DE102007013271A1

DE102007013271A1 - Metallhülse für eine Heizwalze, elektrochemisches Bad und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102007013271A1
Application number: DE102007013271A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Zschage; Wolf Börner
Original assignee: SAXON SCREENS ROTATIONSSCHABLO; SAXON SCREENS ROTATIONSSCHABLONEN GmbH
Current assignee: SAECHSISCHE WALZENGRAVUR GMBH, 09669 FRANKENBE, DE
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft Metallhülsen für Heizwalzen, bestehend aus einer Nickellegierung, elektrochemische Bäder und Verfahren zur Herstellung von Metallhülsen für Heizwalzen. Die Metallhülsen zeichnen sich insbesondere durch ihre Wärmebeständigkeit bei einfacher Herstellbarkeit aus. Dazu besteht die Metallhülse aus einer durch das Einwirken von Ultraschall auf einem Grundkörper abgeschiedenen und davon gelösten Nickellegierung mit 95-98% Nickel und 1-4,9 Kobalt. Dabei unterstützt der Ultraschall das überwiegend kolumnare Nickelwachstum. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Nickellegierung mit einem Kobaltanteil von unter 5% günstige mechanische Eigenschaften besitzt. Weiterhin lässt sich eine derartige Metallhülse als sogenannter Sleeve ökonomisch vorteilhaft realisieren. Heizwalzen werden unter anderem in bekannten Druckern und Kopierern eingesetzt, wobei das auf das Papier elektrostatisch aufgebrachte Pulver fixiert wird. Die dafür notwendige Temperatur beträgt 150-200°C. Vorteilhafterweise werden die Heizwalzen mit einer Metallhülse, ein sogenannter Sleeve, versehen, die induktiv erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Metallhülsen für Heizwalzen bestehend aus einer Nickellegierung, elektrochemische Bäder und Verfahren zur Herstellung von Metallhülsen für Heizwalzen.
Heizwalzen werden auch als Drucker-Fixiereinheit eingesetzt. Dabei wird das Druckbild im letzten Schritt fixiert, dass heißt üblicherweise durch zwei dieser walzen geführt, wodurch die Tonerteilchen schmelzen und sich fest mit dem Bedruckstoff verbinden. Den Fixierwalzen kommt eine große Bedeutung für die letztendlich erreichte Druckqualität zu, was insbesondere die Anforderungen an eine homogene Temperatur- und Druckverteilung und Oberflächenqualität erhöht. Die Fixierwalzen sind aufgrund der relativ hohen physikalischen und chemischen Belastung ihrer beschichteten Oberfläche einem starken Verschleiß ausgesetzt, so dass von der massiven Walzenkonstruktion auf den Einsatz von Metallhülsen, sogenannten Sleeve-Systemen, übergegangen wurde.
Bekannte Systeme verwenden Sleeves aus Polyimid, die auf einer Stahlwalze aufgebracht sind. Sleeves aus Polyimid besitzen die Vorteile einer einfachen Betriebsführung im Fertigungsprozess und einer hohen Formbeständigkeit bei dauerhaft hohen Betriebstemperaturen. Demgegenüber stehen jedoch erhebliche Nachteile, die sich insbesondere in der geringen Wärmeleitfähigkeit und somit erheblich längeren Auheizzeiten auf eine Betriebstemperatur von 190–200°C bedingen. So werden bei Polyimid auch unter Einsatz von Zusätzen eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 0,2–0,4 W/mK (zum Beispiel Nickel 85 W/mK) erreicht. Deshalb ist bei Minimierung der Anlaufzeiten ein Standby-Betrieb vorzusehen, in dem die Fixierwalzen durchgängig auf 140°C temperiert werden. Der damit verbundene Energiebedarf ist nicht unerheblich und ist aus ökologischer Sicht eigentlich inakzeptabel.
Alternativ bekannte Sleeves aus Stahl bieten den Vorteil, dass diese induktiv erwärmt werden können. Demgegenüber steht aber ein aufwändiges Herstellungsverfahren, um die geforderten geometrischen Dimensionen und erforderlichen Oberflächenqualitäten zu erreichen. Das wird in mehreren Tiefzieh- und Walzvorgängen erreicht. Nachteilig sind die hohen Kosten der dafür notwendigen Formen. Ein weiterer Nachteil ist die sehr große Festigkeit der Stahlzylinder, die im Druckprozess nur bis zu einem gewissen Grad gewünscht ist, da sie druckbedingte Verformungen und somit die Kontaktspaltbreite zum Papier minimiert. Dies erfordert wiederum höhere Temperaturen oder geringere Geschwindigkeiten in der Fixiereinheit. Durch die EP 1 580 620 A1 ist eine Metallhülse bekannt, die aus Nickel mit einem Metallanteil von größer 5% besteht.
Der in den Patentansprüchen 1, 5 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wärmebeständige Metallhülsen für Heizwalzen einfach herzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 5 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Metallhülsen für Heizwalzen bestehend aus einer Nickellegierung zeichnen sich insbesondere durch ihre Wärmebeständigkeit bei einfacher Herstellbarkeit aus.
Dazu besteht die Metallhülse aus einer durch das Einwirken von Ultraschall auf einem Grundkörper abgeschiedenen und davon gelösten Nickellegierung mit 95–98% Nickel und 1–4,9% Kobalt. Dabei unterstützt der Ultraschall das überwiegend kolumnare Nickelwachstum.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Nickellegierung mit einem Kobaltanteil von unter 5% günstiger mechanische Eigenschaften besitzt. Weiterhin lässt sich eine derartige Metallhülse als sogenannter Sleeve ökonomisch vorteilhaft realisieren.
Heizwalzen werden unter anderem in bekannten Druckern und Kopierern eingesetzt, wobei das auf das Papier elektrostatisch aufgebrachte Pulver fixiert wird. Die dafür notwendige Temperatur beträgt 150–200°C.
Vorteilhafterweise werden die Heizwalzen mit einer Metallhülse, ein sogenannter Sleeve, versehen, die induktiv erwärmt wird. Die für das Fixieren des Pulvers notwendige Temperatur wird damit nur durch diese Metallhülse erzeugt. Damit muss nicht der gesamte Walzenkörper die erforderliche Temperatur aufweisen. Die Aufwärmzeit verringert sich wesentlich. Das gleiche gilt für den Standby-Betrieb, der gegengebenfalls nicht notwendig ist. Der Energieverbrauch verkleinert sich wesentlich.
Die Metallhülsen werden in einem elektrochemischen Verfahren hergestellt. Dazu wird auf einem aus Stahl bestehenden Grundkörper mit einer hartverchromten Schicht in einem Bad bestehend aus 280–320 g/l Nickelsulfat, 2,5–5 g/l Kobaltsulfat, 25–30 g/l Borsäure und 0,3–0,5 g/l Sacchachin mit einer Badtemperatur von 48–52°C und einem ph-Wert von 4,3–4,5 eine Schicht aus einer Nickellegierung mit 95–98% Nickel und 1–4,9% Kobalt als Metallhülse elektrochemisch abgeschieden. Im Bad ist eine Stromdichte von 4–8 A/dm³ vorhanden. Der Grundkörper rotiert weiterhin mit einer Drehzahl 1–10 U/min.
Darüber hinaus befindet sich im oder am Bad eine ultraschallerzeugende Einrichtung, so dass der Ultraschall vorteilhafterweise das überwiegend kolumnare Nickelwachstum unterstützt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 und 6 bis 8 angegeben.
Vorteilhafterweise enthält die Nickellegierung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 0,05–0,3% Zirkonium, wobei der Kobalt- und Zirkoniumanteil zusammen 1–4,9% beträgt.
Die Metallhülse besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Nickelhärte von 450–500 HV und einen E-Modul von 1350–1450 N/mm².
Die Dicke der Wandung der Metallhülse beträgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 40–60 μm.
Das Bad besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 vorteilhafterweise eine Badtemperatur von 48–52°C und einen pH-Wert von 4,3–4,5.
Im Bad ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine Stromdichte von 4–8 A/dm³ vorhanden.
Der Grundkörper ist im Bad nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einem rotatorischen Antrieb gekoppelt, wobei die Drehzahl 1–10 U/min ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden eine Metallhülse für eine Heizwalze, ein elektrochemisches Bad und ein Verfahren zu deren Herstellung zusammen näher erläutert.
Eine Metallhülse für eine Heizwalze wird elektrochemisch in einem Bad bestehend aus 280–320 g/l Nickelsulfat, 2,5–5 g/l Kobaltsulfat, 25–30 g/l Borsäure und 0,3–0,5 g/l Sacchachin mit einer Badtemperatur von 48–52°C, einem ph-Wert von 4,3–4,5 und bei einer Stromdichte von 4–8 A/dm³ hergestellt.
Der Grundkörper im Bad ist mit einem rotatorischen Antrieb gekoppelt, wobei die Drehzahl 1–10 U/min beträgt.
Dabei wird auf einem aus Stahl bestehenden Grundkörper mit einer hartverchromten Schicht eine Schicht bestehend aus einer Nickellegierung mit 95–98% Nickel und 1–4,9% Kobalt elektrochemisch abgeschieden. Die Schicht verbindet sich nicht mit dem Grundkörper und wird als Metallhülse abgezogen. Diese besitzt eine Nickelhärte von 450–500 HV und einen E-Modul von 1350–1450 N/mm². Die Dicke der Wandung der Metallhülse beträgt dabei 40–60 μm.
Im oder am Bad ist eine ultraschallerzeugende Einrichtung angeordnet, so dass der Ultraschall das überwiegend kolumnare Nickelwachstum unterstützt.
In einer Ausführungsform des Ausführungsbeispiels kann die Nickellegierung 0,05–0,3% Zirkonium enthalten, wobei der Kobalt- und Zirkoniumanteil zusammen 1–4,9% beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1580620 A1 [0004]

Claims

Metallhülse für eine Heizwalze bestehend aus einer Nickellegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse aus einer durch das Einwirken von Ultraschall auf einem Grundkörper abgeschiedenen und davon gelösten Nickellegierung mit 95–98% Nickel und 1–4,9% Kobalt besteht, wobei der Ultraschall das überwiegend kolumnare Nickelwachstum unterstützt.
Metallhülse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickellegierung 0,05–0,3% Zirkonium enthält, wobei der Kobalt- und Zirkoniumanteil zusammen 1–4,9% beträgt.
Metallhülse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse eine Nickelhärte von 450–500 HV und einen E-Modul von 1350–1450 N/mm² besitzt.
Metallhülse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandung der Metallhülse 40–60 μm beträgt.
Elektrochemisches Bad zur Herstellung einer Metallhülse für eine Heizwalze nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ein aus 280–320 g/l Nickelsulfat, 2,5–5 g/l Kobaltsulfat, 25–30 g/l Borsäure und 0,3–0,5 g/l Sacchachin bestehendes Bad mit einem aus einem Stahl mit einer hartverchromten Oberfläche bestehenden Grundkörper und einer daran oder darin angeordneten ultraschallerzeugenden Einrichtung ist, so dass der Ultraschall das überwiegend kolumnare Nickelwachstum unterstützt.
Elektrochemisches Bad nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bad eine Badtemperatur von 48–52°C und einen pH-Wert von 4,3–4,5 besitzt.
Elektrochemisches Bad nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bad eine Stromdichte von 4–8 A/dm³ vorhanden ist.
Elektrochemisches Bad nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper im Bad mit einem rotatorischen Antrieb gekoppelt ist, wobei die Drehzahl 1–10 U/min ist.
Verfahren zur Herstellung einer Metallhülse für eine Heizwalze nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem aus Stahl bestehenden Grundkörper mit einer hartverchromten Schicht in einem Bad bestehend aus 280–320 g/l Nickelsulfat, 2,5–5 g/l Kobaltsulfat, 25–30 g/l Borsäure und 0,3–0,5 g/l Sacchachin mit einer Badtemperatur von 48–52°C und einem ph-Wert von 4,3–4,5 eine Schicht aus einer Nickellegierung mit 95–98% Nickel und 1–4,9% Kobalt als Metallhülse elektrochemisch abgeschieden wird, wobei im Bad eine Stromdichte von 4–8 A/dm³ vorhanden ist und der Grundkörper mit einer Drehzahl 1–10 U/min rotiert und im oder am Bad eine ultraschallerzeugende Einrichtung so angeordnet ist, dass der Ultraschall das kolumnare Nickelwachstum unterstützt.