DE3732360A1 - Verfahren zum verbinden eines polytetrafluoraethylen-koerpers mit einem metallkoerper und dadurch hergestelltes produkt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden der Oberfläche eines Polytetrafluoräthylen-Körpers mit der Ober­ fläche eines Metallkörpers unter Verwendung eines Haftver­ mittlers durch Zusammenpressen der Oberflächen bei einer die Schmelztemperatur des Haftvermittlers und den Kristallit­ schmelzpunkt des Polytetrafluoräthylens übersteigenden Tem­ peratur.

Unter einem Polytetrafluoräthylen-Körper ist ein solcher zu verstehen, dessen Kunststoffanteil wesentlich von Polytetra­ fluoräthylen gebildet und daher bezüglich seiner Adhäsions- und Wärmedehnungseigenschaften maßgeblich von diesem bestimmt wird.

Das eingangs genannte Verfahren ist bekannt beispielsweise zur Herstellung von PTFE-Auskleidung von in der chemischen Appara­ tetechnik benutzten Hohlkörpern. Es wird so ausgeführt, daß das im allgemeinen pulverförmige PTFE mittels eines Preßkör­ pers gegen die mit einem Haftvermittler beschichtete Metall­ oberfläche gepreßt und gesintert wird. Dies findet statt bei einer Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunkts von PTFE, der etwa bei 330°C liegt. PTFE hat die Eigenschaft, daß es sich beim Überschreiten des Kristallitschmelzpunkts um etwa 20 Vol.-% ausdehnt. Da beim Abkühlen des Werkstücks das PTFE sich entsprechend zusammenzuziehen sucht aber daran durch die Haftung an der Metalloberfläche gehindert wird, entstehen in dem PTFE-Körper Spannungen, die unerwünscht sind, wenn es auf eine hohe Sicherheit der Haftung an der Metalloberfläche ankommt. Diese Erscheinung ist um so stärker ausgebildet, je größer der Querschnitt des PTFE-Körpers ist.

Bei der Herstellung von Dichtringen, die eine PTFE-Lippe und einen Metallkäfig umfassen, behilft man sich aus demselben Grund mit einer Verbindung dieser beiden Werkstoffe mittels Gummi (DE-PS 33 09 538; DE-PS 28 52 383; DE-OS 30 08 955), mit der Ersetzung des Metallkäfigs durch einen Haltering aus poly­ merem Werkstoff (DE-PS 33 29 386) oder durch Einklemmen des PTFE-Teils in die den Käfig bildenden Metallteile unter Zwischenlage eines Gummidichtrings (offenkundige Vorbenutzung; Industrieprospekte). Alle bekannten Dichtringe, in denen zur Verbindung oder Abdichtung des PTFE-Materials gegenüber dem Käfig Gummi oder ein artfremder Polymer-Werkstoff verwendet wird, haben den Nachteil, daß die Einsatzmöglichkeiten des Dichtrings durch die chemischen und physikalischen Eigenschaf­ ten dieses dritten Werkstoffs beschränkt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine sichere PTFE-Metall-Verbindung gewährleistet. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die gegen den Metallkörper gepreßte Oberfläche des auf einer unterhalb des Kristallitschmelzpunkts liegenden Ausgangstemperatur befindlichen Polytetrafluor­ äthylen-Körpers von dem Metallkörper her so rasch erhitzt und anschließend ggf. gekühlt wird, daß nur eine im Verhältnis zur Gesamtdicke des Polytetrafluoräthylen-Körpers dünne Ober­ flächenschicht des Polytetrafluoräthylen-Körpers auf eine den Kristallitschmelzpunkt übersteigende Temperatur gelangt.

Man geht bei diesem Verfahren von einem PTFE-Körper aus, der möglichst spannungsfrei die im Endprodukt gewünschte Gestalt hat. Dadurch daß dieser Körper lediglich in einem dünnen Oberflächenbereich angrenzend an den Metallkörper auf eine den Kristallitschmelzpunkt übersteigende Temperatur gebracht wird, vermeidet man seine Dehnungsverformung während des Verfahrens und hält man ihn somit größtenteils spannungsfrei. Lediglich innerhalb der dünnen, dem Metallkörper zugewandten Oberflä­ chenschicht ereignet sich die den Dehnungs- und Spannungszu­ stand hervorrufende Wärmebehandlung, die aber insgesamt im Endprodukt ohne schädigenden Einfluß bleibt, weil sie dünn ist und daher keine hinreichenden Lösekräfte zu entwickeln vermag. Die Dicke der von der Temperaturbeeinflussung erfaßten Schicht des PTFE-Körpers läßt sich durch die Anfangstemperatur und/oder Verweildauer desselben beeinflussen. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangstemperatur bei Umgebungstemperatur liegt oder gar darunter gekühlt wird, vorzugsweise auf weniger als minus 20°C.

Da es für die Erfindung darauf ankommt, die Wärme der Ober­ fläche des PTFE-Körpers vom Metallkörper her zuzuführen, ist es zweckmäßig, wenn der Metallkörper beim Zusammenbringen mit dem PTFE-Körper bereits eine angehobene Temperatur aufweist, die zweckmäßigerweise oberhalb des Schmelzpunkts des Haftver­ mittlers liegt. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist der Wärmeinhalt des Metallkörpers so groß bemessen, daß er mindestens zum Erhitzen der dünnen Oberflächenschicht des PTFE-Körpers sowie ggf. der Haftvermittlerschicht ausreicht. Auf diese Weise erhält man einen besonders raschen Wärme­ transport. Statt dessen oder zusätzlich kann eine Aufheizung des Metallkörpers während des Kontakts mit dem PTFE-Körper geschehen, nämlich durch solche Verfahren, die die Wärme innerhalb des Metallkörpers entstehen lassen, beispielsweise induktive Erwärmung.

Wenn der Metallkörper dünn ist, kann auf eine anschließende Kühlung verzichtet werden, weil sein Wärmeinhalt ohnehin nur zur Erhitzung einer dünnen Oberflächenschicht des PTFE-Körpers ausreicht. In der Regel ist es jedoch zweckmäßig, ihn an­ schließend abzuschrecken, um einerseits eine Erwärmung größe­ rer Querschnittsbereiche und des PTFE-Körpers zu vermeiden und andererseits dessen dünne Oberflächenschicht in einem weit­ gehend amorphen Zustand zu verfestigen und dadurch deren Kontraktion und Spannungsbildung zu verringern bzw. zu ver­ meiden.

Die Ausübung der Pressung zwischen PTFE- und Metallkörper kann mit herkömmlichen Mitteln geschehen. Besonders vorteilhaft ist jedoch in denjenigen Fällen, in denen der Metallkörper den PTFE-Körper umschließt, ein Verfahren, bei dem der Übermaß gegenüber dem Metallkörper aufweisende PTFE-Körper mit niedri­ ger Temperatur in den ggf. erwärmten Metallkörper eingebracht wird. Dies für die Herstellung von Schrumpfverbindungen be­ kannte Verfahren führt dann erst anschließend bei der Abküh­ lung des Metallkörpers bzw. Erwärmung des PTFE-Körpers zu der erwünschten Pressung, wobei die Maßdifferenz einerseits und die Temperaturdifferenz andererseits zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß die Oberfläche des PTFE-Körpers mit der­ jenigen des Metallkörpers - unter Berücksichtigung der zwischenliegenden Haftvermittlerschicht - in vollflächige Berühung kommt, solange der Haftvermittler noch die für das Zustandekommen der Haftverbindung notwendige, hohe Temperatur besitzt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn der Metallkörper und der PTFE-Körper zylindrisch sind, wobei letzterer insbesondere dickwandig hohlzylindrisch sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Her­ stellung von Käfigringen, die aus einem PTFE-Ring und einem diesen umschließenden Metallkäfig bestehen, insbesondere als Dicht-, Abstreif- oder Lagerringe. Statt der im Prinzip auch möglichen Einzelfertigung verfährt man dabei zweckmäßigerweise so, daß ein Rohling, der beträchtlich länger ist als die Ein­ zelstücke, aus einem Metallrohr und einem darin enthaltenen und damit verbundenen PTFE-Körper hergestellt wird und von diesem Ring spanhebend abgenommen werden.

Ein erfindungsgemäßes Produkt, das einen Metallkörper und einen damit ggf. unter Einschluß eines Haftvermittlers haft­ verbundenen PTFE-Körper umfaßt, zeichnet sich dadurch aus, daß der PTFE-Körper in einer gleiche Zusammensetzung aufweisenden, dünnen, dem Metallkörper zugewendeten Oberflächenschicht einen abweichenden Kristallisationszustand bzw. Spannungszustand aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Produkt um einen Käfigring, insbesondere einen Dicht-, Abstreif- oder Lagerring.

Als Haftvermittler kommt für die Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens hauptsächlich Fluorthermoplaste, inbe­ sondere Perfluoralkoxy, in Frage, das beispielsweise von der Firma DuPont unter der Bezeichnung PFA im Handel ist und einen Schmelzpunkt bei 320°C aufweist.

Der Erfindungsgedanke, die zur Verbindung der beiden Körper erforderliche Pressung innerhalb eines Schrumpfprozesses aufzubringen, ist unabhängig davon, ob der Verbindungsbereich auf eine Temperatur erhitzt werden muß, die den Kristallit­ schmelzpunkt des PTFE übersteigt. Erforderlich ist dabei lediglich, daß der Haftvermittler von der Seite des Metall­ körpers her auf seine Bindetemperatur erwärmt wird, um eine den gesamten Querschnitt des PTFE-Körpers erfassende Erwär­ mung, die zu Wärmespannungen darin und schließlich zur Ablösung führen könnte, zu vermeiden. Der Schrumpfprozeß, d.h. das Zusammenfügen des kalten PTFE-Körpers und des warmen Metallkörpers, sollte zweckmäßigerweise so erfolgen, daß bei dem nach dem Zusammenfügen erfolgenden Erwärmen und Ausdehnen des PTFE-Körpers bzw. Abkühlen und Kontrahieren des Metall­ körpers der anfängliche, vollfläche Pressungskontakt zwischen den zu verbindenden Oberflächen dieser Körper stattfindet, während sich der Haftvermittler infolge der zuvor angehobenen Temperatur des Metallkörpers noch mindestens auf Binde­ temperatur befindet. Der Schrumpf-. und der Bindeprozeß werden dadurch zu einem einheitlichen Prozeß zusammengefaßt. Statt dessen ist es auch denkbar, den Bindeprozeß von dem Schrumpf­ prozeß zu trennen, indem zunächst die Teile zusammengefügt werden und ohne Erreichen der Bindetemperatur im Haftver­ mittler auf Schrumpfpressung gebracht werden und erst an­ schließend die Bindezone vom Metallkörper her möglichst schockartig auf die Bindetemperatur erhitzt wird. Unter Bindetemperatur ist dabei diejenige Temperatur zu verstehen, bei welcher die Bindewirkung des Haftvermittlers aktiviert wird. Es handelt sich dabei im allgemeinen um seine Schmelz­ temperatur.

Unter dem Merkmal, daß der PTFE-Körper dickwandig ist, ist im Zusammenhang mit dem Schrumpfprozeß zu verstehen, daß seine Querschnittsmaße so groß sind, daß er bei dem Schrumpfprozeß hinreichende Pressung zwischen den zu verbindenden Oberflächen aufgrund der unterschiedlichen Dehnungsvorgänge im PTFE-Körper und im Metallkörper zu entwickeln vermag. Es soll in diesem Zusammenhang nicht ausgeschlossen werden, daß diese Wirkung durch zusätzliche Stützmittel, beispielsweise einen im hohlen PTFE-Körper wirkenden Überdruck, unterstützt wird.

Beispiel

Es wird ein hohlzylindrischer PTFE-Körper von 67,2 mm Außendurchmesser, 34 mm Innendurchmesser und 120 mm Länge in üblicher Weise frei gesintert hergestellt. Er ist im wesent­ lichen spannungsfrei. Das Material kann reines PTFE sei. Es kann auch mit anderen chemischen Zusätzen modifiziert sein sowie Füllstoffe (beispielsweise Graphit oder Bronze-Pulver) enthalten.

Die äußere Zylinderfläche des PTFE-Körpers wird mit PFA beschichtet, wobei die Schichtdicke in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 mm liegt.

Als Metallkörper wird ein Edelstahl-Rohrstück von 67,0 mm Innendurchmesser und 3 mm Wanddicke sowie 120 mm Länge verwendet, das nach üblicher Oberflächevorbehandlung vor­ zugsweise gleichfalls und in gleicher Weise mit PFA be­ schichtet wird.

Der PTFE-Körper wird auf minus 35°C abgekühlt. Der Metall­ körper wird derart aufgeheizt, daß er auf der gesamten Innen­ fläche gleichmäßig eine Temperatur von etwa 390°C aufweist. Bei dieser Temperatur ist die PFA-Beschichtung flüssig. Bei diesen Temperaturverhältnissen ist der Außendurchmesser des PTFE-Körpers geringer als der Innendurchmesser des Metall­ körpers.

Der PTFE-Körper wird in den Metallkörper eingebracht und darin gehalten, wobei die Enden zur Vermeidung ungleichmäßigen Wärmeverlustes abgedeckt sind.

Nach einigen Minuten liegt die Außenfläche des PTFE-Körpers spielfrei an der Innenfläche des Rohrs an. Die PFA- Beschichtungen der beiden Flächen haben sich im schmelz­ flüssigen Zustand miteinander verbunden. Nur eine dünne Oberflächenschicht des PTFE-Körpers, deren Dicke in der Größenordnung von 0,5 mm liegt, hat sich auf eine Temperatur oberhalb des Kristallitschmelzpunkts erwärmt, was durch die glasige Erscheinung dieser Schicht erkennbar ist. Die jeweils zweckmäßige Dauer der Wärmeeinwirkung auf den PTFE-Körper hängt von dessen Wärmeleitfähigkeit und daher vom Füllstoff ab. Bei bronzegefülltem Material beträgt die Zeit bis zu etwa 7 Minuten, bei graphitgefülltem Material liegt sie in der Größenordnung von 5 Minuten.

Nach dieser Zeit, wenn der beschriebene Zustand erreicht ist, werden die miteinander verbundenen Körper in Wasser abge­ schreckt, so daß dieser Zustand eingefroren wird.

Das Produkt zeigt eine sehr feste und völlig fehlstellenfreie Verbindung zwischen dem PTFE-Körper und dem Metallkörper.

Von dem verbundenen Rohrstück wurden Dichtringe abgedreht, die aus einem Abschnitt des Rohrs als Käfig und einem fest darin gehaltenen PTFE-Teil als Lippenring bestehen.

In gleicher bzw. analoger Weise lassen sich Lagerringe, vakuumfeste Rohrauskleidungen etc. herstellen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Verbinden der Oberfläche eines Polytetra­ fluoräthylen-Körpers mit der Oberfläche eines Metall­ körpers unter Verwendung eines Haftvermittlers durch Zusammenpressen der Oberflächen bei einer die Schmelz­ temperatur des Haftvermittlers und den Kristallit­ schmelzpunkt des Polytetrafluoräthylens übersteigenden Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen den Metallkörper gepreßte Oberfläche des auf einer unterhalb des Kristallitschmelzpunkts liegenden Ausgangstemperatur befindlichen Polytetrafluoräthylen-Körpers von dem Metallkörper her so rasch erhitzt und anschließend ggf. gekühlt wird, daß nur eine im Verhältnis zur Gesamtdicke des Polytetrafluoräthylen-Körpers dünne Oberflächen­ schicht des Polytetrafluoräthylen-Körpers auf eine den Kristallitschmelzpunkt übersteigende Temperatur gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pressung dadurch erzeugt wird, daß der ein Übermaß gegenüber dem ihn umschließenden Metallkörper aufweisende Polytetrafluoräthylen-Körper mit niedriger Temperatur in den warmen Metallkörper eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper beim Zusammenbringen mit dem Polytetra­ fluoräthylen-Körper eine oberhalb des Schmelzpunkts des Haftvermittlers liegende Anfangstemperatur aufweist.

4. Verfahren zum Verbinden der Oberfläche eines massiven oder dickwandigen Polytetrafluoräthylen-Körpers mit der Oberfläche eines ihn umgebenden Metallkörpers unter Verwendung eines Haftvermittlers durch Zusammenpressen der Oberflächen bei einer die Bindetemperatur des Haft­ vermittlers übersteigenden Temperatur, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ein Übermaß gegenüber dem Metallkörper aufweisende Polytetrafluoräthylen-Körper mit niedriger Temperatur in den warmen Metallkörper eingebracht und die Pressung durch Erwärmungsdehnung und/oder Abkühlungs­ kontraktion des Metallkörpers aufgebracht wird, wobei die Temperatur des Metallkörpers so hoch gewählt wird, daß der Haftvermittler zumindest beim anfänglichen Pressungs­ kontakt mindestens auf seine Bindetemperatur gelangt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeinhalt des Metallkörpers mindestens so groß ist wie die zum Erhitzen der dünnen Oberflächenschicht des Polytetrafluoräthylen-Körpers sowie ggf. des Haftvermittlers erforderliche Wärmemenge.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper anschließend abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper und der Poly­ tetrafluoräthylen-Körper zylindrisch sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polytetrafluoräthylen-Körper dickwandig hohl­ zylindrisch ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstemperatur des Poly­ tetrafluoräthylen-Körpers bei Umgebungstemperatur liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstemperatur des Polytetrafluoräthylen-Körpers unter 0°C liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung von Käfigringen, bestehend aus einem Polytetrafluoräthylen-Ring in einem damit verbundenen Metallkäfig, insbesondere als Dicht-, Abstreif- oder Lagerring verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling, bestehend aus einem Metallrohr und einem darin enthaltenen und damit verbundenen Polytetra­ fluoräthylen-Körper hergestellt wird und von diesem ein oder mehrere Käfigringe spanhebend abgenommen werden.

13. Produkt, umfassend einen Metallkörper und einen damit ggf. unter Einschluß eines Haftvermittlers haft­ verbundenen Polytetrafluoräthylen-Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der Polytetrafluoräthylen-Körper in einer gleiche Zusammensetzung aufweisenden, dünnen, dem Metallkörper benachbarten Oberflächenschicht einen abweichenden Kristallisationszustand aufweist.

14. Produkt, umfassend einen Metallkörper und einen damit ggf. unter Einschluß eines Haftvermittlers haftver­ bundenen Polytetrafluoräthylen-Körper, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der im wesentlichen spannungsfreie Polytetrafluoräthylen-Körper eine dem Metallkörper zugewandte Oberflächenschicht abweichenden Spannungs­ zustands aufweist.

15. Produkt nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Käfigring ist, insbesondere ein Dicht-, Abstreif- oder Lagerring.