FI99028C

FI99028C - Menetelmä kuituvahvisteisen muovikappaleen päällystämiseksi

Info

Publication number: FI99028C
Application number: FI921549A
Authority: FI
Inventors: Hinrich Habenicht
Original assignee: Sgl Technik Gmbh
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1997-09-25
Also published as: CA2066149A1; FI921549A0; FI921549A; EP0514640B1; JPH05202461A; EP0514640A1; DE4116641A1; KR920021629A; DE59200715D1; FI99028B; ATE113633T1; JP2954423B2

Description

. 99028

Menetelmä kuituvahvisteisen muovikappaleen päällystämiseksi

Keksintö koskee menetelmää yhdestä tai useammasta 5 kerroksesta koostuvan kiinni tarttuvan, kestävän päällys teen levittämiseksi lujittavia kuituja ja muovimatriisia käsittävästä komposiittimateriaalista koostuvien kappaleiden pinnalle.

Käyttämällä kuituvahvisteisia muoveja voidaan saa-10 vuttaa huomattavia etuja koneen-, ajoneuvon- ja laitteis- torakennusalalla samoin kuin rakennusteollisuudessa. Kui-tuvahvisteiset muovit ovat yleensä kevyempiä kuin metallit korroosionkeston ollessa hyvä, ja niillä on vastaavien rakenteiden ollessa kyseessä vähintään yhtä hyvät mekaani-15 set ominaisuudet painon mukaan laskettuna. Näillä eduilla on merkitystä erityisesti nopeasti liikkuvien osien, kuten esimerkiksi akseleiden, valssien, telojen, työntimien, vipujen, potkureiden jne., ollessa kyseessä.

Metalleista koostuvat nopeasti pyörivät, esimerkik-20 si paperin- ja kalvonvalmistus- ja -työstökoneiden tai painokoneiden telat joutuvat suuren massansa vuoksi huomattavien keskipakovoimien alaisiksi, hitaus- ja siten käyttövoimat ovat suhteellisen suuria, ja massojen tasaukselle asetetaan suuria vaatimuksia. Siksi nykyisin tähän 25 tarkoitukseen käytetään kuituvahvisteisesta muovista eri tyisesti hiilikuituvahvisteisesta muovista valmistettuja teloja, joiden massa on olennaisesti pienempi kuin metai-litelojen jäykkyyden ollessa samanlainen ja muodonpitävyy-den parempi (DE-hyödyllisyys 8 322 639) .

30 Myös laitteistojen ja säiliöiden rakentamisessa samoin kuin rakennusteollisuudessa on edullista hyödyntää metalleja ja keraamisia materiaaleja kevyempien kuituvah-visteisten muovien korkeaa veto- ja taivutuslujuutta, erinomaista vääntölujuutta samoin kuin korroosionkestä-35 vyyttä.

. 99028 2

Syöttö- tai kuljetustoimenpidekäytössä tai pintaan nähden liikkuvien aineiden vaikutuksen alaisina osoittautuvat kuituvahvisteisten muovien pinnat kuitenkin usein liian heikoiksi. Siksi on ehdotettu pintojen galvaanista 5 päällystämistä kestävällä metallilla abraasioilmiöiden vähentämiseksi ja tuotteeseen siirtyvien epäpuhtauksien välttämiseksi (DE-hyödyllisyys 8 406 019). Siten levitettyjen kerrosten laatu ei ole kuitenkaan useissa tapauksissa tyydyttävä liian heikon tartuntalujuuden vuoksi. Yhden 10 toisen menetelmän (GB-patenttijulkaisu 887 366) mukaisesti kovetettavissa olevista muoveista, kuten formaldehydihartseista, koostuvia muotokappaleita varustetaan liekkiruis-kutusmenetelmällä metalli- tai lejeerinkipäällysteillä, joiden pitäisi tehdä näistä osista törmäys- ja iskukuormi-15 tuksia kestäviä. Tämä menetelmä on tekniikan nykytason mukaisesti hankala ja kallis, kerrosten tartuntalujuus ei täytä nykyisiä vaatimuksia erityisesti dynaamisen kuormituksen yhteydessä, ja ruiskutettavissa ja yhdistettävissä olevien materiaalien valikoima on rajoitettu. Tartuntalu-20 juudeltaan tyydyttävien kerrosten aikaansaamiseksi täytyy nimittäin täyttää erityisvaatimuksia. Ensimmäisen kerroksen materiaali ei ole vapaasti valittavissa. Sen sulamispisteen täytyy olla 400 °C korkeampi kuin muovin hajoamispiste ja sen lämpölaajenemiskertoimen täytyy olla suurempi ! 25 kuin muovin. Lisäksi vaatimuksena on, että materiaalilla, josta toinen kerros on määrä muodostaa, on alhaisempi laa-jenemiskerroin kuin sitä ennen levitetyllä ensimmäisellä kerroksella, mikä parantanee ensimmäisen kerroksen heikkoa tarttuvuutta alustaansa. Päällystettävät muoviosat voivat 30 sisältää täyteaineita, kuten koksijauhetta, grafiittia, sahajauhoa, kivijauhoa, kvartsijauhetta tai paperi- tai tekstiilisilppua, joiden tehtävänä on mahdollisesti lämpölaa j enemiskertoimen alentaminen. Näiden täyteaineiden vaikutusta pinnalle ruiskutettujen metallien tarttumiseen 35 muovipintaan ei kuvata kirjallisuudessa, eikä se ole mah- 3 99028 dollistakaan täyte- ja kerrosmateriaalien välisten aine-koostumuserojen vuoksi.

Myös CH-patenttijulkaisussa 538 549 käsitellään suojakerrosten levittämistä liekkiruiskuttamalla muovista, 5 täyteaineista ja/tai kuiduista valmistetuille muoviosille.

Sen mukaan liekkiruiskutusmenetelmällä voidaan kyllä levittää suojakerroksia, mutta niillä on epätyydyttävä tar-tuntalujuus tai menetelmän vuoksi aiheutuu korjaa- matto-missa olevia vaurioita kantajamateriaalin pintaan, eri tyi-10 sesti lujitekuituihin. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kui- tuvahvisteiselle pohjakappaleelle levitetään ensin kudoksesta tai punoksesta ja muovista koostuva välikerros, joka toimii tartuntapohjana ja vaimentimena liekkiruiskutuksen yhteydessä. Pinnalle ruiskutetut hiukkaset tunkeutuvat ku-15 doksen yksittäisten huokosten väliin ja kiinnittyvät siten syvälle. Tämäkään menetelmä ei ole teknisesti tyydyttävä ja se on lisäksi kallis, koska välikerros voidaan valmistaa vain sellaisista aineista, jotka ovat saatettavissa kudoksen tai verkon muotoon, kudosten ja verkkojen työstä-20 minen vaatii kallista käsityötä tai teknisiä erikoislait- teita ja kudos tai verkko täytyy sovittaa tarkasti pohja-kappaleen pinnan mukaisesti, mikä on ongelmallista erityisesti suljettujen pintojen kohdalla pusku- tai limiliitos-ten vuoksi. Tämä kudosta sisältävä kerros toimii liekki-25 ruiskutuksen yhteydessä lämpösulkuna. Siinä esiintyy siksi suuria sisäisiä, muovimatriisin ja kudosmateriaalin erilaisten lämpölaajenemiskertoimien aiheuttamia jännityksiä, jotka voivat johtaa alla olevan kappaleen sisäisiin vaurioihin ja delaminoitumiseen ruiskutetun ulkokerroksen ol-30 lessa yhtenäinen ja hyvin kiinnipysyvä. Myös ruiskutetun kerroksen kiinnipysymisen suhteen on parannuksista huolimatta toivomisen varaa tekniikan tasossa, koska liekki-ruiskutuksen yhteydessä kuumat hiukkaset kohtaavat kaikissa tapauksissa ensin muovipinnan, joka tällöin hajoaa 35 enemmän tai vähemmän ja, kuten kokeet ovat osoittaneet, 4 99028 estää ruiskutettavan materiaalin suoran kemiallisen liittymisen asianmukaisesti valittuun kudos- tai verkkomate-riaaliin.

DE-patenttijulkaisussa 3 527 912 kuvataan toinen 5 menetelmä hiilikuituvahvisteisten muovikappaleiden pääl lystämiseksi metalleilla. Siinä suojakerroksen hyvä tarttuminen saadaan aikaan käyttämällä plasmaruiskutusmenetel-mää yhdistettynä fenoli-formaldehydihartsipohjaiseen hii-likuituvahvisteiseen substraatin pintaan. Tämä menetelmä 10 on jo otettu teollisuuskäyttöön, mutta tälläkään menetel mällä valmistettujen kerrosten kiinnipysyvyys ei kuitenkaan ole täysin tyydyttävä. Voimakkaiden mekaanisten kuormitusten kuten leikkaamisen, lopullisiin mittoihin hiomisen, törmäyskuormituksen tai myös pitkän käyttökuormituk-15 sen yhteydessä esiintyy edelleen päällysteen irtoamista.

Tämän keksinnön päämääränä oli siten saada aikaan patenttivaatimuksen 1 lajimääritelmän mukainen menetelmä, jonka yhteydessä käytettävän matriisimuovin ja päällystyksessä kyseeseen tulevien aineiden valintaan ei kohdistu 20 rajoituksia, päällystyskelpoisen samoin kuin päällystetyn komposiittikappaleen valmistus on yksinkertaista ja halpaa ja pystytään valmistamaan kerroksia, joilla on olennaisesti parantunut tartuntalujuus.

Tähän päämäärään päästään siten, että päällystettä-! 25 vä pinta koostuu muovista, johon on sidottu jokin osuus hiukkasmuodossa olevaa materiaalia, joka vastaa ainekoostumukseltaan päällystyskoostumuksena toimivaa materiaalia tai on kemiallisesti sidottavissa päällystysmateriaalina toimivaan materiaaliin, päällystettävän pinnan uloimpia 30 osia on kulutettu siinä määrin ja sillä tavalla, että pin taan sidotuissa, ainekoostumukseltaan päällystysmateriaalin kaltaisissa tai vastaavissa hiukkasissa on myöhempää päällystettä kohden suuntautuvia, vapaita, puhtaita, muovia sisältämättömiä pintoja, ja ainakin päällysteen ensim-35 mäisen kerroksen muodostukseen tarkoitettu materiaali

II

5 99028 ruiskutetaan tälle pinnalle lämpöruiskutusmenetelmällä. Keksinnön mukaisen ratkaisun muut suoritusmuodot esitetään patenttivaatimuksen 1 alivaatimuksissa.

Keksinnölle ovat olennaisia seuraavat yhdessä vai-5 kuttavat tekijät: 1. Kuituvahvisteisesta muovista koostuvaan perus-kappaleeseen on liitetty hiukkasmaista materiaalia sisältävä muovikerros. Tähän kerrokseen käytettävällä muovilla on toisaalta hyvä tarttumiskyky peruskappaleen hartsimat- 10 riisiin ja toisaalta hyvä kyky sitoa raemaisia - jauhemai sia materiaaleja.

2. Hiukkasia sisältävän kerroksen pintaa kulutetaan kovettuneessa tilassa siinä määrin, että valmistuksen jäljiltä aluksi muovin peittämässä hiukkasissa on vapaita, 15 ulospäin suuntautuvia, puhtaita pintoja, mutta ne pysyvät toisaalta edelleen lujasti muovimatriisiin ankkuroituneina .

3. Tälle pinnalle lämpöruiskutusmenetelmällä levitetty ensimmäinen kerros kiinnittyy vapauttamattomilta 20 sivuiltaan lujasti välikerroksen muovimatriisiin kiinnit tyneiden hiukkasten vapautettuihin pinnanosiin. Tämä kiinnittyminen saadaan aikaan ruiskutettujen hiukkasten ja alustan hartsimatriisiin upotettujen hiukkasten välisellä kemiallisella sitoutumisella. Olennaista tällaisen sidok-25 sen tyydyttävän muodostumisen kannalta on hiukkasten pin toja peittävän muovikerroksen puuttuminen. Kokeet ovat osoittaneet, että lämpöruiskutetun kerroksen tarttuminen heikkenee dramaattisesti, jos kuumien hiukkasten täytyy ensin iskeytyä muovikerroksen läpi, ennen kuin ne saavut-30 tavat muovihartsikerrokseen ankkuroitujen hiukkasten pin nat, tai jos ne kiinnittyvät vain mekaanisesti muovikerrokseen. Tarttumista estävät myös lämpöhajoamistuotteet, joita syntyy kuumien sulatettujen päällystysainehiukkasten törmätessä muovipintaan. Toisin kuin kaikkien tähän asti 35 tunnettujen menetelmien yhteydessä, ei keksinnön mukaisen 6 99028 menetelmän ollessa kyseessä enää tarvita lämpöruiskutetun kerroksen kiinnitystä muovialustaan.

Kuituvahvisteisesta muovista koostuva peruskappale voi olla missä tahansa lämpöruiskutusmenetelmän käytölle 5 sopivassa muodossa. Erityisen sopivia ovat toisaalta ta saiset tai kaarevat litteät rakenteet, kuten levyt, muotit, säiliöt tai putkijohdot tai niiden osat, ja toisaalta ainakin osittain suljettuja pintoja sisältävät kappaleet, kuten putket, telat, valssit, kartiot tai katkaistut kar-10 tiot.

Perusmateriaalina ja lujittavien kuitujen matrii-simateriaalina voivat olla kaikki muovit, joista voidaan valmistaa edellä kuvatun muotoisia kappaleita, joilla on riittävä muodonpitävyys ja lämmönkestävyys. Erityisesti 15 niitä ovat duroplastit, kuten fenoli-formaldehydi-, epok- sidi- ja polyesterihartsit. Termoplastiset hartsit, kuten polypropeeni, polyamidit tai polykarbonaatit, ovat kuitenkin myös soveltuvia. Lujittavina kuituina käytetään ennen kaikkea hiilikuituja, jolloin tämän termin piiriin tulee 20 lukea kuuluviksi grafiittikuidut, lasikuituja ja aramidi- kuituja. Myös muita kuituja, esimerkiksi mineraalikuituja, kuten basalttikuituja tai kivivillaa, metallikuituja ja karbidikuituja, kuten SiC-whiskereitä, voidaan käyttää, kun se on järkevää. Kuidut voidaan sitoa muovikappaleeseen 25 katko- tai tapulikuituina, kaksi- tai kolmiulotteisten kudosten, verkkojen, virkkuutuotteiden tai muiden tekstiilirakenteiden muodossa tai päättymättöminä kuituina.

Lämpöruiskutettavan kerroksen tarttumisen edistäjinä toimivat hiukkaset, jotka 30 1. sidotaan joko suoraan kuituvahvisteisen perus- kappaleen ulkopintaan rajoittuviin kerroksiin tai 2. kuituvahvisteiden peruskappaleen ulkopinnalle levitettyyn ja sen pintaan lujasti kiinnitettyyn kerrokseen .

7 99028

Ensimmäisessä tapauksessa hiukkaset sekoitetaan suoraan joukkoon uloimpien kerrosten muodostuksen yhteydessä. Tällöin hiukkaset voidaan sekoittaa joukkoon kuivassa tilassa, mahdollisesti varustettuina tartunta-5 aineella tai lietettyinä hartsiin tai hartsiliuokseen.

Tämä voidaan tehdä esimerkiksi ruiskuttamalla samanaikaisesti hiukkaskomponenttia ja katkokuituvahvisteista muovi-massaa erillisillä mutta koordinoidusti toimivilla ruisku-tuslaitteilla tai ruiskuttamalla hiukkasia sisältävää muo-10 vikomponenttia vastaavalla tavalla tai myös sirottelemalla pinnalle kuivaa hiukkaskomponenttia muodostettaessa jatkuvilla kuiduilla lujitettua kappaletta, esimerkiksi käämin-tämenetelmällä.

Toisessa tapauksessa valmistetaan edullisesti muo-15 vin, joka pystyy sitoutumaan hyvin kuituvahvisteisesta muovista koostuvaan peruskappaleeseen, ja hiukkaskomponen-tin seos. Tähän tarkoitukseen valittu muovi voi olla sama kuin peruskappaleessa tai muu muovi, joka täyttää yhtäläisesti ehdot, jotka koskevat hyvää liittymistä peruskappa-20 leeseen, hyvää kykyä sitoa hiukkasia ja hyvää työstettä- vyyttä kovettumisen jälkeen. Tämä muovi-hiukkasseos levitetään ohueksi kerrokseksi kuituvahvisteisen muovikappaleen pinnalle. Siihen voidaan käyttää kaikkia soveltuvia menetelmiä. Levitys voidaan tehdä käsin lastalla, koneel-25 lisesti raakelilla, ruiskutusmenetelmällä tai "käänteisel lä menetelmällä" puhallusmuovaamalla kappale, erityisesti tela tai putki, vastaavan muotoista muottia vasten, jonka sisäseinämä on varustettu muovi-hiukkaskerroksella, kovettamalla muovi ja poistamalla sitten muotti. Tällaisen 30 "käänteisen menetelmän" yhden toisen muunnelman mukaisesti käytetään muovia, joka laajenee lämpökäsittelyn ja/tai kovettumisen yhteydessä, jolloin hiukkaset voivat olla joko poistettavissa olevassa muovissa tai ympäröivän muotin sisäseinämälle levitetyssä muovikerroksessa. Sellais-35 ten päällysteiden yhteydessä, joiden ei tarvitse täyttää 8 99028 suuria vaatimuksia, voidaan hiukkaset myös sirotella tai ruiskuttaa jauheena muovikerrokselle ja painaa tarvittaessa kerroksen sisään. Hiukkasia sisältävä kerros kovetetaan valmistuksensa jälkeen tunnetuin menetelmin.

5 Kun valmiin päällystetyn kappaleen mitanpitävyydel- le asetetaan suuria vaatimuksia, on edullista valmistaa jo kuituvahvisteiselle peruskappaleelle sopivien toleranssien sisällä oleva esityöstetty pinta. Tämä voidaan tehdä kulloisenkin tapauksen mukaan hiomalla tai lastuavalla mene-10 telmällä. Sileän, muotoaan muuttamattoman pinnan saamisek si takaisin hiukkaspitoisen muovikerroksen levittämisen ja sen kovettamisen jälkeen peitetään hiukkasia sisältävällä hartsikerroksella varustetut kappaleet suojakalvolla, joka poistetaan kovettumisen jälkeen. Lieriön muotoisille kap-15 paleille kääritään tämän tekemiseksi ammattimiehelle tu tulla tavalla päällystysnauhaa. Kuitupitoisella peruskap-paleella olevan, lämpöruiskutetun kerroksen tarttumisen aikaansaavia hiukkasia sisältävän kerroksen paksuus on vähintään 50 pm ja korkeintaan 4 000 pm. Ohuemmat kerrok-20 set eivät mahdollista riittävää lämmöntasausta lämpöruis- kutuksen yhteydessä ja johtavat kerrosten heikompaan tarttumiseen, paksummat kerrokset ovat epäedullisia kasvavan materiaalinkulutuksen, siihen liittyvän koko kappaleen painonlisäyksen ja päällysten mittatarkan levittämisen 25 hankaluuden vuoksi. Hiukkaset, jotka toimivat tartunta- aineksena, lisätään jauheiden tai rakeiden muodossa. Niiden osuus on kulloistenkin vaatimusten mukaan 5-60 tilavuus-! muovi-hiukkasseoksesta. Hiukkasten muoto voi vaihdella aineen kulloisenkin alkuperän ja valmistusmenetelmän 30 mukaan. Useimmin käytetyt muodot ovat suurin piirtein iso- . metrisiä, levymäisiä tai sauvamaisia muotoja, ja hiukkas ten kulmikkaat, karkeat tai hammastetut pinnat edistävät lujaa kiinnittymistä ja ovat siksi edullisia. Hiukkaskoko on vähintään 10 pm ja korkeintaan 1 000 pm.

Il 9 99028

Ainekoostumukseltaan vastaavat päällystettävään kappaleeseen lisättävät hiukkaset materiaaleja, joista lämpöruiskutettavat kerroksen koostuvat. Ne voivat olla metallimateriaaleja, kuten nikkeliä, kromia, vanadiinia, 5 mangaania, rautaa, kobolttia, titaania, piitä, näiden me tallien lejeerinkejä, alumiinia tai sen lejeerinkejä tai kuparia tai sen lejeerinkejä, tai myös ei-metallisia materiaaleja, kuten piidioksidia, laseja, alumiinioksidia, titaanidioksidia, zirkoniumdioksidia tai Si-SiC:a. Koko 10 päällysteen suunnittelussa valitaan lämpöruiskutetulle päällysteelle asetettavien vaatimuksien mukaan materiaali, jolla saadaan aikaan hyvä tarttuminen lämpöruiskutetun kerroksen materiaaliin ja joka voidaan hiukkasmuodossa kiinnittää hyvin hatrsimatriisiin. Tällöin ei vaadita, 15 että muoviin kiinnitetyt hiukkaset koostuvat samasta mate riaalista kuin lämpöruiskutettu kerros.

Keksinnön mukaisen menetelmän jatkon onnistumisen kannalta on ehdottoman välttämätöntä, että kovetetun, hiukkasia sisältävän kerroksen muodostamisen jälkeen saa-20 vutetaan hyvä kemiallinen sitoutuminen lämpöruiskutetun kerroksen ja tämän kerroksen tarttumista kuituvahvistei-seen kappaleeseen välittävien hiukkasten välillä. Sille on edellytyksenä hiukkasia aluksi peittävän muovikerroksen poistaminen. Se tehdään mekaanisesti kuluttamalla tai ke-25 miallisella liuotus- tai syövytysmenetelmällä. Kaikki me kaaniset menetelmät, ennen kaikkea hionta tai hiekka- tai jauhepuhallus, ovat lastuavien menetelmien ohella edullisia. Siten saadut, suhteellisen sileät hiukkaspinnat voidaan karhentaa sitten esimerkiksi kemiallisesti syövyttä-30 mällä hapoilla tai emäksillä vahingoittamatta kappaleen sileää muovipintaa. Termin "kemiallinen sidos" piiriin ymmärretään keksinnön yhteydessä kuuluviksi kaikenlaiset kemialliset sidokset, kuten ionogeeniset, kovalenttiset, metalli- tai koordinaatiosidokset.

10 99028

Kun on määrä valmistaa mitanpitäviä, päällystettyjä osia, kuten esimerkiksi painoteollisuudessa käytettäviä valsseja, on edullista hioa tela-aihioiden pinta hiukkas-pitoisen kerroksen levityksen jälkeen ja ennen lämpöpääl-5 lystystä valmiiksi oikeaan mittaan ja sileäksi. Sen jäl keen lämpöruiskutetuilla ja mahdollisesti levitetyillä lisäkerroksilla on tällöin yhtenäisempi kerrosrakenne ja yhtenäisempi kerrospaksuus, ja ne voidaan saattaa pienemmin kustannuksin vaadittuihin mittoihin ja pinnan laadun 10 suhteen vaaditunlaisiksi.

Edellä kuvatulla tavalla valmistetulle kuituvahvis-teiselle muovikappaleelle, jonka ulkopinnalla on hiukkas-pitoinen vyöhyke, ruiskutetaan tunnetulla lämpöruiskutus-menetelmällä vähintään yksi kerros. Levitysmenetelminä 15 tulevat kyseeseen ennen kaikkea liekkiruiskutus ja plas- maruiskutus, vakuumiplasmaruiskutus mukaan luettuna.

Ruiskutettavana materiaalina voidaan käyttää kaikkia aineita, joita on edellä esitetty hiukkasmuodossa muo-vivälikerrokseen sisällytettävinä materiaaleina. Kulloin-20 kin käytettävän aineen valinta määräytyy aiotun käyttötar koituksen mukaan. Käyttötarkoitus määrää myös kappaleen pinnan rakenteen. Rakennusteollisuudessa tai kulumissuo-jaustarkoituksiin voidaan päällystettyä kappaletta usein käyttää ilman pinnan lisäkäsittelya. Käyttö koneenraken-25 nuksessa, kuten esimerkiksi paino-, värinlevitys-, kääntö- tai kuljetusteloina paperin- tai kalvonvalmistuksessa tai -työstössä, vaatii jälkityöstöä lastuavilla työstömenetelmillä, hiomalla, kiillottamalla tai hiertämällä tarvittavan tarkkuuden ja karkeusasteen saavuttamiseksi.

30 Joihinkin käyttötarkoituksiin on tarpeen valmistaa kappaleita, joissa on monikerroksinen päällyste muovipi-toisella peruskappaleella. Asianlaita voi olla näin esimerkiksi tarvittaessa ulkopuolella joustavaa pintaa, joka on tuettuna kovalle, sitkeälle alustalle, tai yleisesti 35 ottaen, kun levitetty peruskerros ei yksinään riitä aiot- 11 99028 tuun käyttötarkoitukseen ja vasta lisäkerroksia levittämällä voidaan saavuttaa päällysteeltä vaaditut ominaisuudet kovuuden, karkeuden, tartuntalujuuden, huokoisuuden, sähkönjohtokyvyn, pinnan rakenteen jne. suhteen. Tällai-5 sissa tapauksissa on mahdollista levittää ensimmäiselle lämpöruiskutetulle kerrokselle lisäkerroksia sinänsä tunnetuin ja käytännössä testatuin menetelmin. Tämä voidaan tehdä jatkamalla päällystämistä lämpöruiskutusmenetelmin tai, jos peruskerros on sähköä johtava, myös galvaanises-10 ti. Tällä tavalla voidaan levittää päällekkäin useita ker roksia ja vaihtaa käytettävää levitysmenetelmää kerroksesta toiseen. Kerroksittain päällekkäin levitetyt materiaalit ovat yleensä eri aineita. Ne voivat kuitenkin myös olla ainekoostumukseltaan samanlaisia.

15 Kuten on havaittavissa, keksinnön mukainen menetel mä on sangen joustava ja mahdollistaa yksinkertaisella tavalla soveltamisen lukuisiin teknisiin ongelmanasette-luihin. Yksityiskohtaisesti esitettynä se tarjoaa seuraa-via etuja. Nyt on mahdollista yksinkertaisella tavalla 20 saada aikaan kuituvahvisteisille muovikappaleille lämpö- ruiskutusmenetelmällä päällysteitä, joilla on tekniikan tasoon nähden huomattavasti parantunut tartuntalujuus ja mekaaninen stabiilius. Tähän asti olemassa olleet ongelmat, jotka koskevat lämpöruiskutetun kerroksen ja kuitu-- 25 vahvisteisen muovikappaleen tarttumista toisiinsa ja jotka ovat johtuneet 1. kuituvahvisteisen muovikappaleen ja lämpöruiskutetun päällystysmateriaalin voimakkaasti erilaisten lämpö-laajenemiskertoimien vaikutuksesta ja 30 2. muovin hajoamistuotteiden muodostumisesta lämpö- ruiskutuksen aikana samoin kuin 3. tällaisten hajoamistuotteiden muodostumisesta lämpöruiskutuksen aikana ja/tai muovivälikerroksen läsnäolosta kuituvahvisteiselle muovikappaleelle lisäksi levi-35 tettyjen kerrosten, joiden on määrä parantaa ruiskutettu- 12 99028 jen kerrosten tarttumista, ja lämpöruiskutetun kerroksen välissä, ovat muuttuneet käytännöllisesti katsoen merkityksettömiksi kerrosten lämpöruiskutuksen ja niiden jatkuvan käyttökuormituksen yhteydessä. Kestävyys ja hyvä tart-5 tumislujuus huomataan siitä, että keksinnön mukaisella menetelmällä päällystettyjä kappaleita voidaan leikata mekaanisilla työkaluilla kerroksen osien irtoamatta ja että päällyste kestää vaurioitumatta iskukuormituksia käsittelyn ja käytön yhteydessä. Menetelmän kannalta välttä-10 mättömän tarttumista parantavan kerroksen levittä- minen kuituvahvisteiselle peruskappaleelle voidaan tehdä yksinkertaisella, myös koneellisesti ja siten järki- peräisesti toteutettavissa olevalla menetelmällä. Menetelmän käyttäjä voi laajoissa rajoissa valita vapaasti lujittavien kuitu-15 jen hartsimatriisin ja pinnalle levitettävien kerrosten materiaalit.

Keksintöä valaistaan seuraavin suoritusmuotoesimer-kein. Se ei kuitenkaan rajoitu esimerkkien mukaisiin suoritusmuotoihin .

20 1. Ontto sylinterin muotoinen tela, jonka pituus oli 2 000 mm ja sisäläpimitta 90 mm ja joka koostui jatkuvilla hiilikuiduilla lujitetusta fenoli-formaldehydihartsista ja oli valmistettu käämimällä fenoli-formaldehydillä kyllästettyä hiilikuitua muovaussylinterille useiksi 25 kerroksiksi, kovettamalla hartsi ja poistamalla muovaussy- linteri, hiottiin sorvipenkissä uikoläpimittaan 100 mm. Siten valmistettu tela kiinnitettiin metallijauhetta täyteaineena sisältävällä muovikerroksella päällystämistä varten numeerisesti ohjattuun käämintäkoneeseen ja pois-30 tettiin sen pinnalta rasva asetonilla. Päällystysmassa koostui fenoli-formaldehydihartsin (Bakelite DW 247], jonka viskositeetti oli 500 - 1 000 mPa *s, ja ruostumattoman teräsjauheen (tyyppi 316 L), jonka hiukkaskoko oli ^75 pm ja josta oli haihdutettu vesi pois, seoksesta, joka sisäl-35 si 45 % teräsjauhetta ja 55 % fenoli-formaldehydihartsia.

13 99028 Päällystyksen tekemiseksi telaa pyöritettiin nopeudella 30 m/min ja päällystysseosta levitettiin taipuisalla lastalla noin 1 mm:n paksuiseksi kerrokseksi. Sitten päällystetylle kappaleelle käärittiin irrotettavissa oleva kudos 5 ja kovetettiin se kiertoilmakuivauskaapissa käyttämällä seuraavaa kovetussykliä: kuumennus lämpötilaan 90 °C, 1 tunti; seisotus lämpötilassa 90 °C, 24 tuntia; kuumennus lämpötilasta 90 °C lämpötilaan 130 °C, 1 tunti; 10 seisotus lämpötilassa 130 °C, 2 tuntia; jäähdytys huoneen lämpötilaan ilman aktiivisia jäähdytys-toimia .

Tela, jolla oli kovettunut pintakerros, hiottiin hiomakoneessa timanttilaikalla läpimittaan 100,8 mm ja 15 profiilisyvyyteen 10 - 15 pm ja puhallettiin sen pinta pölyttömäksi öljyttömällä paineilmalla. Telan siten käsitellylle vaippapinnalle levitettiin plasmaruiskutuksella tällä tekniikan alalla tavanomaisissa olosuhteissa nikke-li-kromilejeerinkikerros (80 paino-% nikkeliä, 20 paino-% 20 kromia). Ruiskutuskäsittelyn jälkeen poistettiin levite tyssä päällysteessä olevat piikit ja harjanteet harjaamalla teräslankaharjalla ja saatiin sileä pinta.

2. Käämintäkoneessa käärittiin muovaussylinterille, jonka läpimitta oli 90 mm, epoksidihartsikylvyn (Bakelite 25 L 20; viskositeetti 800 - 100 mPa -s) läpi johdettua 40 000 filamentista koostuvaa hiilikuitukaapelia kerrospaksuudeksi noin 9,5 mm. Käämityn kappaleen pituus oli 1 500 mm. Metallipitoisen tartuntakerroksen levittämiseksi käämityn kappaleen uloimpiin kerroksiin jatkettiin työskentelyä 30 käyttämällä 12 000 filamentista koostuva hiilikuitukaape lia. Tämä johdettiin kylvyn läpi, joka koostui suspensiosta, joka sisälsi samaa epoksidihartsia kuin edellä (Bakelite L 20) ja 50 paino-% (15 tilavuus-%) lejeerinkijauhetta, jonka hiukkasista 60 % oli kooltaan <.10 pm ja jonka 35 koostumus oli 89 paino-% nikkeliä, 5 paino-% molybdeeniä 14 99028 ja 6 paino-% alumiinia, ja sitä käärittiin kylvyn läpi johtamisen jälkeen sylinterille, kunnes saavutettiin sei-nämäpaksuus noin 10,1 mm. Jännittämällä kuituja käämimisen yhteydessä puristettiin huomattava osa epoksidihartsin ja 5 lejeerinkijauheen seoksesta tällä tavalla käämityistä ker roksista uloimpaan pintakerrokseen, niin että siihen muodostui ohut kuiduton muovi-lejeerinkijauhekerros.

Käämityn kappaleen pinnalle käärittiin irrotettavissa oleva kalvo ja kappale kovetettiin kiertoilmakui-10 vauskaapissa käyttämällä seuraavaa kovetussykliä: kuumennus lämpötilaan 90 °C, 1 tunti; seisotus lämpötilassa 90 °C, 10 tuntia; kuumennus lämpötilasta 90 °C lämpötilaan 130 °C, 1 tunti; seisotus lämpötilassa 130 °C, 2 tuntia.

15 Siten saatu tela hiottiin sitten sorvipenkissä ti- manttilaikalla lopulliseen mittaan 10,0 mm. Hionnan jälkeen tela kiinnitettiin liekkiruiskutusmenetelmällä päällystettäväksi moottorikäyttöiseen pyörityslaitteeseen, joka mahdollisti pyörittämisen telan pituusakselin ympäri.

20 Ennen ruiskutuksen aloittamista telan pinnalta poistettiin siihen tarttuneet pölyhiukkaset öljyttömällä paineilmalla. Sen jälkeen telan vaippapinta päällystettiin kerroksella, jonka paksuus oli 100 pm ja joka koostui lejeeringistä, jonka koostumus oli 78 paino-% nikkeliä, 15 paino-% kromia 25 ja 7 paino-% rautaa, liekkiruiskutusmenetelmällä tällä tekniikan alalla tavanomaisissa olosuhteissa. Päällystyksen jälkeen telan pinta tasoitettiin poistamalla piikit teräsharj alla.

3. Lasikuiduilla (keskimääräinen pituus 20 mm) vah-30 vistetulle fenoli-formaldehydihartsilevylle (leveys 30 cm, • pituus 50 cm, paksuus 0,2 cm), jonka pinta oli tehty pö- lyttömäksi öljyttömällä paineilmalla, levitettiin lastalla 1 mm:n paksuinen kerros seosta, joka koostui fenoli-formaldehydihartsista (Bakelite DW 247; viskositeetti 35 500 - 1 000 mPa -s) ja lejeerinkijauheesta (hiukkaskoko 15 99028 100 - 200 μπι; koostumus 80 paino-% nikkeliä, 20 paino-% kromia) ja sisälsi 55 tilavuus-% lejeerinkijauhetta ja 45 tilavuus-% fenoli-formaldehydihartsia. Levitetyn kerroksen kovettamiseksi levy laitettiin kiertoilmakuivaus-5 kaappiin ja kovetettiin noudattamalla esimerkissä 1 kuvat tua kovetussykliä. Kovetuksen jälkeen levyn pintaa hiekka-puhallettiin niin pitkään, että levyn pinnalle levitetty, lejeerinkijauhetta sisältävä kovetettu hartsikerros oli ohentunut noin 0,1 mm ja tyydyttävä osuus hartsikerrokseen 10 upotetun lejeerinkijauheen hiukkaspinnoista oli tullut puhalletuksi hartsittomaksi. Kun hiekkapuhallettu pinta oli puhallettu pölyttömäksi öljyttömällä paineilmalla, varustettiin se kaksisuuntaisella (vaakasuoraan, pystysuoraan) liikutuslaitteella varustetussa plasmaruisku-15 tuslaitteessa alumiinioksidikerroksella (kerrospaksuus 500 pm). Siten saatua päällystettä voidaan käyttää ilman jatkokäsittelyä kulumissuojaustarkoituksiin.

Esimerkkien 1, 2 ja 3 mukaisilla päällystyksillä aikaansaatuja lämpöruiskutettuja kerroksia verrattiin 20 koostumukseltaan samanlaisiin kerroksiin, jotka oli val mistettu käyttämättä tarttumista edistävää välikerrosta tekniikan tasoa vastaavilla päällystysmenetelmillä. Käytetyt testimenetelmät tai koestustavat ja saadut testitulokset samoin kuin havainnot käyvät ilmi seuraavasta tauluk-25 komuodossa olevasta yhteenvedosta.

99028 16 -1--1-I->---> --—

h <n m <-ι I

m a I i-i « I « I

4J U X Ä * Ή I 4 U

a tiOCC n 4) u X 41

r-i li h O «I C « H 4» HU

•H H a W in 4» β |H W B *·* H 10 I

41 X Jl II 4 ^ Jll-H O in E III

u x in x in >, x β £ cwfiin s M II -H MUr-lilj 41 H M O 4)

4) 41 3igtl'HK94l4l(l4'H30 I

3 6 «ini/i>nx«irtuci:ii i i m X «0 X “0 nj 3

C O iH ,| » H V U

•H tl II H 41 Ή > rt) 3

X C 3 Vi «I Ή X 41 H H

X Ή 3 41 in «H C β Vl

U £ U X H » 41 41 4 O

4> 4 £ 6 in ni f> u 41 p m B Q4E Ό in 4) X X u H u Q, H c .C 3 Ή in

U) Vi Λ H 41 3 4 Η id **0 H

ui i-tUrHin O.X41XXB

—· I I I “ I c «OB <—I in in ni ( I Vl 4) 41 Ή BIIIU03UV Q« 3

I i< 6 rl I inciinviHXOnj^r—-G.H

•rl ·Η X 41 41 in 01 Vi - 01 O O X - «1 4) Vi

W CUViuO 4).hOOX>«3X UXO

41 4i ή in in n. x m E -h ·o in 3

3 U ID H 4 in X C«-O,4lrH4l>0X

r—n in x u u ni 3 in « -n c E Chh « « io •H H >,>.ininn0 4ζ>ι«Ε4Ι441 ·Ί H M « u nJX r-t 41 41 U Xlj>,Ua(l>l0 HI0Ol0"Uin

ux η n in c in x~>cuinxE*Jca,.»’inH

u U MllO HC H -Hb>1-HVnXX4lin3Q. 4ΙΒ 414) 4 0 4-14 413^(44130414134140613 >6 Ο,υυο,α ,1 “ - χΕνιΕχυνιΧΜΉυ •h I <α m I 6 h u in 4 c x id m tn

0 4) H - £ X H

•H U 41 41 Ή -H B

X )i U 4 rl K 4 II 3

X -H in U Ή -H U

Vt >>w inn)>«3

4) 4 H 4 41 Ό 41 Ή -H

E Eho owcEvi H H «1C £341410 in -H ud -H 3 4) U 41 3

W li O, O. Oi X II X X

——————————— — I— - J - - - - , — -——------- - 11 ‘ 1 1 -rt « t <

| P a » | P -d 0, O

• H -rt X »O C H > « 3 IA c H * U H fi ft » X X <0 A) 4)<0 <D ·Η il) Oi H C 4 ^

3 p ^ H Λ! ·0 tl IA 3 V Ή « «t U

,η ω .Η·Η p MvOtOrilO ^H]U)inh Λ X ,H to <0 O ·· <0 X 4j 4J ·· 4) 3 Ρ χ H «} U T3 ΙΛ <· Q(^ »J C X -* ΐ ^ ^ μ M) |Q U) Ä3‘0i‘Hlrt*HiH<-rt3 (u A) tfj O <0 3βΟβ4)<0<0<00<0·Η « p £ p c

iQ I rt I

rrt <d G X Ud Φ 3

0 0) -rt * H P

H p 4> 4/ rt > <0 3

X p p «3 rt X 11 ·Ί H

V -rt W P ι-i G & U

p >,</) </) «O Φ <0 O

ςι m h <0 ιο ί“> P 4) 3 <Q

β β »d G Ό tO <D X X P

•H H «0 C C 3 ^ « II) r| KQ ‘rl 3 e ri R) «Rl -rt ta ^ a a o. x <u λ χ β • hi « 1 .

4> <0 >4 C ’rt Rl g Qi to OI Ρ Ή •f* C --rt

3 Rl Id h G AI

10 Η o, 6 « X

p H V « *1 rt U) O U *0 ^ <0 Rl

oi p ^ P H H

p R) >! X rt 10 »-rt < β P rt fi 3 Rl

« π X dl O A

£V -rt 4) »-rt C X *0 4d WQ rrt P «I» X 4rt pe £ 4> rt 41

to Ά G <0 ft)iO<UC

JJ4I K] r-rt 4i · »rt »-rt C

PP Rl rt -rt rt rt -rt <0 U) il tl p ·0 H M > 4) c c β in 3, au

0 4) H H 41 O. n, C H

x e ft.cn ,-5 o g 4

X »rt β P

________—--------—-- 17 99028 Näihin havaintoihin ja tuloksiin täytyy vielä lisätä, että päällysteet, jotka on valmistettu esimerkkien 1, 2 ja 3 mukaisesti, mutta poistamatta ensin muovihartsia muovikerrokseen upotettujen hiukkasten tarttumista edistä-5 viita pinnoilta ja puhdistamatta niitä, saavuttavat vain esimerkin 1 vertailuesimerkkiä vastaavia tartuntalujuusar-voja.

Kuvatut tulokset osoittavat selvästi keksinnöllä aikaansaadun teknisen edistysaskeleen.

Claims

99028

1. Menetelmä vähintään yhdestä kerroksesta koostuvan kiinni tarttuvan, kestävän päällysteen levittämisek- 5 si lujittavia kuituja ja muovimatriisia käsittävästä komposiittimateriaalista koostuvien kappaleiden pinnalle, tunnettu siitä, että päällystettävällä kappaleella on muovista koostuva lujittavia kuituja sisältävä tai sisältämätön ulkokerros, 10 johon on sidottu jokin osuus hiukkasmuodossa olevaa mate riaalia, joka vastaa ainekoostumukseltaan päällystyskoos-tumuksena toimivaa materiaalia tai on kemiallisesti sidottavissa päällystysmateriaalina toimivaan materiaaliin; tämän muovista koostuvan uloimman kerroksen pintaa 15 kulutetaan siinä määrin ja sillä tavalla, että kerrokseen sidotuissa, ainekoostumukseltaan päällystysmateriaalin kaltaisissa tai vastaavissa hiukkasissa on myöhempää päällystettä kohden suuntautuvia, vapaita, puhtaita, muovia sisältämättömiä pintoja; 20 ainakin päällysteen ensimmäisen kerroksen muodos tukseen tarkoitettu materiaali ruiskutetaan tälle pinnalle lämpöruiskutusmenetelmällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että päällystysmateriaalina toimi- 25 vaa materiaalia ainekoostumukseltaan vastaavia tai pääl lystysmateriaalina toimivaan materiaaliin kemiallisesti sidottavissa olevia hiukkasia sisältävän muovikerroksen paksuus on vähintään 50 pm ja korkeintaan 4 000 pm ja siihen sidottujen hiukkasten osuus on 5 - 60 tilavuus-% hiuk-30 kas-muoviseoksesta.

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovikerrokseen sidottujen hiukkasten koko on vähintään 10 pm ja korkeintaan 1 000 pm. li 99028

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovikerrokseen sidotut hiukkaset ja lämpöruiskutukseen käytettävä materiaali koostuu nikkelistä, kromista, vanadiinista, man- 5 gaanista, raudasta, koboltista, titaanista, piistä, näiden metallien lejeeringeistä, alumiinista, alumiinilejeerin-geistä, kuparista tai kuparilejeering-eistä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovikerrokseen 10 sidotut hiukkaset ja lämpöruiskutukseen käytettävä materi aali koostuu piidioksidista, alumiinioksidista, titaanioksidista, zirkoniumoksidista tai piikarbidi-piistä.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että komposiittimateri- 15 aalista koostuva kappale lujitetaan katkokuiduilla.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että komposiittimateriaalista koostuva kappale lujitetaan jatkuvilla kuiduilla.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen me- 20 netelmä, tunnettu siitä, että komposiittimateri aalista koostuva kappale lujitetaan tekstiilirakenteilla, jotka on valmistettu liittämällä yhteen kuituja tekstiiliksi .

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen me- 25 netelmä, tunnettu siitä, että uloin, kiinni pysy vä, kestävä kerros levitetään liekkiruiskuttamalla.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uloin, kiinni pysyvä, kestävä kerros levitetään plasmaruiskuttamalla.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäiselle lämpöruiskutetulle kerrokselle levitetään termisesti vähintään yksi lisäkerros.

12. Patenttivaatimusten 1-11 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että vähintään yhdelle lämpöruis- 99028 kutetuista kerroksista saostetaan galvaanisesti yksi tai useampia kerroksia.

13. Patenttivaatimusten 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että päällystettävä kappale on 5 hiilikuituvahvisteisesta muovista valmistettu tela tai rulla. 99028