DE10222453A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Rakelelementes - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines aus einer Stahllegierung, insbesondere austenitischem Stahl, bestehenden Rakelelementes für Beschichtungseinrichtungen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rakelelement einer Gasplasma gestützten Behandlung unterworfen wird, wobei das Gasplasma Stickstoff- und Kohlenstoffverbindungen sowie mindestens ein Edelgas, vorzugsweise Argon, enthält. Während der Behandlung werden Fremdmetall-Fremdionen, insbesondere Titan und Molybdän, direkt in die Stahloberfläche des Rakelelementes implantiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Rakelelementes, welches aus einer Stahllegierung, insbesondere austenitischem Stahl besteht.
• Derartige Rakelelemente werden in Auftrags- und Dosiersystemen von Vorrichtungen zur Beschichtung von Faserstoffbahnen, insbesondere Bahnen aus Papier oder Karton eingesetzt.
• Diese Vorrichtungen sind Bestandteil von Online- oder Offline-Streichmaschinen zur Herstellung der Faserstoffbahn.
• Die Rakelelemente, welche in Form von Rakelstäben, Rakelleisten oder auch als Rakelklingen eingesetzt werden, dienen dazu das im Überschuss auf ein Übertragungselement oder direkt auf die Materialbahn aufgebrachte flüssige oder pastöse Medium, insbesondere Pigmentstreichfarbe auf das gewünschte Strichgewicht abzurakeln oder es nur zu Vergleichmäßigen.
• Die Rakelelemente weisen heute entsprechend der immer breiter geforderten Maschinen Längen von 10 m und mehr auf.
• Die Rakelstäbe, Rakelleisten oder Rakelklingen besitzen entweder eine glatte Oberfläche (EP 0654643B1) oder eine gerillte profilierte Oberfläche (DE 30 22 955).
• Da die Rakelelemente insbesondere beim Beschichten von abrasiv wirkenden Pigmentstreichfarben und durch die hohe Laufgeschwindigkeit der Bahn besonders stark auf Verschleiß beansprucht werden, werden gegenwärtig diese Elemente aus einem Grundkörper aus Stahl gefertigt und mit einer Hartstoffschicht versehen.
• Es ist bekannt, diese Hartstoffschicht aus Chrom (EP 0454643 B1) oder Keramik (DE 39 37 749 A1) zu fertigen.
• Die Herstellung einer solchen Schicht ist sowohl teuer, als auch sehr zeitaufwendig.
• Außerdem ist die Standzeit solcher Art "gefestigter Rakelelemente" immer noch zu gering. Deshalb wurde in der DE 198 40 951 A1 vorgeschlagen, Rakelstangen die eine genannte Hartstoffschicht aufweisen, einem Ionen-Implatationsverfahren zu unterziehen.
• Durch eine Reaktion des Hartstoffes (des Chromes oder der Keramik) mit in einem Plasma applizierten Ionen, soll die Härte der Rakelstangen erhöht, vor allem aber Risse in der Oberfläche verschlossen werden.
• Aber auch dieses Veredelungsverfahren ist kostenintensiv.
• Des weiteren können produktionstypische Fehler, wie Verchromungsfehler oder Ungleichmäßigkeiten - hauptsächlich bei Keramikbeschichtungen auftreten, wodurch die Rakelstange ihrem eigentlichen Ziel - nämlich die Schaffung einer gleichmäßigen Auftragsschicht über die gesamte Breite und Länge der Faserstoffbahn - nicht mehr gerecht werden kann.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Rakelelemente bereit zu stellen, die eine hohe Standzeit aufweisen und darüber hinaus kostengünstig und umweltschonend herstellbar sind.
• Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruches 1, einem Rakelelement gemäß dem Anspruch 9 sowie einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.
• Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass ein an sich bekanntes Ionen- Implantationsverfahren im Plasma auch bei austenitischen Steilen anwendbar ist und zu einer Vergrößerung der Oberflächenhärte (gemessen nach Vikers) führt.
• Die Rakelelemente zeigen nach der Behandlung eine Oberflächenhärte von 900 bis 1800 HV, vorzugsweise 1000 bis 1200 HV.
• Das ist umso bedeutender, da man wegen der Versprödungsgefahr in Folge der Bildung von Chromkarbid und der interkristallinen-Korrosion chromhaltige austenitische Stähle für nicht oder nur schlecht härtbar hielt. Da eine Härtung immer mit einer Verschlechterung der Korrosionsfertigkeit einher ging. Diese Nachteile werden mit der vorliegenden vermieden.
• Dadurch, dass man die Einlagerung der Fremdionen transkristallin, d. h. im Metallgitter, erfolgen lässt, können diese vorstehend genannten unerwünschten Effekte vermieden werden und ermöglichen erstmals das erfindungsgemäße Veredelungsverfahren.
• Die Hauptvorteile eines derartig behandelten Rakelelementes liegen in den verbesserten technologischen Eigenschaften sowie in dessen erhöhter Standzeit.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen enthalten.
• Nachfolgend sollen Anwendungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben werden.
• Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Rakelstab als Rakelelement.
• Fig. 2 zeigt eine Rakelleiste als Rakelelement.
• Der in Fig. 1 dargestellte zylindrische Rakelstab 1 besteht aus austenitischem Stahl. Sein Durchmesser ist abhängig von der Art des Auftragsmediums, von der Art des zu beschichtenden Materials (Feinpapier, Spezialpapier, Rohkarton usw.) und von der Auftragsdicke (Strichgewicht in Gramm pro Quadratmetern). Der Durchmesser beträgt im allgemeinen 8 mm bis 80 mm. Für eine Behandlung mit dem Ionenlmplantationsverfahren haben sich alle Durchmesser als geeignet erwiesen.
• Je nach Anwendungsfall ist die Mantelfläche 1a glatt ausgebildet oder auch mit Umfangsrillen, die schraubenlinienartig eingebracht sind, versehen. Die genannten Rillen, die in der Figur auch gezeigt sind, dienen der volumetrischen Dosierung des Auftragsmediums. Die Dosiermenge entspricht dabei dem freien Querschnitt der Rillen.
• Auch die in der Fig. 2 dargestellte Rakelleiste besteht wie der Rakelstab 1, aus austenitischem Stahl und kann eine, wie in Fig. 1 beschriebene Oberfläche aufweisen. Im Beispiel ist diese Fläche glatt ausgebildet und mit 1a' bezeichnet. Darüber hinaus weist die Rakelleiste 2 eine scharfe Abrisskante für ein genaues Abrakeln des Mediums auf. Die Abrisskante ist mit 2a bezeichnet.
• Die in Fig. 2 dargestellte und gegen die Materialbahn B angestellte Rakelleiste 2 kann eine ebene, konvexe oder konkav geformte Oberfläche 1a aufweisen. Im Bespiel ist diese konvex geformt. Die Rakelleiste 2 ist an einem nur angedeuteten Tragkörper 3 angeordnet und gegen diesen nachgiebig gestützt. Die Abstützung erfolgt hierbei mit einem Druckschlauch 4.
• Beide gezeigten Rakelelemente 1 und 2 werden mit einem Ionen- Implantationsverfahren behandelt bzw. veredelt.
• Das geschieht derart, dass ihr austenitischer Stahlkörper direkt mit energiereichen Ionen im Gasplasmazustand beschossen wird.
• Das Gasplasma besteht aus Stickstoff und Kohlenstoffverbindungen sowie mindestens einem Edelgas wie Argon oder Helium.
• Als Fremdionen dienen vor allem Titan, aber auch Molybdän, Wolfram, Vanadium, Chrom und Bor-Ionen. Dabei wird eine auf das jeweilige Substrat und den Verwendundungszweck abgestimmte Auswahl an Ionenarten verwendet.
• Der Einschuss der Ionen erfolgt bis in eine Tiefe von bis zu 0,15 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,05 mm.
• Das Behandlungs- bzw. Veredelungsverfahren erfolgt bei Temperaturen von bevorzugt 50-650°C und 70° und 400°C und einer Verweildauer in der Gas- Plasmaphase von bis zu 60 Stunden.
• Die so behandelten Rakelelemente weisen danach eine Oberflächenhärte von 900 bis 1800 HV vorzugsweise 1000 bis 1200 HV auf.
• Die Oberfläche der Rakelelemente 1 und 2 ist dadurch sehr feinkristallin und kann dadurch das Beschichtungsmaterial gleichmäßiger als bisher auf eine Papier- oder Kartonbahn auftragen.
• Die Standzeit der Rakelelemente ist mindestens so gut, wie Rakelelemente aus dem Stand der Technik, die zusätzlich eine Hartstoffschicht auf dem Stahlkörper aufweisen.
• Bevorzugt wird das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren veredelte Rakelelement 1 oder 2, wie bereits erwähnt, in einer Beschichtungsvorrichtung zum ein- oder beidseitigen direkten oder indirekten Auftragen eingesetzt. Das Auftragsmedium wird entweder auf im Übertragungselement, beispielsweise eine Auftragswalze aufgebracht von welcher die Papierbahn als Medium in einem Pressnip abnimmt oder das Medium wird direkt auf die Bahn aufgetragen. Im Anschluss daran wird mit dem Dosier System, welches das Rakelelement enthält, das zuvor im Überschuss aufgetragene Medium auf ein gewünschtes Maß abgerakelt oder die aufgetragene Schicht wird nur vergleichmäßigt. Das Auftragsmedium, insbesondere pigmenthaltiges Medium, zum Streichen oder Pigmentieren der Materialbahn, insbesondere aus Papier oder Karton, kann vor dem Rakeln längere Zeit (bei LDTA, d. h. Long Dwell Time Applicator) als auch nur kurze Zeit (bei SDTA, d. h. Short Dwell . . .) auf die Materialbahn eingewirkt haben.
• Dabei sind als Auftragsverfahren sogenannte Walzenauftragsverfahren als auch Düsenauftragsverfahren (z. B. JetFlow, SpeedFlow usw.) möglich.
• Derartige Auftragsvorrichtungen sind hinreichend bekannt, weshalb auf eine zeichnerische Darstellung hier verzichtet werden soll.
• Es soll noch erwähnt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei der Neuproduktion der Rakelelemente als auch zur Nachbehandlung der Rakelelemente angewendet werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines, aus einer Stahllegierung, insbesondere austenitischem Stahl bestehenden Rakelelementes für Beschichtungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rakelelement einer Gasplasma gestützten Behandlung unterworfen wird, wobei das Gasplasma Stickstoff- und Kohlenstoffverbindungen sowie mindestens ein Edelgas, vorzugsweise Argon enthält und während der Behandlung Fremdmetall-Fremdionen, insbesondere Titan und Molybdän direkt in die Stahloberfläche des Rakelelementes implantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Fremdionen aus Wolfram, Vanadium, Chrom und Bor verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdionen bis zu 0,15 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,05 mm tief in die Oberfläche des Rakelelementes eingebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdionen transkristallin eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Behandlung bis zu 60 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei Temperaturen von bis zu 650°C durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zur Rakelung vorgesehene Arbeits-Bereich des Rakelelementes behandelt wird.

8. Rakelelement für eine Beschichtungsvorrichtung, welches aus einer Stahllegierung, insbesondere austenitischem Stahl besteht, gekennzeichnet durch eine gemäß der Ansprüche 1 bis 8 behandelte Oberfläche, welche eine Härte von 900 bis 1800 HV, vorzugsweise 1000 bis 1200 HV aufweist.

9. Rakellement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine gerillte oder eine glatte Oberfläche aufweist.

10. Rakelelement nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als rotierbarer zylindrischer Rakelstab mit einem Durchmesser von 8 bis 80 mm, insbesondere Durchmesser von 8 bis 50 mm ausgebildet ist.

11. Rakelelement nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als feststehende Rakelleiste ausgebildet ist, wobei die behandelte Rakelfläche eine scharfe Abrisskante aufweist.

12. Vorrichtung zum direkten oder indirekten Auftragen eines flüssigen oder pastösen Mediums auf eine laufende Oberfläche, wobei die laufende Oberfläche bei direktem Auftrag die Oberfläche einer Materialbahn, insbesondere aus Papier oder Karton ist und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselementes, beispielsweise eine Auftragswalze ist, welche das Medium an die Materialbahn abgibt,
umfassend ein Auftrags- und Dosiersystem, das gegen die laufende Oberfläche anstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dosiersystem ein Rakelelement gemäß einer oder mehrere der Ansprüche 8 bis 11 enthält.