[0001] Die Erfindung betrifft die Erzeugung funktioneller Oberflächen auf faserverstärkten
Verbundmaterialien unter Anwendung des thermischen und kinetischen Spritzens, wobei
dem Schutz der Bauteiloberfläche gegen Verschleiß, mechanische Beschädigungen, Belegen
und Anhaftungen, sowie der Verbesserung hinsichtlich Blattabgabe (Releaseverhalten)
eine besondere Bedeutung beigemessen wird.
[0002] Mit faserverstärkten Verbundmaterialien, insbesondere solchen mit einer Polymermatrix
sowie kohlefaserverstärkten Polymeren, lassen sich Bauteile fertigen, die außerordentliche
mechanische und physikalische Eigenschaften wie z.B. eine geringe Dichte, eine hohe
Zug- und Torsionsfestigkeit, und einen hohen Elastizitätsmodul bzw. eine hohe Steifheit
aufweisen. Eine Vielzahl von hochfesten Fasermaterialien können verwendet werden,
einschließlich Kohlefasern, Glasfasern, Silizium-Carbid-Fasern und Fasern vieler weiterer
Oxide, Carbide und anderer Materialien. Ebenso können eine große Vielzahl von Polymermaterialien
einschließlich wärmehärtbarer Harze wie z.B. Phenolharze, Epoxidharze und vieler andere
Materialien benutzt werden. Die Fasern können sehr lang sein und in spezifischen Mustern
angeordnet werden, oder sie können relativ kurz und zufällig verteilt sein. Wenn lange
Fasern in spezifischen Mustern angeordnet werden, können sie in einer einzigen Richtung
ausgerichtet oder in Mustern angeordnet sein, die dazu ausgelegt sind, dem faserverstärkten
Verbundwerkstoff eine zwei- oder dreidimensionale Festigkeit zu verleihen. Somit können
die mechanischen Eigenschaften der Struktur des faserverstärkten Verbundwerkstoffes
auf die spezifischen Erfordernisse einer Komponente abgestimmt werden.
[0003] Unglücklicherweise verfügen die Oberflächen faserverstärkter Verbundwerkstoffe über
eine niedrige Verschleißbeständigkeit, insbesondere gegenüber Adhäsiv-, Abrasiv- und
Erosiwerschleiß und ihre Haft- und Benetzungseigenschaften sind für viele Anwendungen
wie etwa in der Papierindustrie unzureichend. Außerdem sind sie oftmals anfällig für
Oxidation oder andere Formen der Korrosion, benötigen einen Wärmeschutz, verfügen
nicht über die notwendigen optischen und elektrischen Charakteristika und dergleichen.
Infolgedessen ist der Einsatz faserverstärkter Verbundwerkstoffe bei vielen Anwendungen
begrenzt oder erfordert die Verwendung von metallischen oder keramischen Einsätzen
oder Überzügen in denjenigen Bereichen, die einem Kontakt mit anderen Bauteilen oder
Stoffen und damit einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind.
[0004] Trotzdem ist der Einsatz von Walzen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen in der
Druck-, Papier- und Folienindustrie besonders interessant, da sie wesentlich leichter
und steifer und dadurch einfacher und sicherer zu handhaben sind als beispielsweise
aus Stahl gefertigte Walzen, und so aufgrund ihrer geringeren Trägheit weniger Energie
und Zeit für ihre Beschleunigung und Abbremsung erfordern, was nicht nur bei der Handhabung
und Montage sondern auch im Betrieb Kosteneinsparungen ermöglicht. Um die Arbeitsflächen
der Walzen mit den erforderlichen Eigenschaften zu versehen, weisen die Walzen hierbei
einen metallischen, keramischen oder karbidischen Überzug oder Mischungen davon mit
Kunststoffen auf, der den erforderlichen Verschleißwiderstand sowie andere notwendige
Eigenschaften liefert. Unter Verwendung thermischer Spritzverfahren können eine große
Vielzahl von metallischen und keramischen Schichten, Cermet-Schichten, d.h. Karbidpartikel
eingelagert in eine metallische Matrix, sowie einige Polymerüberzüge hergestellt werden.
[0005] Die Familie der thermischen Spritzverfahren beinhaltet das Detonationsspritzen (u.a.
Super D-Gun
™), das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen und seine Varianten wie z.B. das Spritzen
mit Luft-Brennstoff, das Plasmaspritzen, das Flammspritzen und das elektrische Drahtlichtbogen-Spritzen.
In den meisten thermischen Beschichtungsverfahren wird der Spritzwerkstoff in Form
von Pulver-, Draht-, oder Stangen auf eine Temperatur erhitzt, die bei oder etwas
über seinem Schmelzpunkt liegt, und Tröpfchen oder angeschmolzene Partikel des Materials
werden in einem Gasstrom beschleunigt. Die Tröpfchen werden gegen die Oberfläche des
zu beschichtenden Substrats (des Abschnitts bzw. der Komponente) geleitet, wo sie
anhaften, erstarren und eine zusammenhängende Schicht mit lamellenartiger Struktur
bilden. Als Besonderheit des diskontinuierlich arbeitenden Detonationsspritzprozesses
entsteht die Schicht aus einzelnen überlappenden, fest zusammengefügten Spritzflecken.
Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt und in zahlreichen Druckschriften ausführlich
beschrieben.
[0006] Obschon viele Versuche unternommen wurden, thermische Spritzschichten auf Metall-,
Keramik- oder Karbidbasis direkt auf Oberflächen von faserverstärkten Verbundwerkstoffen
aufzubringen, konnte üblicherweise nur eine geringe Schichthaftung erzielt werden,
oftmals hafteten die Schichten nicht an dem faserverstärkten Untergrund an oder blätterten
bereits nach Abscheidung einer kleinen Schichtdicke ab. Üblicherweise wird die Bauteiloberfläche
vor dem Aufbringen der thermischen Spritzschicht zur Verbesserung der Haftung aufgeraut.
Das Aufrauen erfolgt meist durch Korundstrahlen der Oberfläche. Korundstrahlen oder
andere Formen des Aufrauens der zu beschichtenden Oberflächen kann jedoch zu einer
nicht akzeptablen Erosion der Polymermatrix verbunden mit einer Freilegung der Fasern
führen. Letzteres wiederum kann die Schichteigenschaften nachhaltig beeinträchtigen.
[0007] Diese und weitere Probleme haben sich zum Beispiel bei der Anwendung des in
US-A-5 857 950 beschriebenen Verfahrens ergeben. Hier wird die Oberfläche einer Kohlefaser-Walze
sandgestrahlt und anschließend wird eine als Hitzeschild wirkende Zinkbeschichtung
aufgebracht. Nach einem erneuten Sandstrahlen der nun zinkbeschichteten Walze wird
eine Haftbeschichtung aufgebracht, bei der es sich um ein Gemisch aus Aluminiumbronze
und Polyester handeln kann. Anschließend wird die Haftbeschichtung sandgestrahlt und
ein Keramik-Spritzüberzug aufgebracht und graviert. Dieses Verfahren hat sich als
nicht akzeptabel erwiesen.
[0008] Ein alternatives Verfahren ist in
EP 0 514 640 B1 dargestellt. Hierbei wird zuerst auf der Oberfläche eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes
eine Lage erzeugt, die aus einem Gemisch eines synthetischen Harzes und darin dispergierter
metallischer Partikel besteht. Nach Aushärtung dieser Lage wird die Oberfläche mechanisch
bearbeitet, um die dispergierten Partikel freizulegen, damit sich das Partikelmaterial
mit einem äußeren Schichtwerkstoff, der auf die erste Lage thermisch aufgespritzt
wird, chemisch verbinden kann. Obgleich sich mit diesem Verfahren begrenzte Erfolge
erzielen ließen, kann das Gemisch aus synthetischem Harz und Partikelmaterial an dem
Verbundwerkstoff nicht gut anhaften und neigt dazu, Materialkügelchen auf der Oberfläche
auszubilden, wodurch es für eine kommerzielle Herstellung ungeeignet ist.
[0009] In der
DE 100 37 212 A1 wird auf einer Kunststoffoberfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens ein
Haftgrund aufgebracht, bei dem es sich insbesondere um Zink, Zinklegierungen, Aluminiumlegierungen
und/oder im Spritzprozess exotherm reagierende Materialien wie Nickel-Aluminium-Legierungen
handeln kann. Anschließend wird auf dem Haftgrund eine ebenfalls mittels eines thermischen
Spritzverfahrens erzeugte Funktionsbeschichtung aufgebracht.
[0010] Des Weiteren ist in der
EP 1 129 787 B1 ein Beschichtungsverfahren beschrieben, bei welchem ein Grundkörper aus faserverstärktem
Verbundwerkstoff mit einer ersten Lage, die nur Polymer enthält, einer zweiten Lage
aus einem Polymer/Metall-Gemisch und anschließend einem thermischem Spritzüberzug
beschichtet wird. Um eine ausreichende Bindungsstärke zwischen den Schichten zu erreichen,
müssen für die ersten beiden Beschichtungslagen geeignete Polymerwerkstoffe gewählt
werden.
[0011] Ferner ist in
US 2002/187292 A1 ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff beschrieben,
bei welchem zuerst eine Beschichtung aus Hartgummi oder Thermoplast mit einem Metall-
oder Keramikdispersionsanteil von 5 Vol % bis 80 Vol % auf den Grundkörper aus faservertärktem
Kunststoff aufgebracht wird, die aufgebrachte Beschichtung angeschliffen wird, bis
die eindispergierten Metall- oder Keramikpartikel an der Oberfläche zusehen sind,
und anschließend auf die angeschliffene Oberfläche eine Funktionsschicht aus Metall
und/oder Keramik mittels thermischem Spritzen aufgebracht wird.
[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beschichtete faserverstärkte
Verbundpolymermaterialien bereitzustellen, bei welchen die Haftung der Beschichtungslagen
an dem Verbundwerkstoff noch weiter verbessert ist. Die vorliegende Erfindung befasst
sich dabei insbesondere mit der Aufgabenstellung, durch Kombination zweier oder mehrerer
thermisch oder kinetisch gespritzter Schichtsysteme die Verschleißbeständigkeit von
faserverstärkten Kunststoffen zu verbessern.
[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die Oberfläche des faserverstärkten
Kunststoffs zunächst eine thermisch gespritzte Schicht aus einem Verbund bestehend
aus organischen und metallischen Anteilen als Haftschicht aufgebracht wird; auf die
Haftschicht eine thermisch oder kinetisch gespritzte Schicht mit überwiegend metallischen
Anteilen als Zwischenschicht aufgebracht wird; und auf die Zwischenschicht eine thermisch
oder kinetisch gespritzte funktionelle Deckschicht aus Metall, CERMET (Metall-Karbid-Verbund),
Oxidkeramik oder Mischungen aus den vorgenannten Materialien, oder Mischungen davon
mit Kunststoff aufgebracht wird. Für den als Haftschicht aufgebrachten Metall-KunststoffVerbund
kann hierbei während des Spritzens ein Gemisch aus zwei oder mehreren unterschiedlichen
Werkstoffen verwendet werden. Anstatt während des Spritzens zwei oder mehr Tellströme
zu verwenden, kann das draht- oder pulverförmige Spritzmaterial selbst aus dem Werkstoffverbund
bestehen.
[0014] Aufgabe der so genannten Haftschicht ist es, durch den Kunststoffanteil eine bessere
Anbindung an die Matrix des faserverstärkten Grundwerkstoffs zu schaffen, und gleichzeitig
eine bessere Benetzung frei Ilegender Fasern sicherzustellen, welche sich ebenfalls
günstig auf die Schichthaftung auswirkt. Die metallischen Anteile der Haftschicht
haben den Zweck, eine Anbindung der nachfolgend aufzubringenden metallischen Zwischenschicht,
zu ermöglichen.
[0015] Diese Zwischenschicht ist für das abschließende Aufbringen der funktionellen Deckschicht
essentiell. Sie dient als stabiler Untergrund der zumeist spröden, verschleißbeständigen
Deckschicht und bewirkt gleichzeitig eine moderate Anpassung der E-Moduli von Haftschicht
und Deckschicht. Außerdem sorgt die metallische Zwischenschicht bei der weiteren Beschichtung
des Bauteils etwa durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder durch Detonationsspritzen
für eine gleichmäßige Verteilung und Abfuhr der eingebrachten Wärme. Ohne ausreichende
Wärmeabfuhr kann es zu einem örtlich auftretenden Verdampfen des organischen Binders
des Grundkörpers kommen, was wiederum eine Ablösung des gesamten Schichtsystems zur
Folge hätte.
[0016] Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren lassen sich beschichtete Bauteile aus faserverstärkten
Verbundwerkstoffen herstellen, die sich auch für starke dynamische Beanspruchungen
eignen sowie Bauteile mit großer Schichtfläche.
[0017] Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0018] Vorzugsweise liegt der Anteil der organischen Matrix in der Haftschicht, z.B. Polyester,
zwischen 5 und 60 %, stärker bevorzugt zwischen 20 und 50 %, und besonders bevorzugt
zwischen 30 und 40 %.
[0019] Der metallische Anteil der Haftschicht, z.B. Aluminium, Kupfer oder Nickel, liegt
vorzugsweise zwischen 40 und 90 %, stärker bevorzugt zwischen 60 und 80 %.
[0020] Die Dicke der Haftschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2 mm, stärker bevorzugt 0,1
bis 1 mm, und besonders bevorzugt 0,2 bis 0,4 mm.
[0021] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine 0,2 mm dicke Haftschicht
durch Plasmaspritzen aufgebracht und besteht aus einem Metall-Polyester-Verbund. In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird auf die Haftschicht durch ein thermisches
Spritzverfahren eine etwa 0,1 bis 1 mm dicke metallische Schicht aufgespritzt.
[0022] In einer Ausführung beträgt die Dicke der Zwischenschicht 0,5 bis 2 mm. Die Zwischenschicht
kann vor dem Aufbringen der Deckschicht beispielsweise durch Schleifen oder Drehen
bearbeitet werden, um Unebenheiten aus vorhergehenden Arbeitsschritten auszugleichen.
[0023] Günstig ist, wenn die metallische Zwischenschicht durch ein verbrennungsfreies Verfahren
etwa Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder kinetisches Spritzen aufgebracht wird,
um den Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff aus faserverstärktem Kunststoff so gering
wie möglich zu halten.
[0024] Günstig ist auch, wenn für die Zwischenschicht ein metallischer Werkstoff mit möglichst
hoher Duktilität verwendet wird.
[0025] In einer weiteren Ausführung besteht bereits die Zwischenschicht aus einem Metall-Hartstoff-Verbund,
z.B. eine kinetisch gespritzte Aluminium-Aluminiumoxid-Verbundschicht, um eine Erhöhung
der Festigkeit zu erreichen.
[0026] Wenn die Beschichtung des faserverstärkten Werkstoffs insbesondere eine Erhöhung
der Verschleißbeständigkeit zum Ziel hat, besteht die funktionelle Deckschicht des
Schichtsystems vorzugsweise aus einer Oxidkeramik (z.B. Chromoxid) oder einem CERMET
(Metall-Karbid-Verbund, z.B. Wolframkarbidpartikel eingelagert In eine metallische
Kobaltmatrix).
1. Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
dadurch gekennzeichnet, dass
(a) zunächst ein Verbund bestehend aus organischen und metallischen Anteilen als Haftschicht
mittels thermischen Spritzens auf eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils aufgebracht
wird;
(b) auf die Haftschicht eine Schicht mit überwiegend metallischen Anteilen als Zwischenschicht
mittels thermischen oder kinetischen Spritzens aufgebracht wird; und
(c) auf die Zwischenschicht eine funktionelle Deckschicht aus Metall, Metall-Karbid-Verbund,
Oxidkeramik oder Mischungen aus den vorgenannten Materialien mittels thermischen oder
kinetischen Spritzens aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Anteil der Haftschicht zwischen 5 und 60 % beträgt, vorzugsweise zwischen
20 und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 30 und 40 %.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil der Haftschicht zwischen 40 und 90 % beträgt, vorzugsweise
zwischen 60 und 80 %.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haftschicht zwischen 0,1 und 2 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 0,1
und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 mm.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil der Zwischenschicht 60 oder mehr Prozent beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht zwischen 0,1 und 2 mm beträgt, vorzugsweise zwischen
0,2 und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,6 mm.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht vor dem Aufbringen der Deckschicht mechanisch bearbeitet wird.
1. Method for coating a member of fiber-reinforced composite material,
characterized in that
(a) at first a composite consisting of organic and metallic components is applied
by means of thermal spraying as an adhesive layer to a surface of the member to be
coated;
(b) a layer predominantly comprising metallic components is applied by means of thermal
or kinetic spraying as an intermediate layer to said adhesive layer; and
(c) a functional covering layer consisting of metal, a metal-carbide composite, oxide
ceramics or mixtures of said materials is applied to said intermediate layer by means
of thermal or kinetic spraying.
2. Method as claimed in claim 1, characterized in that the organic component of the adhesive layer amounts to between 5 and 60 %, preferably
between 20 and 50 %, and most preferably between 30 and 40 %.
3. Method as claimed in claim 1, characterized in that the metallic component of the adhesive layer amounts to between 40 and 90 %, and
preferably between 60 and 80 %.
4. Method as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the adhesive layer is between 0.1 and 2 mm, preferably between 0.1
and 1 mm, and more preferably between 0.2 and 0.4 mm.
5. Method as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the metallic component of the intermediate layer amounts to 60 % or more.
6. Method as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the intermediate layer is between 0.1 and 2 mm, preferably between
0.2 and 1 mm, and most preferably between 0.3 and 0.6 mm.
7. Method as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the intermediate layer is machined before applying the covering layer.
1. Procédé de revêtement d'un composant en matière composite renforcée par des fibres,
caractérisé en ce que
(a) un composite de fractions organiques et métalliques est d'abord appliqué par pulvérisation
thermique comme couche d'adhérence sur une surface du composant à revêtir ;
(b) une couche majoritairement composée de fractions métalliques est appliquée par
injection thermique ou cinétique comme couche intercalaire sur la couche d'adhérence
; et
(c) une couche de couverture fonctionnelle en métal, composite métal-carbure, céramique
à base d'oxyde ou mélanges des matériaux susmentionnés est appliquée par pulvérisation
thermique ou cinétique sur la couche intercalaire.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction organique de la couche d'adhérence est comprise entre 5 et 60 %, préférentiellement
entre 20 et 50 %, plus particulièrement entre 30 et 40 %.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction métallique de la couche d'adhérence est comprise entre 40 et 90 %, préférentiellement
entre 60 et 80 %.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'adhérence est comprise entre 0,1 et 2 mm, préférentiellement
entre 0,1 et 1 mm, plus particulièrement entre 0,2 et 0,4 mm.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction métallique représente 60 % ou plus de la couche intercalaire.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche intercalaire est comprise entre 0,1 et 2 mm, préférentiellement
entre 0,2 et 1 mm, plus particulièrement entre 0,3 et 0,6 mm.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intercalaire est soumise à un traitement mécanique avant l'application
de la couche de couverture.