EP1237662A2 - Verfahren zur kunststoffbeschichtung mittels eines spritzvorganges, eine vorrichtung dazu sowie die verwendung der schicht - Google Patents

Verfahren zur kunststoffbeschichtung mittels eines spritzvorganges, eine vorrichtung dazu sowie die verwendung der schicht

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EP1237662A2
EP1237662A2 EP00993329A EP00993329A EP1237662A2 EP 1237662 A2 EP1237662 A2 EP 1237662A2 EP 00993329 A EP00993329 A EP 00993329A EP 00993329 A EP00993329 A EP 00993329A EP 1237662 A2 EP1237662 A2 EP 1237662A2
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EP
European Patent Office
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layer
plastic
speed
pressure
spraying
Prior art date
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EP00993329A
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EP1237662B1 (de
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Michael Dvorak
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DACS DvorakAdvanced Coating Solutions
Original Assignee
DACS DvorakAdvanced Coating Solutions
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Publication date
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for plastic coating by means of a spraying process.
  • the invention relates to a device for carrying out the method with a nozzle constriction area and a downstream acceleration channel, and the use of the layer.
  • Plastic coating is understood to mean both the coating of plastics - for example plastic metallization - and with plastics, i.e. with materials whose essential components consist of such macromolecular organic compounds that are produced synthetically or by modifying natural products.
  • the powder is introduced into the flame from the inside and outside of a flame spray burner.
  • this system is a spraying of plastic material allowed, all materials lose their required properties due to a long dwell time and excessive temperature.
  • the inventor has set itself the goal of eliminating the identified disadvantages and of offering an inexpensive method for coating plastic parts without preheating - or even wood - or for coating with plastic powders or the like. organic substances.
  • a device is to be created for this.
  • either a layer of metallic, non-metallic or oxidic materials is applied to a plastic element or else a layer of plastic is applied to a base material by means of a high-speed spraying process with the addition of the powdery material by a gas-controlled one operated in particular with overpressure and underpressure.
  • Powder feed unit applied, preferably by means of a high-speed flame spraying process or a high-speed cold spraying process.
  • a spray material in a grain size range between 0.1 and 150 ⁇ m, in particular 0.5 to 75 ⁇ m, but especially in a grain size range from 1 to 30 ⁇ m.
  • polymeric powdery plastics are adjusted to the properties of the base material by means of nanocrystalline additives; nanocrystalline powders are proposed as wettable powders.
  • the layer is applied to a fiber-reinforced material, such as a material reinforced with carbon or glass fibers.
  • the layer according to the invention can be applied to a plastic, a high-temperature-resistant plastic, to polyurethane, high-performance thermoplastic and / or duroplastic, in particular to polyether ether clay (PEEK), polyacrylic ether clay (PAEK), its precursors, polyphenylene sulfite (PPS), liquid crystalline polymer (LCP), Entfunctional oligomers or on polyamides.
  • PEEK polyether ether clay
  • PAEK polyacrylic ether clay
  • LCP liquid crystalline polymer
  • Entfunctional oligomers or on polyamides.
  • the plastic is to be applied as a base material or as a base layer on a metal or as a cover layer.
  • a wear layer made of carbides, oxides, nitrides, silicides, borides or mixtures thereof can advantageously be sprayed onto the plastic, the carbides, oxides, nitrides, silicides, borides being bound with a metallic binder, for example with nickel, cobalt or .dgl. Elements. It has also proven to be advantageous to spray on a metallic or intermetallic material as a layer, for example Ni; NiCr; Cr; Cu; Fe; AL and alloys or mixtures thereof. The layer of a mixture of the materials can also be built up graduated.
  • the powdery spray material is preferably fed centrally to the high-speed flame near the nozzle constriction area and in front of the acceleration duct, wherein according to another feature of the invention, at least one feed device for the powdery spray material is provided, which is arranged radially to the high-speed flame.
  • a further measure according to the invention is that the pressure range for the flame jet of the high-pressure, high-speed flame spray burner is to be operated at a high pressure of 5 to 50 bar, preferably 10 to 25 bar.
  • the powder conveyor between the powder storage container and the powder outlet to the spraying device should be pressure-controlled and pressure-coupled.
  • the layer according to the invention as said on plastic material — can be used to produce a sliding bearing or a sliding layer, likewise for an electrically conductive layer or a magnetic layer. It is also possible to create an insulating layer, a non-stick layer or a biologically active layer.
  • Fig. 1 a flame spray burner with axial powder supply
  • Fig. 2 a flame spray burner with radial powder feed.
  • a pistol-like flame spray burner 10 according to FIG. 1 contains an axial feed pipe 18, which opens near the rear wall 12 of a combustion chamber 14, for the spray or material to be processed. This is connected to a powder feed unit indicated at 20, in which a volume is sucked in under vacuum and passed on with overpressure.
  • the combustion chamber 14 which tapers in a region 16 of the axial length a in the injection direction x, merges into a tubular acceleration channel 22 with an end opening 24 for the high-speed flame F.
  • the flame spray burner 10 a of FIG. 2 is equipped between the tapering region 16 of the combustion chamber 14 and the acceleration channel 22 with a cut-in zone 26 which is defined by a narrow passage cross section 28. This is followed by the mouths of two radial feed pipes 19 in the spray direction x.
  • Suitable base materials for the process described here are metallic and plastic materials, such as polyurethane, high-temperature resistant plastics, high-performance thermoplastics and / or thermosets.
  • metallic base materials intermediate layers are applied to reduce the stresses to compensate for the differences in the expansion coefficient or to reduce the same, for example if a wear layer made of hard materials - such as borides, carbides, nitrides, silicides and / or oxides - is used with and on a fiber-reinforced material to be sprayed on without metal or plastic binders.
  • the high-temperature resistant plastics used for intermediate and top layers are:
  • PEEK Polyether ether clay
  • Liquid crystalline polymer (LCP)
  • Layers can only be successfully applied to metallic, non-metallic and plastic base materials if such a process is used and the spray materials are matched to the properties of the base material - such as the coefficient of expansion - and the layer sequence.
  • a tool wear coating with a layer thickness of 200 ⁇ m was applied as a transition layer using an HD-HVOF (high-pressure, high-speed flame spraying) process made from polyether ether cements with the addition of aluminum oxides from 1 to 30% by weight and a grain size distribution for the wettable powder from 1 to 50 ⁇ m.
  • HD-HVOF high-pressure, high-speed flame spraying
  • Example 2 This was carried out as described in Example 1, with the difference that the transition layer had a graded structure (PEEK aluminum oxide) for better adaptation to the base material or for adaptation of the expansion coefficients.
  • the transition layer had a graded structure (PEEK aluminum oxide) for better adaptation to the base material or for adaptation of the expansion coefficients.
  • transition layer for better adaptation to the base material or to adapt the expansion coefficients and the electrical conductivity consists of a spray material of the composition PEEK aluminum oxide copper.
  • Example 3 This corresponded to Example 3 with the difference of a galvanically or electrochemically applied wear layer.
  • the finished coating produced according to Example 4 was after-treated with a heat treatment in the temperature range from 150 to 350 ° C. before use.
  • a wear protection layer with high dielectric strength and low tendency to stick was applied to roller rolls for the paper industry.
  • An HD-HVOF device with an overpressure and underpressure was used as the spraying system working powder feed unit used.
  • the layer thickness should be 500 ⁇ m.
  • Example 6 Corresponded to Example 6, the coating having a graded structure.
  • Example 6 This also corresponded to Example 6, but using a fiber composite material as the base material.
  • the HD-HVOF process was used and a layer with a layer thickness of 500 ⁇ m was applied with the following composition: the powdery spray material consisted of a mixture of a polyurethane powder and a nanocrystalline one Copper powder in the ratio 90/10; the grain size distribution was 1 to 75 ⁇ m.
  • the white metal used up to now should be replaced by a better plain bearing material.
  • the coating according to the HD-HVOF process was carried out with an intermediate layer and a top layer made of powdery materials of the following composition:
  • Top layer with a layer thickness of 2000 ⁇ m made of a mixture of PEEK, copper and
  • a reactor vessel for the chemical industry should be provided with a corrosion-resistant and magnetic protective layer to control the reactions to be carried out in it.
  • the coating should be done with the HD-HVOF process and the applied layer should have a layer thickness of 700 ⁇ m.
  • a mixture of PEEK, Si oxide, Al oxide and nanocrystalline ferrite was used as the powdery material.
  • the composition was 5 to 20% by weight of Si oxide, 10 to 20% by weight of Al oxide and the rest PEEK.
  • the Curie point of the coating was set to 280 ° C. by the ferrite grain size.
  • the grain size distribution was 1 to 40 ⁇ m.
  • the layer was sintered by induction.
  • a weather-resistant protective layer with a layer thickness of 200 ⁇ m should be applied to a climbing garden made of wood for a playground using the HD-HVOF process.
  • a mixture of was used as the powdery material
  • Al203-Ti02 87/13 20% by weight
  • the protective layer thus produced had excellent weather resistance and also showed a beautiful black color.

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Description

Verfahren zur Kunststoffbeschichtung mittels eines Spritzvorganges, eine Vorrichtung dazu sowie die Verwendung der Schicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kunststoffbeschichtung mittels eines Spritzvorganges. Zudem erfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Düseneinschnürungsbereich und nachgeschaltetem Beschleunigungskanal sowie die Verwendung der Schicht.
Unter Kunststoffbeschichtung versteht man sowohl das Beschichten von Kunststoffen -- beispielsweise die Kunststoffmetallisierung -- als auch mit Kunststoffen, also mit Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus solchen makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten entstehen.
Das Auftragen solcher Plastikwerkstoffe mit und ohne Füllung durch thermische Spritzverfahren, wie etwa Flammspritzen und Plasmaspritzen mit pulverförmigem oder drahtförmigem Spritzwerkstoff, ist seit langem bekannt. Das bei all diesen Verfahren auftretende Problem ist, dass beim Aufschmelzen des Plastikwerkstoffes dieser in vielen Fällen bedingt durch die Verweilzeit im Strahl und die thermische Beeinflussung -- strukturell verändert wird und dadurch seine Stabilität in Hinsicht auf die Beständigkeit verliert; bei allen bekannten Verfahren ist es notwendig, die zu beschichtende Oberfläche auf die -- oder nahe an die -- Schmelztemperatur vorzuwärmen.
Bei einem der US-A-5 282 573 zu entnehmenden Flammspritzverfahren wird in einen Flammspritzbrenner das Pulver von innen und von außen in die Flamme eingeführt. Obwohl diese Anlage ein Aufspritzen von Plastikwerkstoff erlaubt, verlieren alle Werkstoffe durch lange Verweilzeit und zu hohe Temperatur ihre erforderlichen Eigenschaften.
Auch Versuche, den Plastikwerkstoff von außen in einem gewissen Abstand in die Plasmaflamme einzubringen, wie in der DE-C-41 29 120 beschrieben, zeigte keine guten Ergebnisse, da auch hier die aufgebrachte Schicht im Vergleich zum nicht gespritzen Werkstoff schlechtere Eigenschaften aufwies .
Ein wesentliches Problem bei diesen Versuchen bestand darin, dass immer sehr hohe thermische und relativ niedrige kinetische Energie zum Aufspritzen verwendet wurden, da die eingesetzten Spritzgeräte in allen Fällen für höher schmelzende Metalle konstruiert waren.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die erkannten Nachteile zu beseitigen und ein günstiges Verfahren zum Beschichten von Kunststoffteilen ohne Vorwärmung -- oder auch von Holz -- anzubieten bzw. zum Beschichten mit Kunststoffpulvern od.dgl. organischen Stoffen. Zudem soll eine Vorrichtung dazu geschaffen werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
Erfindungsgemäß wird entweder eine Schicht aus metallischen, nichtmetallischen oder oxidischen Werkstoffen auf ein Kunststoffelement oder aber eine Schicht aus Kunststoff auf einen Grundwerkstoff mittels eines Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahrens unter Zugabe des pulverförmigen Werkstoffes durch eine gasgesteuerte insbesondere mit Überdruck und Unterdruck betriebene -- Pulverfördereinheit aufgetragen, dies bevorzugt mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren oder eines Hochgeschwindigkeits-Kaltspritzverfahrens .
Als günstig hat es sich erwiesen, einen Spritzwerkstoff in einem Korngrößenbereich zwischen 0,1 und 150 μm, insbesondere 0,5 bis 75 um, einzusetzen, besonders aber in einem Korngrößenbereich von 1 bis 30 μm.
Nach einem anderen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens werden polymere pulverförmige Kunststoffe durch nanokristalline Zusätze auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffes eingestellt; als Spritzpulver werden nanokristalline Pulver vorgeschlagen.
Gute Resultate werden dann erreicht, wenn die Schicht auf einen faserverstärkten Werkstoff aufgebracht wird, etwa einen durch Kohle- oder Glasfasern verstärkten Werkstoff.
Zum anderen kann die erfindungsgemäße Schicht auf einen Kunststoff, einen hochtemperaturbeständigen Kunststoff, auf Polyurethan, Hochleistungsthermoplast und/oder Duroplast aufgetragen werden, insbesondere auf Polyetheretherkenton (PEEK) , Polyacryletherkenton (PAEK) , deren Vorstufen, Polyphenylensulfit (PPS) , Liquidcristallinepolymer (LCP) , Entfunctionale Oligomere oder auf Polyamide.
Der Kunststoff soll im Rahmen der Erfindung als Grundwerkstoff oder als Basisschicht auf einem Metall oder als Deckschicht aufgetragen werden. Als Schicht kann vorteilhafterweise auf den Kunststoff eine Verschleißschicht aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, Siliciden, Boriden oder Mischungen davon aufgespritzt werden, wobei die Karbide, Oxide, Nitride, Silicide, Boride mit einem metallischen Binder gebunden werden sollen, beispielsweise mit Nickel, Kobalt od.dgl. Elementen. Auch hat es sich als günstig erwiesen, als Schicht einen metallischen oder intermetallischen Werkstoff aufzuspritzen, beispielsweise Ni ; NiCr; Cr; Cu; Fe; AL sowie Legierungen oder Mischungen davon. Die Schicht aus einem Gemisch der Werkstoffe kann zudem graduiert aufgebaut werden .
Im Rahmen der Erfindung liegt eine als Hochdruck- Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner ausgebildete Vorrichtung mit einem Düseneinschnürungsbereich und nachgeschaltetem Beschleunigungskanal sowie mit einer gasgesteuerten Pulverfördereinheit, die vorteilhafterweise mit Überdruck sowie mit Unterdruck betrieben zu werden vermag. In diesem Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritzbrenner wird der pulverförmige Spritzwerkstoff bevorzugt zentral der Hochgeschwindigkeitsflamme nahe dem Düseneinschnürungsbereich und vor dem Beschleunigungskanal zugeführt, wobei nach einem anderen Merkmal der Erfindung wenigstens eine radial zur Hochgeschwindigkeitsflamme angeordnete Zuführeinrichtung für den pulverförmigen Spritzwerkstoff vorgesehen ist .
Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist anzusehen, dass der Druckbereich für den Flammenstrahl des Hochdruck- Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenners mit einem Hochdruck von 5 bis 50 bar -- vorzugsweise 10 bis 25 bar -- zu betreiben ist. Zudem soll der Pulverförderer zwischen dem Pulverlagerbehälter und dem Pulveraustritt zum Spritzgerät druckgesteuert und druckgekoppelt sein.
Dank dieser Maßgaben hat sich gezeigt, dass es möglich ist, mit dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritzbrenner bei der Einführung des pulverförmigen Werkstoffes axial oder radial nahe oder in der Einschnürzone vor dem oder im Beschleunigungskanal zugeführt werden, wodurch die Plastikwerkstoffe ohne Veränderung der Struktur und ohne Substrat Vorwärmung aufgespritzt werden können. Eine weitere Notwendigkeit ist es, einen druckentkoppelten, durch Unter-und Überdruck gesteuerten Pulverförderer zu verwenden, da nur ein solcher es erlaubt, den pulverförmigen Spritzwerkstoff in der beschriebenen Stelle in den Flammenkanal einzubringen und mit einer ausreichenden Genauigkeit die beschriebenen Spritzwerkstoffe zu fördern.
Von Bedeutung ist bei einer in der beschriebenen Weise mittels des Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahrens auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht, dass sie zu einer Verbesserung sowohl der Verschleißfestigkeit als auch der Korossionsbeständigkeit des Grundwerkstoffes beiträgt.
Die erfindungsgemäße -- wie gesagt auf Plastikwerkstoff aufgebrachte -- Schicht kann zum Herstellen eines Gleitlagers bzw. einer Gleitschicht eingesetzt werden, ebenfalls für eine elektrisch leitende Schicht oder eine magnetische Schicht. Auch die Erzeugung einer Isolierschicht, einer Antihaftschicht oder einer biologisch aktiven Schicht ist möglich.
Im Rahmen der Erfindung liegt schließlich die Verwendung solcher auf einem Plastikwerkstoff entstandener Schichten sowohl in der Automobil- Industrie oder im Maschinenbau als auch in der chemischen Industrie sowie im Schiffs- und Bootsbau. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Medizintechnik.
Dank der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, i.w. thermische Energie weitgehend durch kinetische zu ersetzen, können die erwähnten Kunststoffteile ohne Vorwärmen beschichtet bzw. in entsprechender Weise Kunststoffschichten auf Grundwerkstoffe aufgetragen werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihren beiden Figuren jeweils einen schematisierten Längsschnitt durch einen Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritzbrenner (HD-HVOF) und zwar in
Fig. 1: einen Flammspritzbrenner mit axialer PulverZuführung;
Fig. 2: einen Flammspritzbrenner mit radialer Pulverzuführung .
Ein pistolenartiger Flammspritzbrenner 10 nach Fig. 1 enthält ein -- nahe der Rückwand 12 einer Brennkammer 14 mündendes -- axiales Zuführrohr 18 für den zu verarbeitenden Spritz- oder Werkstoff. Dieses ist an eine bei 20 angedeutete Pulverfördereinheit angeschlossen, bei der ein Volumen mit Unterdruck angesaugt sowie mit Überdruck weitergeleitet wird.
Die sich in einem Bereich 16 der axialen Länge a in Spritzrichtung x verjüngende Brennkammer 14 geht in einen rohrartigen Beschleunigungskanal 22 mit endwärtiger Mündung 24 für die Hochgeschwindigkeitsflamme F über.
Der Flammspritzbrenner 10a der Fig. 2 ist zwischen dem sich verjüngenden Bereich 16 der Brennkammer 14 und dem Beschleunigungskanal 22 mit einer Einschnürzone 26 ausgestattet, die von einem engen Durchgangsquerschnitt 28 definiert ist. Diesem sind die Mündungen zweier radialer Zuführrohre 19 in Spritzrichtung x nachgeordnet.
Mit diesem pistolenartigen Flammspritzbrenner 10, 10a -- denen jeweils eine gasgesteuerte Pulverfördereinheit zugeordnet ist -- werden ein Flammendruck in der Brennkammer bzw. im Bereich des Pulverinjektionspunktes zwischen 5 bis 50 bar, vorzugsweise 10 bis 25 bar, und eine sehr hohe Flammengeschwindigkeit im Bereich bis zu Mach 3 erreicht. Infolge des hohen Arbeitsdruckes werden die Spritzpulverpartikel wesentlich besser beschleunigt, und die Wärmeeinbringung wird auf ein Minimum reduziert.
Als Grundwerkstoffe eignen sich für das hier beschriebene Verfahren metallische und Plastikwerkstoffe, wie etwa Polyurethan, hochtemperaturbeständige Kunststoffe, Hochleistungsthermoplaste und/oder Duroplaste. Bei metallischen Grundwerkstoffen werden Zwischenschichten zum Abbau der Spannungen zur Kompensation der Unterschiede im Ausdehnungskoeffizient oder zum Abbau derselben aufgetragen, beispielsweise wenn auf einen faserverstärkten Werkstoff eine Verschleißschicht aus Hartstoffen -- etwa aus Boriden, Karbiden, Nitriden, Siliciden und/oder Oxiden -- mit und ohne Metall- oder Plastikbinder aufgespritzt werden soll.
Die bei Zwischen- und Deckschichten verwendeten hochtemperaturbeständigen Kunststoffe sind:
Polyetheretherkenton (PEEK) ;
Polyacryletherkentone (PAEK) und deren
Vorstufen;
Polyphenylensulfit (PPS) ;
Liquidcristallinepolymer (LCP) ;
Entfunctionale Oligomere oder
Polimide,
die je nach den anstehenden Problemen mit oxidischen und/oder nanokristallinen Werkstoffen gefüllt sein können bzw. als Werkstoffmischung verwendet werden, um die Eigenschaften dem Anforderungsprofil optimal anzupassen. Nur wenn mit einem solchen Verfahren gearbeitet wird und die Abstimmung der Spritzwerkstoffe auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffes -- wie etwa des Ausdehnungskoeffizienten -- sowie die Schichtfolge eingehalten werden, können Schichten auf metallische, nichtmetallische und plastische Grundwerkstoffe mit Erfolg aufgebracht werden.
Beispiel 1:
Im Werkzeugbau für Karosserieteile werden beim Herstellen von Kleinserien -- oder für Änderungen an derartigen Werkzeugen -- zur Kostensenkung Hartplastikwerkzeuge oder Teile davon verwendet. Um diese Werkzeuge mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen, ist im Hinblick auf die geringe Temperaturbelastung des Grundwerkstoffes nur ein mit hohem Druck arbeitendes Hochgeschwindigkeitsflammspritz -Verfahren einsetzbar.
Bei Versuchen wurde als Übergangsschicht eine Werkzeug- Verschleißbeschichtung einer Schichtdicke von 200 μm mittels eines HD-HVOF (Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritz-) Verfahrens aufgebracht aus Polyetheretherkenten mit einem Zusatz von Aluminium-Oxiden von 1 bis 30 Gew.-% und einer Kornverteilung für das Spritzpulver von 1 bis 50 μm.
Es folgte eine Zwischenschicht aus Kupfer mit einer Schichtdicke von 100 μm, die mit einer Lichtbogendrahtspritzpistole aufgespritzt wird, und auf dieser wurde eine Deckschicht bzw. Verschleißschicht mit einer Schichtdicke von 40 μm aufgebaut, für die ebenfalls ein HD-HVOF-Verfahren eingesetzt wurde. Als Spritzpulver diente hier ein Wolframkarbid/Kobalt 88/12 mit einer Kornverteilung von 1 bis 20 μm.
Durch das Aufbringen dieser Beschichtung wurde eine wesentlich höhere Standzeit für das Werkzeug erreicht. BEISPIEL 2 :
Hier erfolgte die Ausführung wie zu Beispiel 1 beschrieben mit dem Unterschied, dass die Ubergangsschicht zum besseren Anpassen an den Grundwerkstoff bzw. zum Anpassen der Ausdehnungskoeffizienten einen gradierten Aufbau (PEEK- Aluminium-Oxid) aufwies.
BEISPIEL 3:
Auch diese Ausführung entsprach jener nach Beispiel 1, wobei allerdings die Ubergangsschicht zum besseren Anpassen an den Grundwerkstoff bzw. zum Anpassen der Ausdehnungskoeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit aus einem Spritzwerkstoff der Zusammensetzung PEEK- Aluminium-Oxid-Kupfer besteht.
BEISPIEL 4:
Dieses entsprach dem Beispiel 3 mit dem Unterschied einer galvanisch oder elektrochemisch aufgebrachten Verschleißschicht .
BEISPIEL 5:
Hierbei wurde die nach Beispiel 4 erzeugte fertige Beschichtung vor dem Einsatz mit einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 150 bis 350°C nachbehandelt.
BEISPIEL 6:
Auf Walzenrollen für die Papierindustrie wurde zur Verbesserung der Standzeiten und der Beständigkeit gegen Feuchtigkeit eine Verschleißschutzschicht mit hoher Durchschlagsfestigkeit und niedriger Klebeneigung aufgetragen. Als Spritzanlage wurde eine HD-HVOF- Einrichtung mit einer unter Überdruck und Unterdruck arbeitenden Pulverfördereinheit verwendet. Die Schichtdicke sollte 500 μm betragen.
Als Spritzpulver wurde ein Gemisch aus 70 bis 98 Gew.-% Polyetheretherkenton (PEEK) und 2 bis 30 Gew.-% nanokristallinen Oxiden einer Kornverteilung von 1 bis 20 μm eingesetzt. Die gefundenen Werte und Standzeiten lagen gegenüber denen ohne Beschichtung wesentlich höher.
BEISPIEL 7:
Entsprach dem Beispiel 6, wobei die Beschichtung einen gradierten Aufbau aufwies.
BEISPIEL 8:
Auch dieses entsprach dem Beispiel 6, allerdings unter Einsatz eines Faserverbundwerkstoffes als Grundwerkstoff.
BEISPIEL 9:
Beim Aufspritzen einer Antifäulnis-Schicht auf einen aus Kunststoff hergestellten Boots- oder Schiffskörper wurde das HD-HVOF-Verfahren eingesetzt und eine Schicht einer Schichtdicke von 500 μm mit der folgenden Zusammensetzung aufgebracht: der pulverförmige Spritzwerkstoff bestand aus einem Gemisch von einem Polyurethanpulver sowie einem nanokristallinen Kupferpulver im Verhältnis 90/10; die Kornverteilung betrug 1 bis 75 μm.
Diese Schicht zeigte gegenüber den sonst üblichen kupferhaltigen Farbanstrichen eine wesentlich höhere Standzeit und bot eine bessere ökologische Verträglichkeit an. BEISPIEL 10 :
Kohlefaserverstärkte Implantate für Knie- oder Hüftgelenke können bis heute nur bedingt eingesetzt werden, da sich das Hydroxylapatit nicht auf diesen Werkstoff aufspritzen läßt. Darum wurde mit dem HD-HVOF-Verfahren eine mit diesem Grundwerkstoff und dem menschlichen Körper verträgliche Zwischenschicht und anschließend die biostabile Schicht -- beispielsweise Hydroxylapatit -- aufgespritzt. Die Zwischenschicht einer Schichtdicke von 50 μm bestand aus pulverförmigem PPS und AI -Oxid im Mischungsverhältnis 10 bis 40 Anteile Al-Oxid, Rest PPS.
Diese Lösung ergab eine implantierbare Prothese, die sehr leicht und gut verträglich ist. Auch die Entstehungskosten können gegenüber einer Titanlegierung als Grundwerkstoff enthaltenden Prothesen niedriger gehalten werden.
BEISPIEL 11:
Bei Walzengleitlagern sollte das bis jetzt verwendete Weißmetall gegen einen besseren Gleitlagerwerkstoff ersetzt werden. Die Beschichtung nach dem HD-HVOF-Verfahren geschah mit einer Zwischenschicht und einer Deckschicht aus pulverförmigen Werkstoffen der folgenden Zusammensetzung:
• Zwischenschicht einer Schichtdicke von 50 μm aus einem Gemisch von Polyacryletherkenton (PAEK) und Al-Oxid im Verhältnis 10 bis 30 Gew.-% Al-Oxid, Rest PAEK;
• Deckschicht bei einer Schichtdicke von 2000 μm aus einem Gemisch von PEEK, Kupfer und
Bornitriden in der folgenden
Zusammensetzung Cu 30 Gew.-% und Bornitrid
(Hexagonal) 4 Gew.-%, Rest PEEK. Die so hergestellten Gleitlager zeigten sehr gutes Gleitverhalten und eine wesentlich höhere Standzeit als bislang bekannte Gleitlager.
BEISPIEL 12:
Ein Reaktorbehälter für die chemische Industrie sollte zur Steuerung der darin durchzuführenden Reaktionen mit einer korrosionsfesten und magnetischen Schutzschicht versehen werden. Die Beschichtung sollte mit dem HD-HVOF-Verfahren erfolgen und die aufgebrachte Schicht eine Schichtdicke von 700 μm aufweisen.
Als pulverförmiger Werkstoff wurde ein Gemisch aus PEEK, Si-Oxid, Al-Oxid und nanokristallinem Ferrit verwendet. Die Zusammensetzung lag bei Si-Oxid 5 bis 20 Gew.-%, Al-Oxid 10 bis 20 Gew.-% und Rest PEEK. Durch die Ferritkorngröße wurde der Curiepunkt der Beschichtung auf 280°C eingestellt. Die Kornverteilung betrug 1 bis 40 μm.
Nach dem Aufspritzen wurde die Schicht mittels Induktion nachgesintert .
Die nachfolgend in diesem Reaktor durchgeführten Reaktionen waren sehr erfolgversprechend.
BEISPIEL 13:
Auf einem aus Holz hergestellten Klettergarten für einen Spielplatz sollte eine verwitterungsfeste Schutzschicht einer Schichtdicke von 200 μm mit dem HD-HVOF-Verfahren aufgebracht werden. Als pulverförmiger Werkstoff wurde ein Gemisch verwendet aus
• Al203-Ti02 87/13 = 20 Gew.%;
• Graphitpulver = 5 Gew.-%;
• Polyamid = Rest .
Die so hergestellte Schutzschicht hatte eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit und zeigte zudem eine schöne schwarze Farbe .

Claims

PATENTA SPRÜCHE
1. Verfahren zur Kunststoffbeschichtung mittels eines Spritzvorganges ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Schicht aus metallischen, nichtmetallischen oder oxidischen Werkstoffen auf ein Kunststoffelement oder eine Schicht aus Kunststoff auf einen Grundwerkstoff mittels eines Hochdruck- Spritzverfahrens unter Zugabe des pulverförmigen Werkstoffes durch eine gasgesteuerte Pulverfördereinheit aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverfördereinheit mit Überdruck und Unterdruck betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Hochgeschwindigkeits-Kaltspritzverfahren .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Spritzwerkstoff in einem Korngrößenbereich zwischen 0,1 und 150 μm, insbesondere 0,5 bis 75 μm.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Korngrößenbereich von 1 bis 30 μm.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass polymere pulverförmige Kunststoffe durch nanokristalline Zusätze auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffes eingestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzpulver nanokristalline Pulver eingesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf einen faserverstärkten Werkstoff aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Kohleoder Glasfasern als den Werkstoff verstärkende Fasern.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf einen Kunststoff, einen hochtemperaturbeständigen Kunststoff, auf Polyurethan, Hochleistungsthermoplast und/oder Duroplast aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf Polyetheretherkenton (PEEK) , Polyacryletherkenton (PAEK) , deren Vorstufen, Polyphenylensulfit (PPS) , Liquidcristallinepolymer (LCP) , Entfunctionale Oligomere oder Polyamide aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff als Grundwerkstoff oder als Basisschicht auf einem Metall oder als Deckschicht aufgetragen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht auf den Kunststoff eine Verschleissschicht aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, Siliciden, Boriden oder Mischungen davon aufgespritzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide, Oxide, Nitride, Silicide, Boride mit einem metallischen Binder gebunden werden, beispielsweise mit Nickel, Kobalt od.dgl. Elementen.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht ein metallischer oder intermetallischer Werkstoff aufgespritzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht Ni , NiCr, Cr, Cr-Legierungen, Cu, CU- Legierungen, Fe, Fe-Legierungen, AI, AI -Legierungen oder Mischungen davon aufgespritzt wird/werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem Gemisch der Werkstoffe, die graduiert aufgebaut wird.
19. Vorrichtung mit einem Düseneinschnürungsbereich (26) und nachgeschaltetem Beschleunigungskanal (22) zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritzbrenner (10, 10a) oder als Hochgeschwindigkeits-Kaltspritzbrenner ausgebildet sowie mit einer gasgesteuerten Pulverfördereinheit (20) versehen ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverfördereinheit (20) mit Überdruck und mit Unterdruck betreibbar ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in ihr der pulverförmige Spritzwerkstoff zentral der Hochgeschwindigkeitsflamme
(F) nahe dem Düseneinschnürungsbereich (26) und vor dem Beschleunigungskanal (22) zuführbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine radial zur Hochgeschwindigkeitsflamme (F) angeordnete Zuführeinrichtung (19) für den pulverförmigen Spritzwerkstoff vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbereich für den Flammenstrahl des Hochdruck-Hochgeschwindigkeits- Flammspritzbrenners (10, 10a) mit einem Hochdruck von 5 bis 50 bar, vorzugsweise 10 bis 25 bar, betreibbar ausgebildet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverfördereinheit
(20) zwischen dem Pulverlagerbehälter und dem Pulveraustritt zum Flammspritzbrenner (10, 10a) druckgesteuert und druckgekoppelt ist.
25. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Verbessern der Verschleißfestigkeit und/oder der Korrosionsbeständigkeit des Grundwerkstoffes.
26. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Herstellen eines Gleitlagers bzw. einer Gleitschicht.
27. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Herstellen einer elektrisch leitenden Schicht oder einer magnetischen Schicht .
28. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Herstellen einer Isolierschicht.
29. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Herstellen einer Antihaftschicht .
30. Verwendung einer durch ein Hochgeschwindigkeits- Spritzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 auf Plastikwerkstoff aufgebrachten Schicht zum Herstellen einer biologisch aktiven Schicht.
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