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DE102005008487A1 - Beschichteter Körper, insbesondere Walze, aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) und Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers - Google Patents

Beschichteter Körper, insbesondere Walze, aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) und Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers Download PDF

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DE102005008487A1
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Gerhard Dr.-Ing. Johner
Markus Dipl.-Ing. Kirst
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Praxair ST Technology Inc
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Coatec Gesellschaft fur Oberflaechenveredelung Mbh & Co KG
Coatec Gesellschaft fuer Oberflaechenveredelung mbH
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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein beschichteter Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK), insbesondere Walze, mit einer Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei, Zinn und Molybdän ausgewählt und durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers. Vorzugsweise wird der CFK-Körper während der Beschichtung mit dem Haftvermittler auf einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 0,3 m/s gehalten und wird dabei durch Kühlmaßnahmen dafür gesorgt, dass die Temperatur des Körpers 200 DEG C nicht übersteigt. Dadurch erübrigen sich aufwändige Haftgrundvorbereitungen vor dem anschließendem Auftrag einer Funktionsschicht aus Keramik oder Hartmetall.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen beschichteten Körper, insbesondere Walze, aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) und 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 Delami nation 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.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen beschichteten Körper, insbesondere Walze, aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) 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 0514640 B1 oder in DE 3427554 C2 beschriebenen Art auskommen und gleichwohl eine Haftvermittlung bereitstellen, die einen dauerhaft festen Sitz auf dem Körper bewirkt und für weitere Beschichtungen aus verschleißhemmender Oxidkeramik oder Hartmetall geeignet ist.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch den beschichteten Körper gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst, nämlich dadurch dass ein beschichteter Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK), insbesondere Walze, mit einer Haftvermittlerschicht versehen ist (wird), die aus duktilem Metall besteht, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei, Zinn, und Molybdän ausgewählt und durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen ist (wird).
  • 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, den CFK-Körper, insbesondere Walzenkörper, während des Auftragens der Haftvermittlerschicht auf einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 0,3m/s und durch zweckentsprechende Kühlmaßnahmen auf einer Temperatur von höchstens 200 °C 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 können 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 werden.
  • 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 (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition), 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 Oberflächengüten 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 μm < Rz < 90 μm, insbesondere bei Rz = 15 bis 20 μm liegt.
    •

Claims (19)

  1. Beschichteter Körper aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK), insbesondere Walze, mit einer Haftvermittlerschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall besteht, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei, Zinn, und Molybdän ausgewählt und durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen ist.
  2. 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.
  3. Beschichteter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Haftvermittlerschicht eine vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik aufgetragen ist.
  4. Beschichteter Körper nach Anspruch 3, 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.
  5. Beschichteter Körper nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 1,0 μm < Rz < 90 μm, insbesondere bei Rz = 15 μm bis 20 μm, hat.
  6. Beschichteter Körper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetallschicht aus WC/Co, WC/Ni, TiC/Ni, Cr3C2/Ni, NiCrBSi oder Molybdän oder aus Mischungen dieser Hartmetalle besteht.
  7. Beschichteter Körper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramikschicht aus Al2O3, Cr2O3, TiO2, SiO2, oder ZrO2 bzw. Mischungen daraus, besteht.
  8. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Körpers aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK), insbesondere Walze, bei dem auf einen CFK-Körper eine Haftvermittlerschicht aus duktilem Metall, das aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Blei, Zinn, und Molybdän ausgewählt wird, durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der CFK-Walzenkörper während der Beschichtung auf einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 0,3m/s gehalten wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Körper während der Beschichtung durch Kühlmaßnahmen auf einer Temperatur gehalten wird, die 200°C nicht übersteigt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Haftvermittlerschicht in einer Dicke von 0,01 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm, aufgetragen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem auf die Haftvermittlerschicht in einem weiteren Verfahrensschritt eine vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik aufgetragen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, 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.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Oberflächenrauhigkeit der vor Verschleiß schützenden Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik durch Schleifen und Polieren auf einen Wert zwischen 1,0 μm < Rz < 90 μm, insbesondere bei Rz = 15 μm bis 20 μm, eingestellt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, 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.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Hartmetallschicht durch thermisches Spritzen wie Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgetragen wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem in dem weiteren Verfahrensschritt auf die Haftvermittlerschicht eine Oxidkeramikschicht aus Al2O3, Cr2O3, TiO2, SiO2, oder ZrO2 bzw. Mischungen daraus aufgetragen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 oder 17, bei dem die Oxidkeramikschicht durch thermisches Spritzen wie Plasmaspritzen und Flammspritzen aufgetragen wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 oder 17, bei dem die vor Verschleiß schützende Schicht aus Hartmetall oder Oxidkeramik in einem weiteren Schritt durch Beschichtungsprozesse wie PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition), Sintern, Heißisostatpressen, Galvanik, Sprengplattieren, Auftragschweißen, Auflöten, Klebetechniken oder Reaktiwerfahren unter Bedingungen aufgebracht wird, bei denen keine Delamination der Karbonfasern in der Kunststoffmatrix oder eine Schädigung Letzterer auftritt.
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