DE10337463B4 - Verfahren zur Herstellung von verschleißresistenten Werkzeugen für die mechanische Behandlung von Zellstofffasern und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von verschleißresistenten Werkzeugen für die mechanische Behandlung von Zellstofffasern, bei dem mittels eines plasmagestützten Verfahrens Fremdionen zumindest in einen Teil der Oberfläche der Garnitur eingelagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Werkzeuges vor dem Einlagern der Fremdionen durch Legierungszusätze so verändert wird, dass zumindest im Bereich des Eindringens der Fremdionen eine gezielte Veränderung der molekularen Struktur vorgenommen wird und dadurch bedingt anschließend mit einer Eindringtiefe von mindestens 600 μm, vorzugsweise von mindestens 1000 μm, eingelagert wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei der Aufbereitung von Zellstoff- oder Papierfasern werden Werkzeuge der oben genannten Art an verschiedenen Stellen eingesetzt. Durch Kontakt mit den wässrig suspendierten Fasern und insbesondere mit den Begleitstoffen, wie mineralischen Füllstoffen und Schmutzpartikeln, tritt an den Werkzeugen ein beträchtlicher Abrieb auf. Bei den Werkzeugen handelt es sich z.B. um Mahlgarnituren, Dispergergarnituren, Auflöserotoren, Sortiererrotoren oder Siebe.
• Es ist z.B. aus der DE 100 32 399 A1 bekannt, die Mahlwerkzeuge von sogenannten Refinern, die in der Papierindustrie zur Fasermahlung eingesetzt werden, durch ein Verfahren dieser Art vor Verschleiß zu schützen. Es liegt in der Natur solcher Mahlwerkzeuge, dass sie einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt sind und da das seit langem bekannt ist, dass die Erzeugung verschleißfester Oberflächen solche Mahlwerkzeuge bereits das Ziel von entsprechenden Entwicklungsarbeiten war. Da z.B, auch das Härten von aus Stahl gefertigten Garnituren nicht immer ausreichend war, wurde das eingangs erwähnte Verfahren eingeführt, bei dem in die Oberfläche des Mahlwerkzeugs mit Hilfe eines Plasma Fremdionen bis zu einer Tiefe von 500 μm eingelagert wurden. Die Fremdionen-Anlagerung erfolgt durch beschleunigte Ionen mit definierter Energie. Die zu implantierenden Fremdionen werden in einem reaktionsfähigen Plasma in die Werkstoffoberfläche eingeschossen. Die Anzahl der implantierten Fremdionen und deren Eindringtiefe ist dabei durch entsprechende Konzentration der Fremdionen variabel, d. h. die Anzahl der implantierten Fremdionen und deren Eindringtiefe ist exakt festlegbar. In der Praxis kann dazu ein Plasmaofen verwendet werden, bei dem ein Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. Die in die Oberfläche eindringenden Fremdionen erzeugen dort einen Zustand, der die Festigkeit und Härte der Metallstruktur beträchtlich erhöht, was zu einem starken Anstieg der Verschleißresistenz führt. Im selben Arbeitsgang kann, in der Oberfläche des Eisenteiles zusätzlich eine Hartstoffschicht gebildet werden, die den Verschleißschutz weiter verbessert. Die Abmessungen des Werkstückes werden durch das Implantieren praktisch nicht verändert, so dass ein Nacharbeiten der gehärteten Flächen zumeist entfallen kann.
• In der DE 28 04 605 A1 wird ein älteres Verfahren beschrieben, das auch zur Ionenimplantation führen kann.
• Aus der DE 198 20 152 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem auf aus nicht rostendem Stahl bestehenden Bauteilen durch Plasmanitrieren eine stickstoffhaltige Randschicht hergestellt wird, deren Dicke etwa 500 μm beträgt.
• Auch die US 6,086,726 befasst sich mit einem Implantationsverfahren zur Behandlung der Oberfläche von Metallteilen. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine sehr dünne Schicht auf dem Werkstück gebildet, die dann mit einem Ionenstrahl bearbeitet wird. Trotz der Verwendung eines Ionenstrahles und weiterer unterstützender Maßnahmen wird jedoch nur eine relativ geringe Eindringtiefe erreicht.
• Obwohl die im Stand der Technik bekannten Verfahren durchaus einen positiven Schritt zur Lösung des Verschleißproblems darstellen, besteht nach wie vor der Wunsch, die Verschleißfestigkeit weiter zu erhöhen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der o.g. Art zu schaffen, mit dem ohne technische Nachteile und ohne beträchtlichen Mehraufwand der Verschleißwiderstand der Werkzeuge für die mechanische Behandlung von Zellstofffasern weiter erhöht wird.
• Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen in Kombination mit denen, des Oberbegriffs gelöst.
• Die bei Durchführung des Verfahrens geänderte Metallstruktur des Werkzeuges bietet auch bei längerem Gebrauch einen erhöhten Widerstand gegen Abrieb und Verschleiß. Das ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Eindringtiefe relativ groß ist, was nicht nur zu einer längeren Standzeit des Werkzeuges führt, sondern auch dazu, dass die Form des Werkzeuges über einen längeren Zeitraum weitestgehend unverändert bleibt. Bekanntlich ist gerade bei der mechanischen Behandlung von Zellstofffasern die Form der Werkzeuge von großer Bedeutung, da sie deren Funktion entscheidend beeinflussen. So ist z.B. bei Mahl-, Disperger- oder Entstippergarnituren deren Wirkung auf den Faserstoff entscheidend durch die Kantenform beeinflusst. Insbesondere mit Messern versehene Mahlgarnituren können völlig unterschiedlich wirken, je nach dem, ob die Schnittkante rechtwinkelig oder abgerundet ist.
• Bei der Ionenimplantation werden durch Beschuss von Oberflächen mit energiereichen Ionen chemischer Elemente diese in den Randbereich der Materialien eingelagert. Das lässt sich gemäß folgendem Verfahrensbeispiel vorteilhaft durchführen:
  Zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und einer Elektrode (Target) wird eine frequente Gleichspannung angelegt. Das Werkstück wird vorwiegend als Kathode und das Target vorwiegend als Anode geschaltet. Die Kammer (Retorte), in der das Verfahren ausgeführt werden soll, wird evakuiert, und mit einem reaktionsfähigen Behandlungsgas gefüllt. Bei einem definierten konstanten Unterdruck wird die Gasentladung durch Anlegen einer Basisspannung mit überlagerten hochfrequenten Pulsen eingeleitet. Bei der Gasentladung wird das Behandlungsgas ionisiert, und die entstandenen Ionen werden in Richtung auf die Werkzeugoberfläche einerseits und das Target andererseits beschleunigt. Treffen die Ionen auf die Oberfläche des Werkzeugs auf, wird die Oberfläche durch Abstäuben von Atomen gereinigt, die zugeführten Reaktionsgase zerfallen und kondensieren an der Oberfläche, was zu Metallverbindungen führt. Die Metallverbindungen werden transkristallin in das Gefüge des Werkzeuges implantiert. Das Verfahren wird bei Temperaturen ausgeführt, die weder die Form noch die Metallstruktur des Werkzeuges nachteilig verändern können, z.B. 70°C bis maximal 350°C.
• Mit Hilfe des Verfahrens besteht auch die Möglichkeit, den Verschleißwiderstand der Werkzeuge an verschiedenen Stellen unterschiedlich auszugestalten. Es ist nämlich vorstellbar, dass an bestimmten Stellen des Werkzeuges dieser Verschleißschutz gerade nicht gewünscht wird. So kann es z.B. in dem bereits genannten Fall von Messergarnituren zur Zellstoffmahlung von Vorteil sein, den Verschleißwiderstand der Vorderseite einer Messerleiste größer einzustellen als den der Oberseite. Das lässt sich z.B. dadurch realisieren, dass die Hartstoffschicht nicht oder nur in beträchtlich dünnerer Form auf der Oberseite der Messer erzeugt wird. Auch kann der Vorteil der Implantationsverfahren, nämlich die Steuerung des Ionenflusses mit Hilfe von elektrischen Feldern, zur lokal unterschiedlichen Intensität des Verschleißschutzes genutzt werden. Sollte die Oberseite der Messerleiste ohne zusätzlichen Verschleißschutz bleiben, wäre diese durch eine elektrische Isolierschicht abzudecken.
• Eine wichtige und typische Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, das Werkzeug aus einer Chrom-Nickel-Stahl-Legierung herzustellen mit einer Zugabe von mindestens 1% Mangan, vorzugsweise ca. 1,5%. Eine solche Legierung begünstigt das Eindringen der Fremdionen, d.h. es wird ein Eindringtiefe von 1 bis zu 3 mm erreicht. Außerdem lässt sie sich gut gießen und entwickelt Festigkeiten wie sie für solche Werkzeuge günstig sind.
• Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
• 1 Teil einer erfindungsgemäß hergestellten Mahlgarnitur, geschnitten in perspektivischer Ansicht;
• 2 Detail einer speziellen Mahlgarnitur;
• 3 Detail der Mahlgarnitur aus 2 in gebrauchtem Zustand;
• 4 zwei erfindungsgemäß hergestellte im Disperger in Betriebsposition eingesetzte Dispergergarnituren;
• 5 ähnliche Dispergergarnituren in Aufsicht.
• Die in 1 gezeigte Mahlgarnitur 1 dient der Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern. Sie weist eine größere Anzahl von Mahlleisten 2 auf, die auch als Messer bezeichnet werden. Zwischen diesen befindet sich jeweils eine Nut 3. Eine solche Mahlgarnitur arbeitet mit einer nicht gezeigten Gegengarnitur in an sich bekannter Weise zusammen. Sie besteht überwiegend aus legiertem Stahl und kann mit Vorteil gegossen sein. Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, sind an den vom Faserstoff benetzten Flächen von der Oberfläche her Fremdionen implantiert. Dabei ist eine Eindringtiefe 4 erreicht worden, die größer ist als 0,5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm. Zusätzlich ist eine Hartstoffschicht 5 in die Oberfläche des Werkzeugs eingelagert. Diese ist im Allgemeinen relativ dünn, z.B. 0,1 mm. Sie ist aber nicht unbedingt erforderlich.
• Um die Mahlkantenform der Garnitur auch für eine längere Betriebsdauer zu erhalten, kann es sinnvoll sein, die Oberseite 6 der Mahlleisten 2 weniger vor Verschleiß zu schützen als die Vorderseiten, insbesondere die Schnittkanten 7. Das ist schematisch in 2 dargestellt, gemäß der an der Oberseite 6 keine Ionenimplantation erfolgte und keine Hartstoffschicht 5 erzeugt wurde. Bei Betrieb einer solchen Garnitur wird die Oberseite 6 stärker abgetragen als die Flanken der Mahlleiste 2, so dass die Schnittkante 7 ständig nachgeschärft wird (s. 3).
• 4 zeigt zwei unter Anwendung des Verfahrens hergestellte Dispergergarnituren, die in einem Gehäuse 14 eingebaut sind und in Betriebsposition stehen. Bekanntlich wird das Dispergieren von Zellstofffasern bei relativ hoher Konsistenz (15 bis 30%) durchgeführt, um eine intensive Faser-Faser-Reibung zu erzeugen. Dispergergarnituren sind z.B. aus der DE 100 17 898 A1 bekannt. Wegen der hohen Viskosität des Faserstoffs beim Dispergieren erfolgt die Zuführung durch eine Förderschnecke 16. Dispergergarnituren enthalten eine Vielzahl von in konzentrischen Ringen angeordneten Zähnen, die axial ineinander greifen, ohne sich zu berühren und relativ zu einander bewegt werden. Dabei wird zwischen ihnen ein Abstand von z.B. ca. 1 bis 5 mm eingehalten. Die Relativbewegung erfolgt in der Regel dadurch, dass eine Rotorgarnitur 8 auf einem von einer Welle 15 angetriebenen Rotor 10 bewegt wird, während die Gegengarnitur, eine Statorgarnitur 9 in einem Stator 11 drehfest fixiert ist. Bei der in 4 verwendeten Ansicht ist von jedem der Garniturringe jeweils ein Zahn, und zwar rotorseitig Zähne 12 bzw. 12' bzw. 12'', statorseitig Zähne 13 bzw. 13' bzw. 13'', sichtbar. Angedeutet ist der Verschleißschutz durch gestrichelte Linien für die Eindringtiefe der Ionenimplantation und fette Linien für die Hartstoffschicht. Auch beim Schutz solcher Dispergergarnituren kann das Verfahren mit Vorteil variiert werden, indem der Verschleißschutz nicht auf alle stoffberührten Teile gleichmäßig aufgebracht wird. So sind bei dem hier gezeigten Beispiel lediglich die besonders verschleißgefährdeten Zähne 12' 12'' bzw. 13', 13'', die zu den beiden radial äußeren Zahnreihen gehören, durch das erfindungsgemäße Verfahren gegen Verschleiß besonders geschützt. Selbstverständlich kann aber in anderen Fällen der Verschleißschutz auch auf entsprechend mehr oder weniger Zahnreihen angewendet werden. Hier kann durch einfache Versuche festgestellt werden, bei welcher Anwendung eine bestimmte Ausgestaltung des Verfahrens zweckmäßig und wirtschaftlich ist, was die Auswahl der zu schützenden Oberflächen betrifft.
• Ähnlich wie schon bei den Mahlgarnituren beschrieben, können in speziellen Fällen auch hier z.B. die Oberseiten der Zähne mit einem geringeren Verschleißschutz versehen sein. Dadurch reduziert sich bei längerer Betriebsdauer die Zahnhöhe durch Abrieb. Die für die Funktion wichtigen Abstände der aneinander vorbei bewegten Zahnflanken können dann leichter durch Axialverstellung der Garnituren gegeneinander ausgeglichen werden.
• In 5 sind zwei Dispergergarnituren in Aufsicht dargestellt mit Blickrichtung auf die zum Stator gehörende Gegengarnitur 9. Beide Garnituren weisen je drei mit Zähnen versehene Ringe auf. Von der Rotorgarnitur 8 sind einige Zähne 12, 12', 12'' im Schnitt dargestellt. Aus dispergiertechnologischen Gründen werden Zähne und die dazwischen liegenden Schlitze 17 radial außen zumeist kleiner ausgestaltet als weiter innen. Wegen der Vielzahl von Flächen, die vor Verschleiß zu schützen sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch hier besonders vorteilhaft anzuwenden.
• Ähnliches gilt auch für Entstippergarnituren, die zwar unter ganz anderen Bedingungen eingesetzt werden, aber ähnlich wie Dispergergarnituren aufgebaut sind und ohne gegenseitige Berührung aneinander vorbei bewegt werden. Sie bearbeiten eine pumpfähige Faserstoffsuspension (Konsistenz z.B. 3 bis 6%) derart, dass sich Faseragglomerate, sogenannte Stippen, auflösen. Auch Entstippergarnituren sind beträchtlichem Verschleiß ausgesetzt und können durch das Verfahren wirksam verbessert werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von verschleißresistenten Werkzeugen für die mechanische Behandlung von Zellstofffasern, bei dem mittels eines plasmagestützten Verfahrens Fremdionen zumindest in einen Teil der Oberfläche der Garnitur eingelagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Werkzeuges vor dem Einlagern der Fremdionen durch Legierungszusätze so verändert wird, dass zumindest im Bereich des Eindringens der Fremdionen eine gezielte Veränderung der molekularen Struktur vorgenommen wird und dadurch bedingt anschließend mit einer Eindringtiefe von mindestens 600 μm, vorzugsweise von mindestens 1000 μm, eingelagert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdionen in ein Material, das aus einem Chrom-Nickelstahl mit mindestens 10%, vorzugsweise 15%, Chrom besteht, eingelagert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung, der Gitterstruktur durch Legieren des Materials mit Mangan in einer Konzentration von mindestens 1%, vorzugsweise mindestens 1,5%, vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fremdionen Stickstoff-, Kohlenstoff-, Molybdän-, Titan-, Wolfram-, Vanadium- oder Borionen in das Werkzeug eingelagert werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Hartstoff in die Oberfläche des Werkzeuges eingelagert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff, der eingelagert wird Nitrid, Karbid und/oder Oxid, Karbonitrid und/oder Oxikarbonitrid der Elemente der Gruppen IVb, Vb, VIb des periodischen Systems oder ein Nitrid der Elemente Bor, Aluminium, Silizium, insbesondere ein Nitrid der Elemente Molybdän oder Wolfram oder Titankarbonitrid und/oder Titannitrid aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagern von Fremdionen in das Werkzeug und das zusätzliche Einlagern des Hartstoffs in die Oberfläche des Werkzeuges in einem Arbeitsgang erfolgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug vor dem Implantieren bereits in den endgültigen Abmessungen hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug vor dem Implantieren als Gussteil hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißschutz nicht gleichmäßig an allen bei Gebrauch des Werkzeuges von Zellstofffasern berührten Flächen aufgebracht wird.
11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Herstellung von Mahlgarnituren (1), die Mahlleisten (2) aufweisen und zum Mahlen von wässrig suspendierten Zellstofffasern geeignet sind.
12. Verwendung nach Anspruch 11; dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Mahlleisten (2) weniger intensiv vor Verschleiß geschützt wird als die die Schnittkanten (7) aufweisenden Vorderseiten.
13. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10H zur Herstellung von Dispergergarnituren (8), die zum Dispergieren von wässrig suspendierten Zellstofffasern geeignet sind.
14. Verwendung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10H zur Herstelung von Entstippergarnituren, die zum Entstippen von wässrig suspendierten Zellstofffasern geeignet sind.