[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versiegeln einer im Plasmasprühverfahren
auf einen Körper aufgebrachten porösen Beschichtung aus Hartstoff, wie Aluminiumoxid,
Wolframcarbid, Chrom. Es ist bekannt, metallische Gegenstände, die eine sehr hohe
Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb aufweisen müssen, im Plasmasprühverfahren mit einer
Beschichtung aus einem Hartstoff zu versehen, wobei als Hartstoffe u.a. geeignete
Metalle, Cxide und Carbide in Frage kommen. Das Be- schichtune:smaterial wird der
Plasmasprühdüse in Form eines Pulvers zugeführt, im Plasmastrahl an der Oberfläche
der einzelnen Körner geschmolzen und gelangt so zu der zu beschichtenden Oberfläche,
wo der Hartstoff einen mehr oder weniger porösen Überzug bildet. Die in dieser Beschichtung
enthaltenen Hohlräume sind im allgemeinen zu einem mehr oder weniger großen Teil Kapillaren.
Während die Widerstandsfähigkeit metallischer Körper, die in dieser Weise beschichtet
worden sind, gegen rein mechanische Abnutzung in der Regel gut ist, ist die Widerstandsfähigkeit
gegen chemische Angriffe häufig ungenügend, denn es können durch die Hohlräume der
Beschichtung beispielsweise Säuren bis zu dem metallischen Körper gelangen, diesen
angreifen und dadurch ein Ablösen der Beschichtung verursachen.
[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Hohlräume in der Beschichtung zu schließen,
so daß chemisch aggresive Stoffe nicht bis zur Oberfläche des metallischen Körpers
gelangen können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Beschichtung
mit einem flüssigen aushärtbaren, insbesondere vernetzbaren Kunststoff oder Lack getränkt
wird und daß diese Kunststoffschicht bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen
weisenden Bereich durch Bestrahlung mit Elektronen vernetzt wird.
[0003] Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß innerhalb der porösen Beschichtung eine
vollkommen geschlossene Schicht des ausgehärteten, insbesondere vernetzten Kunststoffs
oder Lacks geschaffen wird, die den Zutritt von Säuren oder sonstigen aggresiven Stoffen
zur Oberfläche des metallischen Körpers bei geeigneter Auswahl des Kunststoffes mit
Sicherheit verhindert. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, daß die Kunststoff-
oder Lackschicht, die im folgenden der Einfachheit halber lediglich als Kunststoffschicht
bezeichnet wird, in inrer vollen Tiefe vernetzt wird, sondern es genügt, wenn das
Vernetzen lediglich in einem äußeren Bereich erfolgt. Von Vorteil ist bei der Erfindung
weiterhin, daß das Vernetzen mittels Elektronenbestrahlung sehr schnell erfolgen kann,
bei Vorhandensein geeigneter Anlagen beispielsweise in wenigen Sekunden oder allenfalls
wenigen Minuten, und daß eine merkliche Erwärmung der Kunststoffschicht und somit
des die Beschichtung tragenden Körpers infolge der Elektronenbestrahlung nicht erfolgt.
Es können daher auch gegen Temperaturerhöhungen empfindliche Körper mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelt werden. Wenn vorgesehen ist, den Körper nach dem Vernetzen einer
Bearbeitung zu unterziehen, beispielsweise die beschichtete Oberfläche zu schleifen,
so wird die Vernetzung so durchgeführt, daß die Vernetzung in der aufgebrachten Kunststoffschicht
zumindest so tief reicht, daß bei der nachfolgenden Bearbeitung keine noch nicht vernetzten
Bereiche der Kunststoffschicht erreicht werden. Da zumindest der äußere Bereich der
Kunststoffschicht in äußerst kurzer Zeit vernetzt und somit trocken ist, können die
beschichteten Körper unmittelbar nach der Elektronenbestrahlung weiter bearbeitet
werden. Je nach der Art des beschichteten Gegenstands mag es dann ausreichend sein,
wenn in der Tiefe vorhandene, noch nicht vernetzte Bereiche des Kunststoffs unter
dem Einfluß einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur im Lauf der folgenden Tage
oder Wochen noch vollständig vernetzen.
[0004] Für den beabsichtigten Korrosionsschutz der metallischen Oberfläche des beschichteten
Körpers ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Kunststoff überall bis zur metallischen
Oberfläche vordringt.
[0005] Da es jedoch für viele Fälle vorteilhaft ist, wenn die Kunststoffschicht möglichst
tief in die poröse Beschichtung eindringt, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
vorgesehen, daß der Körper vor dem Aufbringen des flüssigen Kunststoffes auf etwa
80°C erwärmt wird, und daß der Kunststoff anschließend auf den erwärmten Körper aufgebracht,
insbesondere aufgesprüht wird. Durch das Erwärmen auf die verhältnismäßig niedrige
Temperatur von beispielsweise 80°C, die auch von empfindlichen Körpern ohne Gefahr
ausgehalten wird, wird die in den Hohlräumen der Hartstoffbeschichtung enthaltene
Luft zu einem großen Teil ausgetrieben und es wird daher das Eindringen des flüssigen
Kunststoffs bis in die Tiefe der porösen Schicht erleichtert. Der Kunststoff wird
dabei aufgebracht, solange der Körper noch warm ist, so daß der flüssige Kunststoff
bei der Abkühlung der in den Poren noch enthaltene Luft in tiefere Bereiche der porösen
Schicht eindringen kann. Durch Aufsprühen kann die Menge des aufgebrachten flüssigen
Kunststoffs besonders einfach den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.
[0006] Vorteilhaft ist es, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen flüssigen Kunststoff
geringer Viskosität zu verwenden, vorzugsweise einen Kunststoff, der flüssiger als
Wasser ist. Dadurch wird das Eindringen des Kunststoffs in die Hohlräume der Hartstoffbeschichtung
erleichtert.
[0007] Bei Ausführungsformen der Erfindung wird das Verfahren so angewandt, daß lediglich
eine einzige Kunststoffbeschichtung vorgesehen wird, die dann im allgemeinen die gesamte
Dicke der Hartstoffbeschichtung einnimmt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
ist jedoch vorgesehen, daß die poröse Beschichtung zunächst nur in ihrem dem metallischen
Körper benachbarten Bereich getränkt wird, und daß nach dem Aushärten durch Elektronenbestrahlung
der Körper wiederum mit einem Kunststoff getränkt wird, der ebenfalls durch Elektronenbestrahlung
vernetzt wird. Es kann hierbei bei Ausführungsformen der Erfindung der gleiche Kunststoff
verwendet sein, wenn in besonderen Fällen beispielsweise eine gewünschte Vernetzung
bis in relativ große Tiefe nicht in einem einzigen Bestrahlungsvorgang erfolgen kann,
weil die Kunststoffschicht hierzu zu dick ist; bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
sind jedoch unterschiedliche Kunststoffe verwendet. Insbesondere kann die äußere Kunststoffschicht
so gewählt sein, daß sich ein besonders niedriger Reibungskoeffizient des Körpers
ergibt; die äußere fertig vernetzte Kunststoffschicht kann in diesem Falle insbesondere
Polytetrafluoräthylen sein.
[0008] Bei ebenen Werkstücken kann das Eindringen des Kunststoffes nur in den dem metallischen
Körper benachbarten Bereich der porösen Beschichtung dadurch bewirkt werden, daß auf
die poröse Schicht nur eine beschränkte zur Füllung der dem metallischen Körper benachbarten
Kapillaren erforderliche Menge Kunststoff aufgebracht wird, der dann durch entsprechende
Erwärmung in Folge der Schwerkraft nach unten sickert, wobei wegen der begrenzten
Menge des flüssigen Kunststoff die oberen Bereiche vom Kunststoff wieder frei werden
und nach dem Aushärten des eingebrachten Kunststoffes mit einem anderen Kunsstoff
gefüllt werden können. Wo ein derartiges Verfahren nicht möglich ist, kann die ganze
Beschichtung mit einem bestimmten Kunststoff angefüllt werden und das Werkstück auf
eine Temperatur erwärmt werden, bei der der flüssige Kunststoff aus dem oberflächennahen
Bereich verdampft, wobei dann bei dieser Temperatur bereits eine Aushärtung des verbleibenden
Kunststoffes erfolgen kann. In den durch Verdampfung des Kunststoffes frei gewordenen
Bereich der porösen Schicht kann dann ein anderer Kunststoff eingebracht und durch
Elektronenbestrahlung ausgehärtet werden. Um die Verdampfung des Kunststoffes an der
Oberfläche zu erreichen, kann die Erwärmung so vorgenommen werden, daß sich dieser
an der Oberfläche befindliche Bereich der Schicht stärker erwärmt als der dem metallischen
Körper benachbarten Bereich der porösen Schicht.
[0009] Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt noch in folgendem: Muß ein mit Hartstoff
beschichteter Körper, beispielsweise ein Zylinder einer Druckmaschine, zur Erzielung
einer ausreichend glatten Oberfläche geschliffen werden, so werden häufig ganze Körner
des Beschichtungsstoffs aus der Beschichtung gerissen, so daß ein bestimmtes Maß der
Rauhtiefe nicht unterschritten werden kann. Ist der Körper dagegen mit der erfindungsgemäßen
Versiegelung versehen, so hält die vernetzte Kunststoffschicht insbesondere dann,
wenn sie bis in größere Tiefen der Beschichtung reicht, die Körner der Hartstoffbeschichtung
fest, so daß beim Schleifvorgang einzelne zu weit nach außen ragende Körner teilweise
abgetragen werden, wie dies erwünscht ist, aber nicht vollständig aus der Beschichtung
herausgerissen werden.
[0010] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Ein
metallischer Körper, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Druckzylinder
einer Druckmaschine handelt, und der aus Stahl besteht und Abmessungen von
180 cm Länge und 85 cm Durchmesser aufweist, wird im Plasmasprühverfahren mit einer Schicht
aus Wolframkarbid überzogen. Diese Beschichtung hat eine Dicke von etwa 100 pm. Das
Plasmasprühverfahren oder, wie es auch genannt wird, Plasmaspritzen, und die hierfür
erforderlichen Vorrichtungen sind bekannt. Dabei wird ein Gas einem Lichtbogen-Plasmabrenner
zugeführt und in dem Lichtbogen je nach Art des Gases dissoziiert und ionisiert. Kurz
vor dem Düsenaustritt wird dem unter hoher Geschwindigkeit ausströmenden Plasma das
pulverisierte Spritzgut, also der Hartstoff, mit Hilfe eines Trägergases zugeführt.
Als Plasmagas wird häufig Argon verwendet.
[0011] Anschließend wird der mit der Hartstoffbeschichtung versehene Körper
so erwärmt, daß die Temperatur des Körpers von innen nach außen etwas abnimmt. Die Erwärmung
bewirkt, daß die in den Poren der Oberflächenschicht enthaltene Luft großenteils entweicht.
Hierauf wird der beschichtete Körper mit einem flüssigen Kunststoff besprüht, der
unten näher angegeben ist. Dieser Kunststoff zieht, zumindest teilweise auch infolge
von Kapillarwirkung, in die Poren der Beschichtung ein, nicht zuletzt deshalb, weil
der flüssige Kunststoff unter weiterer Verflüssigung in die wärmeren Bereiche der
Beschichtung, also nach innen, vordringt.
[0012] Das Besprühen erfolgt unmittelbar nach dem Erwärmen des Werkstücks auf etwa 80°C,
damit die aus den Poren der Beschichtung ausgetretene Luft nicht inzwischen wieder
eindringt.
[0013] Anschließend an das Besprühen wird das Werkstück durch Elektronen bestrahlt. Eine
für eine derartige Bestrahlung geeignete Anlage wird von der Firma Otto Dürr Anlagenbau
GmbH, D-7000 Stuttgart unter der Typenbezeichnung ESH 150 vertrieben. Diese Anlage
erzeugt Elektronen mit einer Energie von 150 keV, dabei kann der zu bestrahlende Körper
sich an der freien Atmosphäre befinden und wird lediglich zum Fernhalten des Sauerstoffs
der Luft in dem Bereich, in dem die Elektronen auf den Körper auftreffen, mit einem
geeigneten Inertgas gespült. Als Inertgas kommt beispielsweise Stickstoff in Frage.
Von der genannten Anlage gibt es mehrere Ausführungsformen, die sich in der Breite
des erzeugten Elektronenstrahls unterscheiden. Bei einer derartigen Anlage beträgt
die Leistung des zum Bestrahlen zur Verfügung stehenden Elektronenstrahls 7,5 KW.
[0014] Es ist ansich nicht erforderlich, daß die gesamte Hartstoffschicht von dem Elektronenstrahl
durchdrungen wird, es genügt vielmehr, wenn die vom Elektronenstrahl durchdrungene
Schicht so tief ist, daß sie bei einer nachfolgenden Bearbeitung nicht ganz abgetragen
wird, so daß auch nach einer nachfolgenden Bearbeitung die Oberfläche des Werkstücks
mit ausgehärtetem Kunststoff bedeckt ist. Der unterhalb dieser ausgehärteten Kunststoffschicht
befindliche Kunststoff härtet dann im Laufe der Zeit aus, beispielsweise innerhalb
von etwa 2 bis 10 Wochen.
[0015] Die Versiegelung durch den mittels Elektronenbeschuß vernetzten oder ausgehärteten
Kunststoff ist außerordentlich wirksam. Eine unversiegelte, im Plasmaspritzverfahren
aufgebrachte Schicht wird beispielsweise bei einem einzigen Arbeitsgang durch Sandstrahlen
mit Korund entfernt. Ist eine erfindungsgemäße ausgehärtete Kunststoffschicht in die
Hartstoffschicht eingebracht, so sind zum Entfernen dieser kombinierten Schicht etwa
sechs derartige Sandstrahlvorgänge erforderlich.
[0016] Durch die vernetzte Kunststoffschicht ist es erstmals möglich, Werkstücke mit im
Plasmasprühverfahren vergüteten Oberflächen im chemischen Bereich zu verwenden, wo
ohne Vorhandensein der gehärteten Kunststoffschicht die Hartstoffbeschichtung durch
Korrosion des diese Schicht tragenden Metallkörpers Schaden nehmen würde. Eine Tränkung
der Hartstoffschicht mit einem nicht ausgehärteten Kunststoff könnte dagegen die Korrosion
des Metallkörpers nicht mit Sicherheit verhindern.
[0017] Wollte man die in die Hartstoffschicht eingebrachte flüssige Kunststoffschicht durch
Anwendung erhöhter Temperaturen innerhalb relativ kurzer Zeit vernetzen, so müßten
hierfür Temperaturen zwischen 130
0C und 250°C, je nach der Art des verwendeten Kunststoffs, angewendet werden.
[0018] Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Elektronenbestrahlung trotz der durch die
einzelnen Partikel der Hartstoffschicht zu erwartenden Abschattung eine wirkungsvolle
schnelle Aushärtung der Kunststoffschicht bewirkt. Dabei kann eine Aushärtung bis
in eine Tiefe von 300µm erzielt werden. Demgegenüber sind bei vielen Anwendungen die
Hartstoffschichten nur etwa 100µm dick, so daß in einem einzigen Bestrahlungsgang
die Kunststoffschicht vollständig ausgehärtet werden kann.
[0019] Zur Zeit wird als günstig die Verwendung eines hochmolekularen Kunststoffes angesehen,
der im wesentlichen aus Polyäthylen-Glycol-Dimethacrylat oder Trimetylol-Propan-Trimethacrylat
unter Beimengung von aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere
Aminen besteht, und der die üblichen Zusätze von Weichmacher, Polymer-Verdicker, Peroxid,
Toluidin, Saccharin, Füllstoffen, Pigmenten, Stabilisatoren und dgl., z.T. auf Si-Basis
aufweist.
1. Verfahren zum Versiegeln einer im Plasmasprühverfahren auf einem Werkstück aufgebrachten
porösen Beschichtung aus Hartstoff, wie Aluminiumoxid, Wolframkarbid, Chrom, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit einem flüssigen vernetzbaren Kunststoff oder
Lack getränkt wird, und die Kunststoff- bzw. Lackschicht zumindest in ihrem nach außen
weisenden Bereich durch Bestrahlung mit Elektronen ausgehärtet insbesondere vernetzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor dem Aufbringen
des flüssigen Kunststoffs oder Lacks auf etwa 80°C erwärmt wird, und daß der Kunststoff
bzw. Lack auf das erwärmte Werkstück aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff auf
die Beschichtung aufgesprüht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein
Kunststoff oder Lack geringer-Viskosität verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Menge des flüssigen Kunststoffs oder Lacks derart bemessen ist, daß die poröse
Beschichtung nur in ihren unteren Bereichen getränkt wird, und daß nach dem Vernetzen
dieser Kunststoffschicht das Werkstück wiederum mit einem flüssigen Kunststoff oder
Lack getränkt wird, der ebenfalls durch Elektronenbestrahlung vernetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Kunststoffe
bzw. Lacke für die unterschiedlichen Tränkungsvorgänge verwendet werden.