasmaspritzvor­ richtung mit mindestens einem Plasmabrenner oder eine Flammspritzvorrichtung mit minde­ stens einer Flammspritzpistole vorgesehen ist, die zur Erhöhung der Strahlgeschwin­ digkeit Düsen mit sich zunächst verengendem und dann sich aufweitendem Querschnitt auf­ weisen und daß mindestens jeweils ein In­ jektor für das Kunststoffmaterial vorgese­ hen ist, der im Bereich des Auslasses der Flammspritzpistole bzw. außerhalb des Plas­ mabrenners oder der Flammspritzpistole an­ geordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Plasmabrenner (4) mindestens ein weiterer Injektor (7, 8, 9) zugeordnet ist, der zur Zuführung von me­ tallischem oder keramischem Material dient und der innerhalb der Düse (17) im Bereich der Engstelle (15) oder im divergierenden Teil (16) oder direkt am Auslaß des Plasma­ brenners (4) angeordnet ist, wobei der In­ jektor (6) für das Kunststoffmaterial wei­ ter vom Auslaß entfernt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flammspritzpistole (28) eine Zuführung für das metallische oder keramische Material direkt in den Reak­ tionsraum (21) aufweist.

16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Be­ schichtungen von chemischen Apparaten und Komponenten als Korrosions- und Verschleiß­ schutz.

17. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Be­ schichtungen von elektrochemischen Appara­ ten und Komponenten als Korrosions- und Verschleißschutz.

18. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Be­ schichtungen von Corona-Walzen als elektri­ sche Isolierschicht.

19. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Be­ schichtungen von Walzen, Rollen und Stäben als Maschinenkomponenten zum Drucken, Farb­ übertragen und Beschichten.