DE69907828T2 - Verfahren und Verwendung von Thermospritzmasken mit einem duroplastischen Epoxid-Überzug - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft die Technologie des thermischen Sprühens von Metallen oder Keramiken, und spezieller die Technologie der Bereitstellung einer preisgünstigen, flexiblen, selbstnivellierenden, selbsthaftenden Beschichtung auf Masken, die thermisch gesprühte Partikel ablenken und eine Haftung an der Maske vermeiden wird.
• Thermische Sprühtechniken werden sehr heiße, viskose Partikel (von mehr als 700ºC) auf einer Zieloberfläche ablagern, die gewöhnlich 7,62-30,48 cm (3-12 Zoll) von der Sprühpistolen-Düse entfernt ist. Obwohl Techniken verfügbar sind um den Sprühnebel allgemein als ein konisches Muster zu steuern und zu fokussieren, können derartig gesprühte Muster nicht gesteuert werden um allen Kanten des Ziels zu entsprechen. Dementsprechend muß ein bestimmtes Ausmaß an Überlappung über die genauen Zielkanten hinaus bestehen, um die richtige Schichtstärke, Flächenbegrenzung und physikalischen Charakteristika zu erhalten. Dementsprechend werden Masken verwendet, um an die für eine Beschichtung beabsichtigten Kanten angrenzende Oberflächen abzudecken, um eine Haftung zu verhindern. Masken sind gewöhnlich metallisch, wie etwa polierter rostfreier Stahl, um eine glatte Fläche bereitzustellen die dem hohen Wärmeinhalt der gesprühten Partikel wiederstehen kann. Obgleich eine metallische Maske glatt und hart ist, haftet schließlich etwas Sprühnebel-Ablagerung durch chemische und/oder chemische Aufprallwirkung über eine Dauer des wiederholten Gebrauchs. Wenn die Maske neu ist werden heiße Partikel von ihrer Oberfläche abprallen und von dem Abgasstrom der Sprühkabine mitgerissen werden, um schließlich gesammelt zu werden. Sind die Masken einmal mit einigen haftenden Partikeln kontaminiert, so beginnen sie ihre Fähigkeit zu verlieren Partikel abzulenken oder abzuwerfen, und eine ungewünschte Beschichtung wird sich - ähnlich der Beschichtung im Zielbereich - haftend aufbauen. Derartige Masken müssen dann geschrubbt, geätzt oder nachgeschliffen werden, um für die Wiederverwendung zurückgewonnen zu werden, oder aber verworfen werden.
• Der Anmelder hat verschiedene alternative Schutzbeschichtungen oder -behandlungen auf derartigen Masken ausprobiert, um sie vor dem thermischen Sprühnebel -etwa aus TiN, Hartchrom, Layout-Bläue, Teflon, A2-Werkzeugstahl, Nylonguß und Aluminiumsilikat- Keramik- zu schützen. Als eine Gruppe haben sich derartige Alternativen als unzureichend herausgestellt, entweder weil sie für den Gebrauch zu teuer sind oder weil die schützende Beschichtung zu viskos, zu stark absorbierend oder zu porös ist, um die Partikel des thermischen Sprühnebels abzulenken; oder aber der Schutzfilm rauht die Maskenoberfläche auf, um einen Aufbau der Sprühbeschichtung auf der Maske zu erlauben. Zusätzlich hat der Anmelder temporäre Filme ausprobiert um die Abdeckung zu schützen, wie etwa die Verwendung von glattglänzendem, fiberglasverstärktem Aluminium-Klebeband; derartige Klebebänder haben darin versagt eine Haltbarkeit bereitzustellen, und mußten häufig entfernt und ersetzt werden.
• U.S.-Patent 2,958,609 beschreibt einen Prozeß um Schutzschichten bereitzustellen, welcher die Schritte umfaßt das aus Diphenylolpropan und Epichlorhydrin gebildete Kondensationsprodukt zu pulverisieren, es im kalten Zustand mit einem pulverförmigen Aushärtestoff zu mischen, und die Mischung auf eine freiliegende Oberfläche heißzusprühen, wodurch die Mischung während des Sprühens schmilzt, um eine schnellhärtende Schutzschicht zu bilden. JP59076868 beschreibt eine Maske, welche zum Sprühen von Metall oder Keramiken auf gewünschte Teile eines Werkstücks nützlich ist. Die Maske umfaßt eine Metallplatte die in ein vorherbestimmtes Muster ausgestanzt ist, und die auf der äußeren Oberfläche der Metallplatte gebildet eine Schicht aus Tetrafluorethylen-Harz aufweist.
• In einem ersten Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Maskenvereinigung, indem man (i) ein hitzebeständiges Maskensubstrat bereitstellt, welches eine freiliegende Oberfläche mit einer Oberflächenglätte von kleiner 50,8 um (2000 Mikrozoll) aufweist; (ii) einen organischen duroplastischen Epoxidüberzug gleichmäßig in einer oder mehreren Schichten auf besagte freiliegende Oberfläche aufsprüht, um eine Beschichtung bereitzustellen (z. B. in einer Stärke von gleich oder weniger etwa 0,0127 cm (0,005 Zoll)) die eine durch eine Durchschnittliche Oberflächenmeßgerät-Ablesung (Ra) charakterisierte Glätte von nicht mehr als 1,5 um (Mikrometer) aufweist; wobei diese Beschichtung frei von Poren ist die in der Größe ungefähr 0,0127 cm (0,005 Zoll) übersteigen; und indem man (iii) alles oder einen Teil einer derartigen Beschichtung flammenpoliert, um eine Oberflächenendbearbeitung von ca. 1,0 um (Mikrometer) (Ra) zu erreichen.
• Die verbesserte Maskenvereinigung und das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vereinigung ist nicht nur ökonomisch, sondern wird haltbar sein und der großen Hitze thermischer Sprühpartikel nach Hunderten von unabhängigen Sprühzyklen wiederstehen. Die Maskenvereinigung und das Verfahren der Herstellung der Maskenvereinigung zeigen eine äußere beschichtete Maskenoberfläche die selbstnivellierend, glatt und glänzend ist, und beseitigen während der Nutzungsdauer der Maske praktisch eine Haftung thermisch gesprühter Partikel daran.
• Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
• Abb. 1 eine schematische Illustration verschiedener Typen von metallischen Masken ist, die verwendet werden um elektronische Schaltungen für Kraftfahrzeug-Bauteile zu schaffen; verschiedene Masken sind in getrennter perspektivischer Ansicht gezeigt;
• Abb. 2 eine schematische Illustration der diese Erfindung ausmachenden Prozeßschritte ist, hier wie auf Masken zur Schaffung elektrischer Schaltungen für Kraftfahrzeug-Bauteile angewandt gezeigt;
• Abb. 3 eines schematische Perspektivansicht eines thermischen Sprühapparates ist, der durch eine nach dem Prozeß gemäß dieser Erfindung, erhaltene Maske hindurch ein leitendes Metall auf ein isolierendes Substrat beschichtet; und
• Abb. 4 eine Teil-Aufsicht eines Kraftfahrzeug-Motorblocks ist, dem ein thermisch gesprühter, metallischer Verbund auf die inneren Oberflächen der Zylinderbohrungen aufgebracht wird; wobei der Block durch eine Bodenmaske und eine Kurbelbohrungs-Maske geschützt ist, die jede zuvor mit duroplastischem Epoxid beschichtet wurden.
• Diese Erfindung hat entdeckt daß die meisten thermisch gesprühten Metall- oder Keramikmaterialien (gleich ob durch Oxo-Flamme, Drahtbogen oder Plasmafackel gesprüht) an duroplastischem Epoxidmaterial, das zuvor auf Masken aufgebracht wurde, nicht oder schlecht haften. Überraschend wird die duroplastische Epoxidbeschichtung auf das Auftreffen der thermisch gesprühten Metall- oder Keramiktröpfchen hin nicht geschmolzen. Als eine Folge beseitigen derart beschichtete Masken die Notwendigkeit der Reinigung, während sie eine viel länger Nutzungsdauer bereitstellen. Die Abwesenheit selbst geringfügig haftender metallischer oder keramischer Partikel an den beschichteten Masken beseitigt das Risiko daß solche geringfügig haftende Partikel sich ablösen und die gewünschte Ablagerung von thermisch gesprühten Partikel verunreinigen.
• Masken sind typischerweise harte, glatte Abdeckungen die in vielen Erscheinungsformen auftreten. Abb. 1 veranschaulicht mehrere verschiedene rostfreie Masken 11, 12, 13 die verwendet werden um unterschiedliche Mikroschaltungen für elektrische Kraftfahrzeug- Steuerbauteile zu begrenzen. Kupfer wird durch Öffnungen in den Masken (wie bei 14, 15 und 16 gezeigt) auf ein isoliertes Substrat aufgesprüht. Unglücklicherweise haftet Kupfer gut an der rohen, rostfreien Oberfläche 17 der Maske; wiederholter Gebrauch derartiger unbeschichteter Masken in der Schaffung mehrerer unabhängiger Schaltungen wird in einem schnellen Aufbau von Kupfer auf der freiliegenden Oberfläche der Maske resultieren; was es später abgeschiedenen Kupferpartikel erlaubt abzublättern oder sich abzulösen und eine Verunreinigung der gewünschten Schaltung auf der isolierten Tafel zu verursachen. Abb. 4 veranschaulicht weiter die Verwendung zwei verschiedener Typen von Masken; eine Maske 18 wird benutzt um die ein Ende 20a einer Motor-Zylinderbohrung 20 umgebende Bodenfläche 19 abzudecken, und eine andere Maske 21 wird im Kurbelbohrungs-Bereich 22 in der Form einer bei 23 gewinkelten Röhre verwendet, um mit dem anderen Ende 20b der Zylinderbohrung 20 zusammenzupassen.
• Abb. 2 veranschaulicht die Schritte des die Erfindung verkörpernden Prozesses, wie er auf die Herstellung einer beschichteten Flachmaske 25 angewendet wird, die für das Sprühen einer elektrischen Schaltung auf einer flachen Isoliertafel nützlich ist. Eine Tafel aus rostfreiem Stahl, ausgestanzt mit den gewünschten, das Schaltungsmuster begrenzenden Ausschnittsöffnungen, besitzt eine freiliegende Oberfläche 26, die vorbereitet ist um die Plastikbeschichtung 27 aufzunehmen. Eine derartige Oberfläche kann grundiert oder sandgestrahlt sein, um die Haftung der Beschichtung zu fördern. Die vorbereitete Oberfläche wird mit einem duroplastischen Polymer (Epoxid oder Polyester) 28 besprüht um die Beschichtung 27 zu bilden. Duroplastische Materialien werden, wenn erwärmt, eine chemische Veränderung durchmachen; ihre Moleküle werden sich quervernetzen, um in der erhitzten Beschichtung eine andere Zusammensetzung zu schaffen. Eine bevorzugte Zusammensetzung ist ein - nach Gewicht - zu ungefähr 50% aus Bisphenol A - Harz, ungefähr 11% Isozyanat-Aushärtestoff und restlich im wesentlichen einem Bariumsulfat-Aushärtestoff bestehendes Epoxidpulver. Fließverbesserer, Ruß, Al&sub2;O&sub3; können in sehr geringen Mengen vorliegen, die in ihrer Gesamtheit weniger als 3 Gewichtsprozent ausmachen. Längerkettige Polymere erzielen gesprüht eine glattere Oberflächenendbearbeitung; wie etwa Polyurethan, welches als eine Maskenbeschichtung sogar noch wünschenswerter sein kann. Beispiele geeigneter kommerzieller Duroplast-Epoxide schließen die Handelsnamen DOW 667 und Ferro VE309 ein. Selbsthaftung wird durch Sandstrahlen der aufnehmenden Oberfläche gefordert, und Selbstnivellierung wird wegen der inhärenten Viskosität des geschmolzenen Epoxidpulvers erhalten. Die Teilchengröße des Duroplast-Pulvers beträgt vorteilhaft 50-100 um (Mikron), wobei Feinpartikel auf 0-15% +200 Mesh und 30-40% +325 Mesh beschränkt sind.
• Wie in Abb. 2 gezeigt kann Plastiksprühen durch eine elektrostatische Vorrichtung 29 ausgeführt werden, welche es erfordert daß die kalte, aufgebrachte Beschichtung 27 des Duroplast-Pulvers einer Erhitzung in einem Ofen 30 ausgesetzt wird, um auszuhärten und die notwendige Quervernetzung des Polymers einzuleiten. Die Ofenkammer 31 wird auf ungefähr 190ºC (375ºF) geheizt, und es wird der beschichteten Maske erlaubt darin (auf einer Fördereinrichtung 32) für eine Zeitdauer von ungefähr 8 Minuten zu verbleiben, obwohl das Pulver in 15-40 Sekunden gelieren wird.
• Ein stärker bevorzugter Modus des Sprühens ist es eine Flammen-Sprühpistole zu verwenden, welche das duroplastische Epoxid-Pulver als Teil des Abscheidungsprozesses inhärent einer quervemetzenden Erhitzung aussetzt und damit eine separate Erhitzung vermeidet. Die Flammen-Sprühpistole kann vom Oxo-Kraftstoff-Typ sein, wo das duroplastische Epoxid- Pulver durch verdichtete Luft fluidisiert und in die Flamme der Pistole eingespeist wird. Das Pulver wird bei hoher Geschwindigkeit durch die Flamme des Kraftstoffs - wie etwa Propan - hindurch gerade lang genug eingespritzt um ein vollständiges Schmelzen der Pulverpartikel zu erlauben. Die geschmolzenen Partikel lagern sich in Form hochviskoser Tröpfchen auf der Maske ab, und bilden auf die Verfestigung hin einen glatten, selbstnivellierenden Film. Wie in Abb. 2 gezeigt besitzt die Flammen-Sprühpistole gewöhnlich einen mit Luft, Verbrennungsgas und Pulvermaterial-Versorgungskanälen versorgten Körper.
• Die Beschichtungsqualität kann verbessert werden wenn man verflüssigtes Gas verwendet, indem man die Achse des Verbrennungsgas-Auslaßkanals in einem Winkel von 6-9º zur Achse des Pulverkanals legt, wodurch man eine konvergierende Flamme bildet. Die Mengen an Luft, Verbrennungsgas und Pulvereinspeisung werden durch Regelventile reguliert. Die Luft und das verflüssigte Gas mischen sich in Kammern und bilden ein brennbares Gemisch, das die Mundstück-Düse strömt. Als ein Ergebnis werden die in die Flamme eintretenden Pulverpartikel erhitzt und in einer geschmolzenen Form auf die Maskenoberfläche aufgebracht.
• Die abgelagerte Beschichtungsstärke 33 muß einheitlich sein und darf nicht größer als ungefähr 0,0127 cm (0,005 Zoll) sein, um (i) eine Überhitzung der Beschichtung zu vermeiden wenn flammengesprüht; (ii) ein Aufschmelzen der viskosen Partikel durch später abgeschiedene Partikel zu vermeiden, was Uneinheitlichkeiten verursacht; und um (iii) die Öffnung von Poren in der Ablagerung zu vermeiden. Speziell bei nicht flachen Masken, wie etwa Schalen, Konusformen oder Röhren, muß die Beschichtungsstärke 33 der Maskenoberfläche 26 gleichmäßig folgen und in dem geforderten Dickenbereich liegen. Die Oberflächenrauhigkeit der duroplatischen Plastikbeschichtung liegt im Bereich von 0,16-1,2 um Ra (Mikron). Die Beschichtung 27 besitzt eine Porosität von weniger als 25% und ist in der freiliegenden Oberfläche frei von Poren mit mehr als 0,0127 cm (0,005 Zoll) in der Größe.
• Um eine noch glattere Plastikbeschichtung zu fördern wird, wie in Abb. 2 gezeigt, Flammenpolieren verwendet; eine heiße Verbrennungsflamme 34 wird mit der Beschichtung 27 in Kontakt gebracht und darüber hinweg bewegt, um die äußere Haut der Beschichtung 27 aufzuschmelzen. Es ist kritisch die Verweilzeit der Flamme auf jedem Fleck der Beschichtung auf weniger als 5 Sekunden zu steuern, um eine Überhitzung des duroplastischen Epoxid- Plastiks und ein Verbrennen der Beschichtung zu vermeiden. Geringfügiges Aufschmelzen der Beschichtung während des Flammenpolierens wird in einer auf ungefähr 1,0 um (Mikron) Ra verbesserten Oberflächenglattheit resultieren; was die Fähigkeit der Beschichtung weiter erleichtert, die Haftung jeglicher Metall- oder Keramikpartikel abzuwehren.
• Die mit duroplastischem Plastik beschichteten Masken 25 erreichen im Schutz von thermisch gesprühten Metallen oder Keramiken ausgesetzten Artikeln ein neues Leistungsniveau. Wie in Abb. 3 gezeigt wird ein Verwendungsmodus für die beschichteten Masken veranschaulicht; Kupfer wird bei 39 durch eine mit Duroplast beschichtete Maske 40 auf eine isolierende Schaltungstafel 41 aufgesprüht. Die überhitzten, viskosen Kupferpartikel 42, ausgesandt von der auf einem Roboter 45 getragenen Sprühpistole 43, werden von der duroplastischen Plastikbeschichtung abprallen um in einem Abgasstrom 44 (in der Sprühkammer 46 geschaffen) für Sammlung und Wiederverwendung mitgerissen zu werden. Die Temperatur der Metall- oder Keramikpartikel liegt, wenn sie die Maske oder eine zuvor abgelagerte Duroplast-Beschichtung treffen, im Bereich von 875-1200ºC. Ausgedehnte Erprobungen der durch den Prozeß gemäß dieser Erfindung erhaltenen, beschichteten Masken haben mehreren hundert thermischen Sprühzyklen mit geringem oder keinem Zeichen irgendeiner Haftung von Metall- oder Keramikpartikeln daran wiederstanden. Am wichtigsten ist daß es kein Zeichen eines Aufbaus von Metall- oder Keramikpartikeln gibt, welche später von der Maske abgezogen oder abgelöst werden können, um den nützlichen, thermisch gesprühten Artikel zu verunreinigen.
• Thermisches Sprühen von Metallen oder Keramiken auf solche geschützte Masken kann die Verwendung verschiedener Arten von Pistolen beinhalten (Pulver-Plasma, Einzel- oder Doppeldrahtbogen, Oxo-Kraftstoff oder gar Detonation).
• Mit duroplastischem Epoxid beschichtete Masken wie in Abb. 4 gezeigt werden verwendet um gegen im Drahtbogen gesprühten Stahl zu schützen. Hier wird eine ringförmige Schale oder eine konisch geformte, beschichtete Maske 18 auf der Bodenfläche 19 um den Mund einer Zylinderbohrung 20 eines Kraftfahrzeug-Motorblocks 47 herum plaziert. Eine andere Maske 21, in Form einer gewinkelten Röhre, auf ihrer Innenseite 48 mit duroplastischem Polymer beschichtet, wird am Kurbelgehäuse-Ende 20b der Zylinderbohrung positioniert, um den Kurbelgehäuse-Bereich zu schützen und den Durchfluß von Abgasen 49 von der Pistole zu erlauben; um von der Plastikbeschichtung der Maske abprallende, lose Stahlpartikel mitzureißen und fortzutragen.
• Nachdem sich die beschichteten Masken an Ort und Stelle befinden, wie in Abb. 4 gezeigt, wird eine um eine Längsachse 51 drehende thermische Sprühpistole 50 innerhalb und entlang der Länge der Zylinderbohrung bewegt. Mehrere unterschiedliche Beschichtungen können durch thermisches Spritzen auf die Innenseite der Bohrungen aufgebracht werden; wie etwa eine aus Nickel-Aluminium bestehende anfängliche Haftbeschichtung, und dann nachfolgend eine Deckschicht, welche hauptsächlich aus Stahl besteht. Die in der Illustration von Abb. 4 speziell verwendete Pistole ist ein plasmaübertragener Drahtbogen-Sprühtyp, in dem ein Bogen zuerst zwischen einer Kathode und ihrer Düse geschaffen wird; nachdem als Ergebnis von durch einen solchen Bogen hindurchströmenden Gases ein Plasma geschaffen ist werden das Plasma und der Bogen auf die als Sekundäranode wirkende Drahtspitze außerhalb der Düse übertragen, was bewirkt daß das Plasma erweitert wird und eine Heiztemperatur von mindestens 5500ºC besitzt. Durch ein solches übertragenes Bogenplasma hindurchgeführter Stahl wird auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt, was bewirkt daß die verflüssigten Partikel mit einer Temperatur von mindestens 900ºC auf die Maske auftreffen.
• Der Sprühnebel von einer derartigen Pistole mit plasmaübertragenem Drahtbogen wird selbst nach Hunderten von Durchgängen mit Stahl-Sprühpartikeln nicht an der duroplastischen Epoxid-Beschichtung auf der oberen Bodenmaske 18 haften. Dies ist besonders wichtig weil die obere Bodenmaske 18 wegen ihrer schalenförmigen Konfiguration bestimmte vertikal ausgerichtete Kanten 52 besitzt, welche normalerweise - wenn unbeschichtet - dazu neigen eine Haftung von Partikeln zuzulassen.
• Die gewinkelte Rohrmaske 21 nimmt Partikel bei einer geringfügig niedrigeren Temperatur als die Bodenmaske auf, muß aber ein größeres Volumen gesprühter Partikel ablenken, welche in dem Gasstrom dort hindurch mitgerissen werden.
• Die mit duroplastischem Plastik beschichteten Masken können für eine Vielzahl von anderen Anwendungen als der für Masken für elektronische Schaltungen oder Motor-Zylinderblöcke benutzt werden; derartige andere Verwendungen können Lichtmaschinen-Masken, Getriebeplatten oder Siliziumbronze-Saumfüllungen einschließen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer Maskenvereinigung, das folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellung eines hitzebeständlichen Maskensubstrates (25) welches eine ausgestellte Oberfläche (26) mit einer Glätte, die kleiner als 50,8 um (2000 Mikrozoll) ist, aufweist;

b) gleichmässiges Aufsprühen eines organischen duroplastischen Epoxidbezugs (27) auf die besagte Oberfläche (26) in einer oder mehreren Schichten um eine Schicht bereitzustellen, die eine Glätte (Ra) aufweist, die kleiner als 1,5 um (Mikron) und frei von Poren ist, welche eine Grosse von ca. 0,0127 cm (0,005 Zoll) überschreiten; und

c) Flammenpolieren eines Teiles oder des gesamten Bezugs (27) um eine Oberflächenendbearbeitung von ca. 1,0 um (Mikron) (Ra) zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der organische duroplastische Bezug Epoxid oder Polyester beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem das besagte Epoxid gewichtsmässig ungefähr 50% Bisphenol A, ungefähr 11% Isozyanat Aushärtestoff und restlich im wesentlichen ein Füllstoff beinhaltet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem Schritt

b) ausgeführt wird um einen Bezug bereitzustellen dessen Dicke kleiner oder gleich 0,0127 cm (0,005 Zoll) ist.