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Dokumentenidentifikation DE102005008487B4 26.06.2008
Titel Beschichteter Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff für Papier- und Druckmaschinen, insbesondere Walze, und Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers
Anmelder Praxair S.T. Technology, Inc., North Haven, Conn., US
Erfinder Johner, Gerhard, Dr.-Ing., 63571 Gelnhausen, DE;
Kirst, Markus, Dipl.-Ing., 64572 Büttelborn, DE
Vertreter Schwan Schwan Schorer, 80796 München
DE-Anmeldedatum 24.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005008487
Offenlegungstag 07.09.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.06.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2008
IPC-Hauptklasse C23C 4/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C23C 4/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen beschichteten Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff für Papier- und Druckmaschinen, insbesondere Walze, mit einer Haftvermittlerschicht und einer auf die Haftvermittlerschicht aufgetragenen, vor Verschleiß schützenden Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers.

CFK-Walzenkörper erfreuen sich zunehmender Beliebtheit in Papiermaschinen und Druckmaschinen aufgrund ihres geringen Gewichts bei gleichzeitig extremer Biegesteifigkeit. Der Nachteil ist nur die Notwendigkeit einer Beschichtung, im allgemeinen gegen Verschleiß oder andere Beanspruchungen, die nach heutigem Stand der Technik den Preis in die Höhe treibt. Als Beschichtungen haben sich Keramik- und Hartmetallbeschichtungen durchgesetzt, die hauptsächlich durch Thermisches Spritzen, namentlich Plasma- und Flammspritzen, hergestellt werden. Aufwändig und damit preiserhöhend sind weniger diese bekannten Beschichtungsverfahren als vielmehr die bislang übliche Haftgrundvorbereitung, die z. B. in DE 41 16 641 A1 bzw. in EP 0 514 640 B1 beschrieben ist. Dabei wird die CFK-Walze mit einer weiteren Schicht aus Kunstharz belegt, in die zuvor große Volumina eines typischen Haftvermittlers aus NiAl- oder NiCr-Pulver eindispergiert wurden. Nach dem Aushärten dieser äußeren Kunstharzbeschichtung erfolgt ein erstes Anschleifen, so dass die eindispergierten Haftvermittlerpartikel angeschliffen werden. Diese angeschliffenen Haftvermittlerpartikel sind sozusagen die Haftpunkte für die weitere Behandlung durch Thermisches Spritzen mittels NiCr- oder NiAl- Haftvermittler und anschließendem Auftrag der Funktionsschicht aus Keramik oder Hartmetall. Derartige Beschichtungen sind nur möglich, wenn die thermische Belastung des CFK-Walzenkörpers durch adäquate Kühlmaßnahmen entsprechend niedrig gehalten wird, so dass keinesfalls eine Delamination der Karbonfasern in der Kunstharzmatrix auftritt oder Letztere Schaden nimmt. Versuche, diese aufwändige Haftgrundvorbereitung gemäß EP 0 514 640 B1, z. B. durch Drahtspritzen von Zink zu umgehen, scheiterten häufig an der mangelhaften Duktilität von Zink mit der Folge von Rissbildungen in der angestrebten Haftvermittlerschicht, die letztlich zu Schichtabhebungen vom zu beschichtenden CFK-Körper führten.

Daneben ist es bekannt (DE 34 27 554 A1), CFK-Körper galvanisch zu verkupfern, die Kupferschicht durch Tauchen in einen sauren Elektrolyten zu aktivieren, eine Zwischenspülung in deionisiertem Wasser vorzunehmen, auf der aktivierten Kupferschicht in einem sauren Elektrolyten eine haftvermittelnde Metallschicht aus Nickel, Kobalt, Eisen oder Zinn galvanisch derart abzuscheiden, dass auf der Oberfläche verästelte baumartige Strukturelemente entstehen, eine weitere Zwischenspülung in deionisiertem Wasser vorzunehmen, die mit Strukturelementen versehenen Oberfläche durch Tauchen in einen Elektrolyt zu stabilisieren, erneut in deionisiertem Wasser zu spülen und dann die Metallschicht an Luft zu trocknen. Ein solches Vorgehen ist umständlich und daher gleichfalls preissteigernd.

Aus DE 93 05 806 U1 ist eine Tiefdruckwalze mit einer Hülse aus thermisch gewickelten, faserverstärkten Thermoplasten bekannt, wobei die Faserverstärkung unter anderem aus Kohlefasern bestehen kann. Auf die zuvor aufgeraute äußere Oberfläche eines Grundkörpers aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoffmaterial ist eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-flammspritzen, direkt aufgebracht. In die Kupferschicht wird die für das Tiefdruckverfahren notwendige Gravur eingebracht.

DE 100 37 212 A1 beschreibt einen insbesondere für Sportgeräte, zum Beispiel im Bereich eines Golfschlägerkopfes, bestimmten, zumindest teilweise thermisch beschichteten, faserverstärkten Kunststoff. Dabei ist auf einen zum Beispiel kohlefaserverstärkten Kunststoffgrundkörper mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Haftgrundschicht aus Zink, Zinklegierungen, Aluminiumlegierungen und/oder beim Spritzprozess exotherm wirkenden Materialien wie Nickel-Aluminium oder Molybdän aufgetragen. Auf die Haftgrundschicht ist durch thermisches Spritzen eine Verschleißschutzschicht aus Metallen, Metall-Legierungen, Oxiden, Carbiden, Boriden, Kunststoffen oder Mischungen der genannten Stoffe aufgebracht.

Aus EP 0 850 899 A1 ist ferner ein Verfahren zum Beschichten von Kohlenstoffsubstraten oder nichtmetallischen, kohlenstoffhaltigen Substraten bekannt, bei dem auf eine auf 500°C bis 2500°C erhitzte Substratoberfläche durch Plasmaspritzen eine Grundschicht aus Rhenium, Molybdän, Zirkon, Titan, Chrom, Niob, Tantal, Hafnium, Vanadium, Platin, Rhodium oder Iridium aufgetragen und danach mittels Plasmaspritzen eine Deckschicht aufgebracht wird, die zumindest teilweise aus hochschmelzendem Metall besteht.

JP 02 270 954 A beschreibt ein Verfahren, bei dem ein für Papiermaschinen bestimmter CFK-Zylinder vorerhitzt und durch Plasmaspritzen mit einer Molybdängrundschicht versehen wird, und bei dem auf die so erzeugte Molybdängrundschicht eine Keramik-Schutzschicht durch Flammspritzen aufgebracht wird.

Aus GB 887 366 ist ein Verfahren zum mehrlagigen Beschichten von Kunststoffen mit Metallen oder Legierungen durch Flammspritzen bekannt, bei dem die zuerst aufgebrachte Lage einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer als der des Kunststoffes ist, während die nachfolgende Lage oder Lagen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist (aufweisen), der kleiner als der des Kunststoffes ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen für den Einsatz bei Papier- und Druckmaschinen bestimmten beschichteten Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, insbesondere Walze, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers zu schaffen, die ohne eine aufwändige Oberflächenvorbehandlung für CFK-Körper, insbesondere Walzen aus CFK der in EP 0 514 640 B1 oder in DE 34 27 554 C2 beschriebenen Art auskommen und gleichwohl eine Haftvermittlung bereitstellen, die einen dauerhaft festen Sitz auf dem Körper bewirkt und weitere verschleißhemmende Beschichtungen aus Oxidkeramik oder Hartmetall auf dem Körper sicher fixiert.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch den beschichteten Körper gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.

Insbesondere besteht bei einem beschichteten Körper der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei und Zinn ausgewählt und durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen ist.

Es wurde gefunden, dass eine solche Haftvermittlerschicht vergleichsweise einfach und rasch ausgebildet werden kann sowie einen hervorragenden Haftgrund für darüber aufgebrachte Schutzschichten bildet.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So wird die Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall zweckmäßig in einer Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm, aufgetragen.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, während des Auftragens der Haftvermittlerschicht den durch zweckentsprechende Kühlmaßnahmen auf einer Temperatur von höchstens 200°C gehaltenen CFK-Körper, insbesondere Walzenkörper, auf einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 0,3 m/s zu halten. Auf diese Weise wird rasch ein geschlossener, rissfreier Metallring um den CFK-Walzenkörper herum ausgebildet, und durch die abkühlungsbedingte Volumenschrumpfung dieses Metallrings ergibt sich eine fest haftende, kraftschlüssige Verbindung mit dem CFK-Walzenkörper.

In einem weiteren Schritt werden dann vor Verschleiß schützende Schichten aus Oxidkeramiken wie Chromoxid (Cr2O3), Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), quarzhaltiges Mullit (z. B. 3Al2O3·2SiO2 bis 2Al2O3·SiO2), Zirkonoxid (ZrO2) und deren Mischungen, sowie aus verschleißarmen Hartmetallen wie zum Beispiel aus der Gruppe Wolframkarbid/Kobalt (WC/Co), Wolframkarbid/Nickel (WC/Ni), Titankarbid/Nickel (TiC/Ni), Nickel-Chrom/Chromkarbid (Cr3C2/NiCr), Nickel-Chrom-Bor-Silizium (NiCrBSi), Schmelzkarbid (reines Chromkarbid), Chrom, Molybdän mit Sauerstoff, etc. vorzugsweise durch thermische Spritzverfahren wie Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht.

Diese äußeren Beschichtungen können auch noch, wie an sich bekannt (EP 0 999 043 A1), eine Antihaftversiegelung bekommen.

Die vor Verschleiß schützende Oxidkeramik oder Hartmetallschicht muss nicht durch thermisches Spritzen aufgebracht sein, sondern kann auch durch Beschichtungsprozesse wie PVD, CVD, Sintern, Heißisostatpressen, Galvanik, Sprengplattieren, Auftragschweißen, Auflöten, Klebetechniken oder Reaktivverfahren aufgebracht werden, sofern dabei keine Delamination der Karbonfasern in der Kunststoffmatrix oder ein Schädigung Letzterer auftritt.

In der bevorzugten Ausführungsform weist die vor Verschleiß schützende Beschichtung eine Dicke von 0,01 bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,1 mm, auf.

Je nach Anwendungsfall sind Oberflächenguten erforderlich, die einen Schleif- und Poliervorgang nach dem Beschichten erfordern, so dass bei der vor Verschleiß schützenden Beschichtung eine Oberflächenrauhigkeit funktionsgerecht eingestellt werden kann, die vorzugsweise zwischen 1,0 &mgr;m < Rz < 90 &mgr;m, insbesondere bei Rz = 15 bis 20 &mgr;m liegt.


Anspruch[de]
Beschichteter Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff für Papier- und Druckmaschinen, insbesondere Walze, mit einer Haftvermittlerschicht und einer auf die Haftvermittlerschicht aufgetragenen, vor Verschleiß schützenden Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall besteht, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei und Zinn ausgewählt und durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen ist. Beschichteter Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall eine Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm aufweist. Beschichteter Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik eine Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,2 mm, hat. Beschichteter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 1,0 &mgr;m < Rz < 90 &mgr;m, insbesondere bei Rz = 15 &mgr;m bis 20 &mgr;m, hat. Beschichteter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetallschicht aus WC/Co, WC/Ni, TiC/Ni, Cr3C2/Ni, NiCrBSi oder Molybdän oder aus Mischungen dieser Hartmetalle besteht. Beschichteter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramikschicht aus Al2O3, Cr2O3, TiO2, SiO2, oder ZrO2 oder Mischungen daraus besteht. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Körpers aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff für Papier- und Druckmaschinen, insbesondere Walze, bei dem auf einen Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff eine Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei und Zinn ausgewählt wird, durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen wird, während der Körper durch Kühlmaßnahmen auf einer Temperatur gehalten wird, die 200°C nicht übersteigt, und bei dem auf die Haftvermittlerschicht in einem weiteren Verfahrensschritt eine vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik aufgetragen wird. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der CFK-Walzenkörper während der Beschichtung auf einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 0,3 m/s gehalten wird. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Haftvermittlerschicht in einer Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm, aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik in einer Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,2 mm, aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Oberflächenrauhigkeit der vor Verschleiß schützenden Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik durch Schleifen und Polieren auf einen Wert zwischen 1,0 &mgr;m < Rz < 90 &mgr;m, insbesondere bei Rz = 15 &mgr;m bis 20 &mgr;m, eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem in dem weiteren Verfahrensschritt auf die Haftvermittlerschicht eine Hartmetallschicht aus WC/Co, WC/Ni, TiC/Ni, Cr3C2/Ni, NiCrBSi oder Molybdän oder aus Mischungen dieser Hartmetalle aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die Hartmetallschicht durch thermisches Spritzen wie Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem in dem weiteren Verfahrensschritt auf die Haftvermittlerschicht eine Oxidkeramikschicht aus Al2O3, Cr2O3, TiO2, SiO2, oder ZrO2 oder Mischungen daraus aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 oder 14, bei dem die Oxidkeramikschicht durch thermisches Spritzen wie Plasmaspritzen und Flammspritzen aufgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 oder 14, bei dem die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik in dem weiteren Verfahrensschritt durch Beschichtungsprozesse wie PVD, CVD, Sintern, Heißisostatpressen, Galvanik, Sprengplattieren, Auftragschweißen, Auflöten, Klebetechniken oder Reaktivverfahren unter Bedingungen aufgebracht wird, bei denen keine Delamination der Karbonfasern in der Kunststoffmatrix oder eine Schädigung Letzterer auftritt.






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