DE69907234T2

DE69907234T2 - Verfahren zum verbinden von chromstahl und einem faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69907234T2
Application number: DE69907234T
Authority: DE
Inventors: Mehdi Sawston TAVAKOLI; Andrew Balsham BUSH; Martyn Cyril Stanley South Molton ISAAC; Ian Anthony Uffculme SIMMONS
Original assignee: Flight Refuelling Ltd
Current assignee: Eaton Aerospace Ltd
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2019-08-14
Also published as: AU5381799A; EP1114108A1; DE69907234D1; ES2197661T3; ATE238398T1; GB9817671D0; WO2000009621A1; EP1114108B1; US20010023734A1; DE1114108T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbindungsverfahren und nimmt insbesondere Bezug auf ein Verfahren zum Verbinden eines hochchromatischen Stahles mit einem faserverstärkten Verbundwerkstoff. Die Erfindung schließt auch eine Verbindung ein, die unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zustandegekommen ist und eine Vereinigung mehrerer Bauteile aus einer hochchromhaltigen Komponenten und einer Faserverbundkomponenten, die unter Verwendung des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden worden sind.
Unter einem besonderen Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung eine drehende Antriebswelle vor, die ein Rohr aus einem Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoff und einen Flansch aus hochchromhaltigem Stahl einschließt, wobei Rohr und Flansch unter Verwendung des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden sind.
Drehende Wellen aus Verbundmaterial sind in der Luftfahrtindustrie weit verbreitet im Gebrauch und werden beispielsweise in den Flügeln von Flugzeugen untergebracht. In WO-A-98/20263, deren Inhalt durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist, sind eine solche drehende Antriebswelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben. Die Welle gemäß WO-A-98/20263 weist ein Rohr aus einem Kohlestoff-Faser-Verbundwerkstoff auf, das am einen Ende mit einem Flansch aus Titan versehen ist. Dieser Titanflansch ist mit dem Rohr aus Verbundmaterial ("Kompositmaterial") verbunden und die Verbindung ist zu ihrer Verstärkung auch noch vernietet. Der genannte Titanflansch bildet einen teueren Bestandteil und im Zeitpunkt der Bechreibung ist es im Bereich der Luftfahrtindustrie allgemein der Wunsch, die Gesamtkosten der für Luftfahrzeuge bestimmten Komponenten zu senken.
Fachleute wissen, dass Komponenten für die Luft- und Raumfahrt während des Einsatzes extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Insbesondere in der Luftfahrtindustrie sind hohe Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit spezielle Probleme der Arbeitsbedingungen. Um für die Verwendung bei einem Flugzeug geeignet zu sein, müssen deshalb die Komponenten unter extremen Temperaturbedingungen und Bedingungen relativer Feuchtigkeit rigoros getestet werden.
Mehr als zum Gebrauch mechanischer Verbindungsmittel wie Nieten und Schrauben, die dazu neigen, bei entsprechend hohen Anforderungen, insbesondere bei zyklisch sich wiederholenden Beund Entlastungen, sich zu lockern oder gar zu lösen, besteht deshalb das Bedürfnis, andere Verbindungsarten nach der Art des Klebens verfügbar zu haben. Es ist jedoch festzustellen, dass Klebeverbindungen gegenüber Dampf anfällig sind. Darüberhinaus können einige Klebeverbindungen vom Ausfall bedrohtsein, wenn die miteinander verbundenen Teile unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten haben. Dementsprechend besteht ein andauerndes Bedürfnis nach neuen Verfahren und Materialien zum Verbinden von Komponenten, die hohen Anforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie bezüglich Temperatur und Luftfeuchtigkeit gewachsen sind.
Materialien mit Kohlestoff-Faserbestandteilen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie bevorzugt verwendet, weil Komponenten aus solchen Materialien leicht, hochfest und steif sind. Es ist jedoch das Verbinden von Komponenten aus solchem Verbundmaterial mit anderen Komponenten ein Bereich mit besonderen Schwierigkeiten, weil Dampf nicht nur fähig ist, eine Verbindung entlang der Verbindungslinie zu durchdringen, sondern auch das Verbundmaterial selbst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Verbindungsestandteiles aus einem Stahl mit hohem Chromanteil mit einem zweiten Verbindungsbestandteil aus einem Faserverbundmaterial vorgeschlagen, wobei dieses Verfahren die Verfahrensschritte einschließt: Zuordnen einer Epoxidgrundmasse zu dem ersten Bestandteil der Verbindung, Trocknen oder Trocknenlassen der Grundmasse und anschließendes Zusammenbringen von erstem und zweitem Verbindungsbestandteil unter Verwendung eines Epoxidharzklebers.
Unter einem anderen Aspeckt der vorliegenden Erfindung wird eine Klebeverbindung vorgeschlagen, die einen ersten Verbindungsbestandteil aus einem hochchromhaltigen Stahl und einen zweiten Verbindungsbestandteil aus einem Verbundwerkstoff einschließt, wobei erster und zweiter Bestandteil unter Verwendung des Verfahrens des Verbindens gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden sind.
Unter einem nochmals anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Baugruppe in Verbundbauweise vorgeschlagen, die eine erste Komponente aus Stahl mit hohem Chromanteil und eine zweite Komponente aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist und wobei erste und zweite Komponente miteinander unter Verwendung des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
Vorzugsweise ist das genannte Rohr mit zumindest einem, vorzugsweise zwei flachen Enden, ausgebildet, von denen jedes so verformt ist, dass einstückig ein Flanschteil mit einer runden Verbindungsfläche ausgebildet ist, wie es in WO-A-98/20263 beschrieben ist. Diese Verbindungsfläche ist mit dem genannten Stahlflansch unter Verwendung des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden.
Der genannte Flansch aus Stahl mit hohem Chromanteil stellt eine deutlich billigere Komponente als der Titanflansch gemäß dem Stand der Technik dar. Falls es gewünscht wird, kann die Verbindung zwischen Rohr und Flansch durch Niete, Bolzen oder irgend ein anderes geeignetes mechanisches Befestigungsmittel verstärkt werden.
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, dass das Verbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung es ermöglicht, einen Verbindungsbestandteil aus Stahl mit hohem Chromanteil mit einem Verbindungsbestandteil aus Faserverbundwerkstoff zu verbinden und eine Verbindung zu ergeben, die selbst dann eine geringe Ausfallquote hat, wenn sie extremen Umgebungsbedingungen mit hoher Temperatur und hoher relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist.
Der Verbindungsbestandteil aus hochchromatischem Stahl kann Luft- und Raumfahrtqualität haben. Es kann sich um einen Stahl mit 12 bis 20 Gew.%, vorzugsweise 15 bis 19 Gew.% Chrom, handeln. Der genannte Stahl kann ferner 0 bis 8 Gew.%, vorzugsweise 2 bis 6 Gew.% Nickel, enthalten. Typische Chrom- und Nickelzusätze sind 17 bzw. 4 Gew.%. So kann der erste Verbindungsbestandteil aus hochchromhaltigem Stahl einen 17/4 gradigen Stahl enthalten.
Der zweite Verbindungsbestandteil aus Faserverbundwerkstoff kann einen faserverstärkten Verbundwerkstoff von Luftfahrtund Weltraumqualität aufweisen, wobei der Verbundwerkstoff ein Epoxidharz enthalten kann. Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff ein durch Kohlestoff-Fasern verstärkter Verbundwerkstoff sein, obwohl bedacht sein sollte, dass der Verbundwerkstoff durch beliebige geeignete Fasern verstärkt werden kann, wie sie als Stand der Technik bekannt sind. Ein für den zweiten Verbindungsbestandteil besonders geeigneter faserverstärkter Verbundwerkstoff ist das Material 6376cHTA(12K-5-35), das von der Hexcel Corporation auf den Markt gebracht wird.
Der erste Verbindungsbestandteil ist vorzugsweise durch Aufrauhen oder Ätzen vorbehandelt, ehe die Grundierung aufgetragen wird. Eine solche Vorbehandlung kann dem Entfernen von Verunreinigungen oder unzulänglich haftenden Schichten dienen und/oder es kann mit ihr die Oberflächenchemie oder -morphologie verändert werden, wobei die Oberfläche ein geeignetes Metall oder ein Metalloxid sein kann; mehrere solcher Schichten können die Oberfläche des ersten Verbindungsbestandteiles bilden.
Der erste Verbindungsbestandteil aus hochchromhaltigem Stahl kann bereits vor dem Aufrauhen oder Ätzen einmal vorbehandelt werden, um bereits dadurch Verunreinigungen zu entfernen. Ein zum Aufrauhen geeignetes Material ist körniges Aluminiumoxid, beispielsweise der Siebmaschenweite 60 aus einem Wassertank, das naß auf den ersten Verbindungsbestandteil aufgeblasen wird. Das dabei und zum Naßblasen verwendete Wasser ist frei von Antikorrosionswirkstoffen.
In einigen Fällen kann das Ätzen dem Aufrauhen vorzuziehen sein und eine geeignete Ätzlösung enthält Eisen (III) Chlorid und Hydrochloridsäure. Eine solche Ätzlösung ist dem Fachmann bekannt. Andere Ätzmethoden sind das Ätzen unter Verwendung von Oxalsäure, schwefliger Säure oder das Ätzen unter Verwendung von Hydrochlorsäure.
Der zweite Verbindungsbestandteil wird vor dem Zuordnen des Bindemittels verkleinert. Bei einigen Ausführungsformen wird der zweite Verbindungsbestandteil durch einen "Strippatte"-Film geschützt, wie er dem Fachmann bekannt ist.
Auch der zweite Verbindungsbestandteil kann zum Entfernen von Verunreinigungen und/oder lockerem oder schwach anhaftendem Material durch Aufrauhen, insbesondere leichtes Aufrauhen, vorbehandelt werden, falls und wo das notwendig ist. Ein leichtes Aufrauhen kann durch beispielsweise die Verwendung von geeignetem Schmirgelpapier erfolgen, ehe das eigentliche Aufrauhen mit Verringerung der Abmessungen erfolgt. Ein geeignetes Schmirgelpapier ist ein 120 Maschen Karborundschmirgelpapier.
Die Epoxidgrundierung soll vorteilhafterweise eine rheologische und chemische Stoffzusammensetzung sein, die ausgewählt wird, um der Morphologie und Oberflächenchemie des ersten Verbindungsbestandteiles zu entsprechen, um einen optimalen Schutz der vorbehandelten Fläche zu ergeben und um mit dem Bindemittel verträglich zu sein. Basis für die Grundierung kann eine Lösung sein, vorzugsweise liegt ihr jedoch Wasser als Basis zugrunde und sie kann Feststoffpartikel enthalten, deren Anteil 5 bis 15 Gew.%, typischerweise etwa 10 Gew.%, betragen sollte. Die Grundierung kann eine einfache Oberflächenschutzlösung enthalten. Vorzugsweise enthält die Grundierung einen härtenden Wirkstoff. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Grundierung einen Antirost-Wirk- stoff. Dieser Antirost-Wirkstoff kann jeder zweckmäßige der dem Fachmann als solche bekannten Wirkstoffe sein, beispielsweise ein Zinksalz-Antirost-Schutzmittel. Vorzugsweise enthält der Antirost-Wirkstoff ein Chrom (VI)-Salz wie beispielsweise Strontium-Chromat.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Grundierung eine Dispersion eines Epoxidharzes oder eines Gemisches mit einem Epoxidharz oder eines Gemisches mit einem Epoxidharz in Wasser. In diese Dispersion kann ferner ein härtender Epoxidwirkstoff inkorporiert sein. Insbesondere kann dieser härtende Epoxidwirkstoff in einer bestimmten Phase inkorporiert sein. Dieses Epoxidharz oder Gemisch aus Epoxidharzen kann ein kettenverlängertes, festes Glycedylaether eines Phenols, wie Resorcinol und die Bisphenole wie Bisphenol A, Bisphenol F und ähnliche Wirkstoffe enthalten, wie sie dem Fachmann bekannt sind, oder Epoxidharz oder das Epoxidharzgemisch kann mehrere solcher Wirkstoffe enthalten. Alterntiv kann dieses Epoxidharz oder das Gemisch aus Epoxidharzen eines oder mehrere der festen Glycidylderivate von aromatischen Aminen oder Aminphenolen wie N,N,N',N'-feste DGEBA-Harzen enthalten.
Vorzugsweise ist das Härtemittel im wesentlichen wasserunlöslich und fest bei Raumtemperatur. Das Härtemittel kann einen aromatischen Aminhärtewirkstoff wie 4,4'Diaminodiphenylmethan; 3,3'-oder 4,4'-Diaminodiphenyloxid; 3,3'- oder 4,4'-Diaminodiphenylsulfid; oder 3,3'- 4,4' diaminodiphenylketon enthalten. Insbesondere kann Härtemittel 4,4'-[1,4-Phenylen (1-Methyläthyliden)]-bis(Benzenamin) enthalten. Es können jedoch auch zahlreiche andere feste Diaminhärtemittel der Art verwendet werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
Das Grundiermittel kann auch einen die Zähigkeit verbessernden wirkstoff enthalten, wie es beispielsweise ein Elastomer ist.
Vorteilhafterweise kann das Grundiermittel ferner ein Antirostadditiv oder ein Gemisch aus Antirostadditiven enthalten, wie beispielsweise Strontiumchromat, Bariumchromat, Zinkchromat oder Bleichromat. Alternativ kann dieses Antikorrosionsadditiv einen nicht chromaten Korrosionshemmer enthaltert wie Zinkphosphat, Zinkmolybdat oder SICORIN RZ, wie es durch die BASF AG, Ludwigshafen, Deutschland geliefert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Grundierung frei von Antikorrosionsadditiven sein.
Die Zubereitung einer geeigneten Grundierung ist in US 5461090 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Erfindung wird.
Insbesondere kann die Grundierung BR^® 6747-1-A sein, die unter dieser Bezeichnung von Cytec Industries, Inc. kommerziellin den Verkehr gebracht wird. Die CAS-Registriernummer für diese Substanz ist 192390-61-7. BR^®6749-1-A ist eine zu 100% auf Wasser basierende, die Korrosion hemmende Grundierung, die zu einem Teil eine modifizierte Epoxid-Chromat-Grundierung enthält, die in keinem wesentlichen Anteil flüchtige organische Verbindungen enthält. Ein chromatfreies Äquivalent zu BR^® 6747-1-A kann alternativ benutzt werden.
Diese Grundierung kann lufttrocknend oder in einem Ofen trocknend sein. In einigen Anwendungsfällen kann die Grundierung vorgetrocknet bzw. -gehärtet sein, üblicherweise in einem Ofen, ehe das Bindemittel (Adhesiv) zur Anwendung kommt.
Das Vortrocknen bzw. -härten der Grundierung kann vorteilhaft sein, weil es dem Lokalisieren wirksamer Bestandteile der Grundierung (wie des Antikorrosionswirkstoffes) gegenüber dem ersten Verbindungsbestandteil dient.
Das Epoxidbindemittel kann die Form eines Filmes, einer Paste oder jede andere geeignete Form haben. Wird ein filmartiges Bindemittel verwendet, so kann es einen geeigneten netzförmigen Träger (US: support) haben oder es kann ungestützt sein.
Der genannte Träger ist vorzugsweise aus polymerem Plastikmaterial wie Nylon oder Polyester gebildet, wobei Polyester in besonderem Maße vorzuziehen ist. Dieser Träger kann ein gewebtes, gestricktes oder Nadelwerkgewebe einschließen. Vorzugsweise ist das Gewebe aus monofilen Fasern hergestellt, um das Einsickern von Wasser in die Verbindung zu verhindern.
Vorzugsweise ist das Bindemittel ein modifiziertes Epoxidharzbindemittel. Ein geeignetes Bindemittel wird von der Cytec Engineering Materials Inc. unter der Handelsmarke FM300K oder auch unter Handelsmarke FM300K.05 (250g/m²) in den Handel gebracht. FM300K ist ein Epoxidharzbirtdemittelfilm, der wohl 0–0,5% Titandioxid enthält. Die CAS-Registernummer für FM300K ist 71210-48-5.
Dieses Binde- bzw. Haftmittel kann dem ersten Verbindungsbestandteil, dem zweiten Verbindungsbestandteil oder auch beiden Verbindungsbestandteilen zugeordnet werden. Das Haftmittel wird nach dem Auftragen in einem Ofen oder einem Autoklaven ausgehärtet.
Das zweite Kompositverbindungsteil kann vorgehärtet oder ungehärtet verwendet werden. Vorteilhafterweise kann das zweite Verbindungsteil ungehärtet verwendet und nach der Zuordnung der Grundierung zum ersten Verbindungsbestandteil (und gegebenenfalls des zweiten Verbindungsbestandteils) und der Zuordnung des Bindemittels wird das Kompositmaterial zusammen mit der Grundierung und dem Bindemittel gehärtet.
Die vorliegende Erfindung liefert so ein Verfahren zum Verbinden eines Verbindungsbestandteiles einer Komponenten aus hochchromhaltigem Stahl mit einem Verbindungsbestandteil (einer Komponenten) aus einem Kohlefaserkompositmaterial, wobei die Verbindung zwischen beiden Bestandteilen (Komponenten) auch unter dem Einfluß hoher Feuchtigkeit und hoher Temperatur ausreichend belastbar ist, um von der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt zu werden.
Es folgt eine lediglich beispielhafte, auf die zugehörigen Zeichnungen bezugnehmende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung.
In den Zeichnungen sind
1 eine Seitenansicht, teilweise als Schnittdarstellung eines Endes einer Drehkräfte übertragenden Welle gemäß der vorliegenden Erfindung und
2 eine Ansicht auf die Stirnseite des Wellenendes gemäß 1.
Beispiele
Verbindurtgsbestandteile
Als Verbindungsbestandteile werden ein Verbindungsbestandteil aus rostfreiem Stahl (AMS 5643/N1025), 17/4, 54 mm dia) und ein Verbindungsbestandteil aus einem Verbundmaterial verwendet, wobei das Verbundmaterial faserverstärketes Epoxidharz (Fibredux 6376,75×753 mm) ist.
Das faserverstärkte Verbundmaterial war mit einer streifenförmigen schützenden Schicht versehen angeliefert worden, die vor dem Gebrauch entfernt worden war.
Bindemittel
Cytec FM300K – das ist ein modifiziertes Epoxidbindemittel in der Form eines Filmes mit einem Träger aus Polyester, das von der Cytec Engineering Materials Inc. in den Verkehr. gebracht wird. CAS Register Nr. 71210-48-5. Der verwendete Grad war FM300K.05 (250g/m²).
Grundierung
BR^® 6747-1-A 100%, die Rostbildung hemmende Grundierung auf Wasserbasis. Das ist zu 100% auf Wasserbasis beruhende, die Rostbildung hemmende Grundierung, die einen Teil modifizierte Epoxidchromatgrundierung enthält, die flüchtige organische Verbindungen in wesentlichem Umfang nicht enthält. CAS Register Nr. 192390-61-2. Diese Grundierung wurde auf den Verbindungsbestandteil aus rostfreiem Stahl nach Vorbehandlung aufgesprüht.
Oberflächenvorbehandlung (nach Entfernung der schützenden Streifenschicht)
Die Epoxidverbundkomponenten (Verbindungsbestandteile) wurden zuerst unter Verwendung von Lotoxane -Wischtüchern abgewischt, dann unter Verwendung von Aluminiumoxidgrieß der Körnung 120 abgechliffen und entsprechend verkleinert. Mehrere unter schiedliche Vorbehandlungen wurden angewendet (siehe unten Tabelle 1), um die Oberflächen des Verbindungsbestandteiles aus rostfreiem Stahl vor dem Verbinden aufzubereiten. Einzelheiten jeder Vorbehandlung sind wie folgt.
Eisenchlorid-Hydrochloridsäure Ätzen
Die nachfolgende Ätzung wurde angewendet, um Komponenten aus rostfreiem Stahl zu behandeln.

a) 50/50 (w/w) Eisen (III) Chlorid und 35–37% HCl
b) Die Temperatur der Lösung wurde erreicht bei 20–23°C
c) geätzt wurde 10 Minuten lang
d) gewaschen wurde mit entionisiiertem Wasser
e) getrocknet wurde bei Raumtemperatur.

Naßblasen
Naßblasen wurde unter Verwendung eines Aluminiumoxids der Körnung eines 60 Maschensiebes bei einem Luftdruck von 401bf/in² für die Dauer von etwa 2–3 Sekunden.
Grundierung
Die Grundierung wurde wie folgt angewendet:
Unter Verwendung einer Sprühpistole wurde eine dünne Beschichtung (3–4 ⧠m) der Grundierung BR 6747-1-A aufgetragen. Der beschichteten Probe wurde zuerst das Trocknen bei Raumtemperatur ermöglicht und dann wurde die Grundierung bei 120°C 60 Minuten lang gehärtet. Um die Cytec-Grundierung zu versprühen wurde eine Schwerkraft-Druckluftzuführung-Sprühpoistole (M21G, ge liefert von Kremlin) verwendet. Diese Sprühpistole arbeitet nach dem Prinzip konventionellen Sprühens, bei dem die Grundierung beim Verlassen der Sprühpistole mit Luft gemischt wird. Die Grundierung verläßt das Sprühwerkzeug mit geringem Druck und wird mittels eines Gebläses von Druckluft aus der Lufthutze bei um die 3–6 bar versprüht. Nach dem Ziehen des Auslösers wird die Luft zunächst durch das Luftventil freigesetzt und dann wird das Produkt durch die Nadel zum Ausströmen gebracht. Die gesamte Anordnung aus der Lufthutze, der Nadel und der Düse wird der Projektor genannt. Die Grundierung wurde bei einem Druck von 4 bar versprüht. Die Proben wurden in einem einzigen Sprüharbeitsgang beschichtet, um die benötigte Dicke zu erhalten, wie es vorher beschrieben wurde.
Vorbereitung der Verbindung
Die Verbindungen wurden nach verschiedenen Vorbehandlungen oder Grundierungs/Haftmittelkombinationen unter Verwendung von rostfreiem Stahl und faserverstärkten Epoxidverbundkomponenten vorbereitet. Die Vorbereiturtgsbedingungen und die Anzahl der Proben, die benötigt wurden, um die Verbindungsfestigkeit vor und nach dem Härten abschätzen zu können, ergeben sich aus den nachfolgenden Tabellen 1 und 2. Zum Zusammensetzen und Verbinden der Komponenten wurde ein angepaßtes Spannwerkzeug entworfen und gebaut. Die Basis des Spannwerkzeuges bestand aus einer großen Scheibe aus weichem, unlegiertem Stahl (Durchmesser 65 mm) mit einem durchgehenden Loch mit M6-Gewinde. Auf einer Länge von 6 mm wurde ein Zapfen durch das Loch gesteckt und auf der Unterseite der Scheibe wurde eine M6-Mutter ebenso wie Verriegelungsmutter angeordnet. Der Komposit/Verbundbestandteil der Verbindungskomponenten wurde an seinem Platz angeordnet, hierauf folgend wurden der Verbindungsmittelfilm und dar auf die Komponente aus rostfreiem Stahl angeordnet. Über dem Zapfen wurde eine Feder aus einem kalibrierten Musikinstrumentendraht mit 20 N/mm als technische Charakteristik angeordnet, sodass der Zapfen in Verbindung mit einer Unterlegscheibe und einer Mutter unter Druck gehalten wurde. Dieser Federtyp ermöglichte das Einwirken eines Druckes von 2bar auf die Verbindung während des Aushärtens. Die Gesamtanordnung jeder Verbindung wurde dann zum Endaushärten in einen Härteofen gegeben.
Bewertung der Verbindung
Die Qualität jeder Verbindung in der Form ihrer Festigkeit wurde durch Ermitteln der Drehkraft zu Ausfall-Beziehung unter Verwendung eines Drehmomentschlüssels, wie er von MHH Engineering geliefert wird, bestimmt. Der Drehmomentschlüssel auf einen 200–2000 Nm-Bereich eingestellt und mit 1-inch-Antrieb (25,4 mm) ausgestattet. Um den Drehmomentschlüssel auch bei einer Probe, die auch eine 3/4inch-Welle hatte (etwa 8,5 mm), einsetzen zu können, wurde ein Eins-zu-Dreiviertelinches-Anschlußstück (25,4 zu 8,5 mm) verwendet. Um die miteinander verbundenen Komponenten während des Tests zu halten, wurde ein Spannwerkzeug entwickelt. Das Spannwerkzeug bestand hauptsächlich aus einer Ober- und einer Unterplatte mit einer Stahl-Lokalisierungsplatte dazwischen.
Haltbarkeitsuntersuchung
Die Haltbarkeit einer hergestellten Verbindung bei heißen und feuchten Umgebungsbedingungen wurde bei einer Temperatur von 70°C und einer selektiven Feuchtigkeit von 95% untersucht. Vierundachtzig Verbindungen zwischen Epoxidharzverbundmaterial und rostfreiem Stahl wurden in einer Kammer untergebracht ebenso wie dreißig Epoxidharzverbundmaterialkomponenten (Platten in der Abmessung 75 × 75 × 3 mm). Die Epoxidharzverbundmaterial-Teststücke wurden während der ersten Woche dreimal der Kammer entnommen und gewogen und daraufhin während der Dauer von acht Wochen einmal je Woche. Die prozentuale Feuchtigkeitsaufnahme jeder einzelnen Verbundmaterialprobe wurde gemessen und registriert. Verschiedene Proben wurden gemäß Tabelle 2 vier und acht Wochen lang der Trocknung bei 70°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt und dann zur Untersuchung entnommen. Die Proben (siehe unten, Tabelle 3) wurden auch 70°C und 100% relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, nach Erreichen von 1,2% Feuchtigkeitsaufnahme (10 Tage Einwirkungszeit). Die Verdrehungs- zu Ausfallbeziehung wurde ebenfalls bestimmt, wie es in Tabelle 3 gezeigt ist.
Bewertung der Verbindungen nach der Alterung
Die Ergebnisse von vier- und achtwöchiger Alterung der Verbindungen bei 70°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Die nach Sandstrahlen aufbereiteten und während acht Wochen gealterten aufbereiteten Proben führten zu einem mittleren Ausfalldrehmoment ähnlich dem bei einer Alterung von vier Wochen. Jedoch wurde das Ergebnis bei einer Alterung von vier Wochen nur aus zwei Verbindungen gewonnen und ist deswegen nicht zum statistischen Vergleich herangezogen worden. Trotzdem soll vermerkt werden, dass die gezeigten Ergebnisse geringen oder keinen Verlust an Ausfalldrehmoment nach zusätzlichem Altern während vier Wochen zeigen.
Eine ähnliche Tendenz bei dem Ausfalldrehmoment wurde bei Proben beobachtet, die mit FeCl₃ und HCl Ätzen während vier oder acht Wochen Alterung behandelt wurden. Das mittlere Ausfalldrehmoment betrug 1025 Nm nach acht Wochen im Vergleich mit 1150 Nm nach vier Wochen Alterung.
Im Vergleich mit Kontrollwerten (Tabelle 1) zeigen beide Vorbehandlungen Reduktionen bei den Ausfalldrehmomenten; 20% für das Sandstrahlen, 26% bei Vorbehandlung durch Ätzen.
Die Sandstrahlvorbehandlung zeigt bei der Fehlerquote geringe Veränderung mit gemischten Kohäsionsfehlstellen im Haft- bzw. Bindemittel und im Verbundverbindungsteil, was anzeigt, dass Auftreffbeschädigungen auf das Bindemittel beschränkt sind und nicht Grenzflächen erreichen.
Die durch Ätzen vorbehandelten Proben zeigen eine Verringerung von Ausfällen im Verbundmaterial nach der Behandlung in Verbindung mit einem Anstieg der Kohäsionsfehlstellen innerhalb der Bindemittelschicht. Dies mag die Folge von Wassereintritt in das Bindemittel sein, entweder entlang Träger-Bindemittel-Grenzschicht oder durch die Masse des Bindemittels selbst oder als Folge von beiden. Es ist bemerkenswert, dass eine Probe ein hohes Maß von Verbindungsausfall im Bereich der Zwischenschicht zum rostfreien Stahl zeigt.
Der höhere Koeffizient des Veränderungswertes der Proben mit dem Ätzen ausgesetzter Oberfläche (15%) im Vergleich mit Proben deren Oberfläche den Sandstrahlen ausgesetzt ist (12%) folgt dem Trend bei Kontrollprobenergebnissen (Sandstrahlen 1085 Nm, Ätzen 1025Nm).
Altern nach 1,2% Feuchtigkeitsaufnahme
Die Ergebnisse des Alterns von Verbindungen bei 70°C und 100% relativer Luftfeuchtigkeit, um 1,2% feuchtigkeitsaufnahme nach 10 Tagen zu erreichen, sind in Tabelle 3 gezeigt.
Mit nur einer Probe für beide Behandlungsarten (Sandstrahlen und Ätzen) unter Verwendung von Cytec FM300K/6747-1 können keine verbindlichen Schlußfolgerungen gezogen werden. Jedoch kann aufgrund allgemeiner Beobachtungen angenommen werden, dass sowohl Ausfalldrehmoment (failure torque) als auch Ausfallmodus (failure mode) ähnlich den Werten sind, die sich bei Einwirkung von Feuchtigkeit über die Dauer von 4 und 8 Wochen ergeben. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass für 1,2% Feuchtigkeitsaufnahme-Gleichgewichtstest, die Einwirkungsbedingungen (70°C/100% relative Feuchtigkeit (RH)) leicht verschieden sind von den Einwirkungsbedingungen (70°C/85% relative Luftfeuchtigkeit) bei 4 und 8 Wochen.
Übersetzungsblatt für Tabelle 1
1 Tabelle 1 2 Proben Nr. 3 Vorbehandlung Stahl 4 Verbindungsmittel 5 Grundierung 6 Ausfall Drehkraft 7 Ausfall Modus 8 Kommentierung 9 Sandstrahlen 10 Sichtbarer Bruch in der Verbindungslinienkante-Ermäßigung 11 FeCl₃ und HCl-Ätzen 12 V = Koeffizient der Veränderung auf der Probe 13 Co.Adh = Kohäsionsausfall im Bindemittel an Trägergrenzflächen 14 Co.Adh. zu Stahl/Verbundstoff = als Kohäsionsausfall im Bindemittel an Trägergrenzflächen mit sichtbar erscheinendem Adhäsionsausfall des Verbindungsmittels zur Grundierung und zur Verbundmaterialoberfläche in Trägerlücken 15 1/2 Bindekraftverlust in 1. und 2. Schicht 16 1/2/3 Bindekraftverlust in 1., 2. und 3. Schicht EP 1 114 108 B1
Übersetzungsblatt für Tabelle 2
1 Tabelle 2 2 Probe Nr. 3 Zeitdauer der Alterung (in Wochen) 4 Vorbehandlung des Stahles 5 Bindemittel 6 Grundierung 7 Ausfall Drehkraft 8 Ausfall Modus 9 Kommentare 10 Sandstrahlen 11 Ätzen 12 Co.Adh zu S/C = Bindungsausfall im Bindemittel an Trägergrenzflächen mit sichtbar ersheinendem Bundungsausfall von Bindemittel zur Grundierung und Verbundstoff-Fläche in Trägerzwischenräumen 13 Comp.Fail = Lokaler Ausfall in Oberflächenschichten des Verbundstoffes 14 schwaches "Kerb"geräusch während des Tests 15 Probe in Textfixierung
Übersetzungsblatt für Tabelle 3
1 Tabelle 3 2 Proben Nr. 3 Stahl, Vorbehandlung 4 Bindemittel 5 Grundierung 6 Ausfall Drehkraft (Nm) 7 Ausfall Modus 8 Kommentar 9 Sandstrahlen 10 FeCl₃ und HCl Ätzen 11 Go Adh zu S/CI Ätzen = Bindungsausfall im Bindemittel auf Trägerverbindungsflächen mit sichtbar erscheinendem Haftungsausfall des Bindemittels zur Grundierung und Verbundmaterialfläche in Trägerzwischenräumen 12 Comp.Fail = Lokalisierter Ausfall in Oberflächenschichten des Verbundwerkstoffes
1 zeigt eines der Enden einer Welle, die drehbar ist, Drehenergie überträgt und geeignet ist, Klappen in Flugzeugflügeln zu verstellen. Das andere Ende der Welle kann in einigen Anwendungsfällen in im wessentlichen gleicher Weise ausgebildet sein, wie das dargestellte Ende, in anderen Anwendungsfällen kann es unterschiedlich sein. Das eine, dargestellte Wellenende schließt eine Endplatte (10) ein, die einstückig aus einem Stahl mit hohem Chromanteil hergestellt ist, beispielsweise AMS 5643 (H1025)17/4. Die Endplatte (10) besteht aus einem im wesentlichen runden Teil (12) mit einer zentralen Öffnung (14) und einem Hohlzapfen (16), der konzentrisch zu der Öffnung (14) angeordnet ist und an den runden Teil (12) entlang dem Rand der Öffnung (14) anschließt. Wie es aus 1 zu ersehen ist, ist die Endplatte (10) an. ihrer inneren Umfangsfläche bei (18) angefast, wo der runde Teil (12) auf den Hohlzapfen (16) trifft und womit die zentrale Öffnung (14) umschlossen ist. Die gegenüberliegende Außenfläche der Endplatte, wo der scheibenförmige Teil (12) und der Hohlzapfenteil (16) zusammentreffen, ist bogenförmig, um zwischen beiden einen sanften Übergang zu ergeben. Die äußere Endfläche des Hohlzapfens (16) ist zurückgesetzt, wie es durch das Bezugszeichen (20) gekennzeichnet ist.
Der Hohlzapfen (16) der Endplatte (10) ist in ein Ende der als Wickeldorn dienenden Rohrauskleidung (30) eingesetzt, die aus Kohlenstoff-Fasern verstärktem Plastikmaterial besteht. Der Hohlzapfen sitzt spiellos im Ende der Auskleidung (30) und beide sind relativ zueinander festgelegt durch die zurückversetzte Endkante (20).
Die rohrförmige Auskleidung (30) kleidet die Innenfläche eines Rohres (32) aus, das am dargestellten Ende einstückig mit einem Ringflansch (34J versehen ist. Der Ringflansch (34) liegt jenseits des Endes der Auskleidung (30) und liegt spiellos an der einen Endfläche der Endplatte (10), wie es in 1 dargestellt ist. Der Flansch (34) des Rohres (32) entspricht in radialer Erstreckung dem Scheibenteil (12) der Endplatte (10) und ist mit dieser mit einem Verbindungsmittel gemäß der Erfindung fest verbunden.
Die in 1 und 2 gezeigte drehbare Übertragungswellenanordnung kann im wesentlichenin der gleichen Weise zusammengebaut werden, wie es in WO-A-98/202263 beschrieben ist, indem ein Band aus Kohlenstoff-Fasern und einer Imprägnierung aus thermoplastischem Material unter Verwendung einer üblichen Bandwickelmaschine zu der Auskleidung (30) auf einem Dorn der Wickelmaschine gehalten ist. Die Außenfläche der Endplatte (10), die zum Zusammenwirken mit dem Flansch (34) des Rohres (32) zubringen ist, ist durch Schmirgelschleifen vorbehandelt, wie es oben beschrieben ist, und es ist dann eine Schicht Epoxidharzgrundierung aufgebracht, wie sie unter der Bezeichnung BR^® 6747-1-A von der Cytec Engineering Material Inc auf den Markt gebracht wird. Auf der Außenfläche der Endplatte (10) wird dann als Film ein Verbindungsmittel wie Cytec FM300K aufgebracht und diese Fläche wird dann dem Ringflansch (34) des Rohres (32) so zugeordnet, dass die Endplatte (10) mit dem Hohlzapfen in die Wellenauskleidung (30) spiellos eingesetzt wird. Die Anordnung wird dann in eine entsprechend konturierte Form eingelegt und zum Aushärten bzw. Altern in einen Autoklaven eingegeben, wie es in WO-A-98/20263 beschrieben ist, um Grwndierung, Verbindungsmittel und Rohr (32) auszuhärten bzw. zu altern. Die Anordnung mit den fest miteinander verbundenen Teilen wird dann aus dem Autoklauen herausgenommen und es wird ihr das nötige "Finish" gegeben.
Wenn es gewünscht wird, kann die Verbindung zwischen der Endplatte (10) und dem Rohr (32) durch Niete oder andere Verbindungsmittel verstärkt werden.
Beispielsweise kann bei der Verbindungsanordnung gemäß Figen. 1 und 2 mit dem mit dem Flansch (34) des Rohres (32) durch das Verbindungsmittel in der Art eines Klebers verbundenen Flanschteil (12) der Endplatte der Flansch (34) und der Flanschten (12) mit beispielsweise vier in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Bohrungen versehen werden, um Löcher (22) zu erhalten. Bei der gezeigten Anordnung ist jedes der Löcher in einer ebenen Erhebung (24) angeordnet, die über die Fläche der Endplatte (10) hinaus vorsteht, und die der Verbindungsfläche des Rohres (32) gegenüberliegt. Jedes der Löcher (22) entspricht einer rohrförmigen Hülse (nicht dargestellt), in die beispielsweise eine Schraube eingeschraubt ist, die durch das Flanschten (12) hindurchgesteckt ist, sodass Stahlflansch und Kunststoff-Flansch auch dann zusammengehalten sind, wenn die Verbindung nach der Art einer Klebung unwirksam geworden ist.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines hochchromhaltigen Stahls als erster Verbindungsfläche mit einem Faserverbundwerkstoff als zweiter Verbindungsfläche, wobei dieses Verfahren die Verfahrensschritte einschließt: das Zuordnen eines Epoxidprimers zur ersten Verbindungsfläche, das Veranlassen oder das Zulassen des Trocknens des Primers und das anchließende Verbinden der ersten und der zweiten der beiden Verbindungsflächen unter Verwendung eines Epoxidharzbindemittels.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht wobei der hochchromhaltige Stahl einen Stahl von Luft- und Raumfahrtqualität einschließt.
Verfahren wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht,. wobei der hochchromhaltige Stahl 12 bis 20 Gew.% Chrom enthält.
Verfahren wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, wobei der genannte Stahl 0 bis 8 Gew.% Nickel enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei die erste Verbindungsfläche mit hochchromhaltigem Stahl einen Stahl der Güteklasse 17/4 enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei die zweite Verbindungsfläche mit Faserverbundwerkstoff einen ein Epoxidharz enthaltenden faserverstärkten Verbundwerkstoff der Güteklasse Luft- und Raumfahrt enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der Faserverbundwerkstoff einen durch Kohlestofffasern verstärkten Verbundwerkstoff enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei die zweite Verbindungsfläche mit Faserverbundwerkstoff den Werkstoff 6378cHTA (12K-5-35) enthält, der als Produkt der Hexcel Corporation kommerziell verfügbar ist.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei die genannte erste Verbindungsfläche durch Schleifen oder Ätzen vorbehandelt ist, ehe der Primer zugeordnet wird.
Verfahren wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei die erste Verbindungsfläche mit hochchromatischem Stahl vor dem Schleifen oder Ätzen reduziert worden ist, um Verunreinigungen zu entfernen.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei die genannte zweite Verbindungsfläche vor der Zuordnung des genannten Bindemittels reduziert worden ist.
Verfahren wie in einem vorherigen Anspruch beansprucht, wobei die genannte zweite Verbindungsfläche durch Schleifen oder Ätzen vorbehandelt worden ist, um Verunreinigungen und/oder loses oder nur schwach verbundenes Material zu entfernen.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der Epoxidharzprimer eine rheologische oder chemische Stoffzusammensetzung einschließt, die ausgewählt wurde, um Morphologie und Oberflächenchemie der ersten Verbindungsfläche passend zu machen..
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der genannte Primer ein Stoff auf Wasserbasis ist, dessen Feststoffgehalt 5 bis 15 Gew.% beträgt.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der genannte Primer einen härtenden Wirkstoff enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der Primer einen Antikorrosionswirkstoff enthält.
Verfahren wie in Anspruch 16 beansprucht, wobei der Antikorrosionswirkstoff ein Zinksalz und/oder ein chromierendes Salz enthält.
Verahren wie in einem beliebigen der vorherigen Ansprüche beansprucht, wobei der genannte Primer eine wässrige Epoxidharzdispersion enthält, die als charakterisierende Phase ein festes fpoxidhärtemittel enthält.
Verfahren wie in Anspruch 18 beansprucht, wobei die genannte wässrige Epoxidharzdispersion ein festes Epoxidharz oder mehrere feste Epoxidharze enthält.
Verfahren wie in Anspruch 19 beansprucht, wobei das feste Epoxidharz oder die festen Epoxidharze ein Glycidylether eines Phenoles oder ein Glycidylderivat eines aromatischen Amin oder Aminophenol enthält bzw. enthalten.
Verfahren wie in einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 20 beansprucht, wobei das genannte Härtemittel im wesentlichen wasserunlöslich und bei Raumtemperatur fest ist.
Verfahren wie in einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 21 beansprucht, wobei das Härtemittel ein aromatisches Aminoder Diamin-Härtemittel enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 22 beansprucht, wobei der Primer ferner einen chromaten oder nicht chromaten Korrosionshemmer enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, wobei der genannte Primer BR^® 6747-1-A ist, wie von Cytec Industries Inc. kommerziell verügbar gemacht.
Verfahren wie in einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 23 beansprucht, wobei der benannte Primer aus einem chromatfreien Äquivalent zu BR^® 6747-1-A besteht.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Primer vorgehärtet ist.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei das Epoxidharzbindemittel ein Film- oder Pastenverbindungsmittel enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei das Bindemittel einen aus polymerem Plastikmaterial gebildeten Träger enthält.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei das Bindemittel ein modifiziertes Epoxidharzbindemittel ist.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei das Bindemittel FM300K.05 ist, wie durch Cytec Engineering Materials Inc. im Handel verfügbar.
Verfahren wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht, wobei die zweite Verbindungsfläche ungehärtet zur Anwendung kommt und nach Zuordnung des genannten Primers zur ersten Verbindungsfläche und Anwendung des Bindemittels, das Kompositmaterial mit Primer und Bindemittel gemeinsam ausgehärtet wird.
Verbindung einer ersten, Chromstahlfläche und einer zweiten Faserverbundfläche, wobei erste und zweite Fläche unter Verwendung eines Verbindungsverfahrens wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche beansprucht miteinander verbunden sind.
Verbindungsaufbau mit einem ersten, hochchromhaltigen Bestandteil und einem zweiten, Faserverbundbestandteil, wobei erster und zweiter Bestandteil unter Verwendung eines Verbindungsverfahrens wie in einem beliebigen der Ansprüthe 1 bis 31 beansprucht miteinander verbunden sind.
Verbindungsaufbau wie in Anspruch 33 beansprucht, wobei der Aufbau eine drehende Antriebswelle mit einem Faserverbundrohr und einem hochchromhaltigen Flansch aufweist, wobei Rohr und Flansch unter Verwendung des genannten Verbindungsverfahrens miteinander verbunden sind.
Aufbau wie in Anspruch 34 beansprucht, wobei das genannte Rohr mit zumindest einem flachen Ende ausgebildet ist und das oder jedes Rohr verformt ist, um einstückig einen Flanschteil zu bilden, der eine ringförmige Verbindungsfläche aufweist.
Aufbau wie in Anspruch 35 beansprucht, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Rohr und dem Flansch durch Rippen, Bolzen oder jegliche andere geeignete mechanischie Halterungen verstärkt ist.