DE10354507A1

DE10354507A1 - Beschichtung von mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtungen einer Papiermaschine

Info

Publication number: DE10354507A1
Application number: DE10354507A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dölle
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung einer Papiermaschine, insbesondere eine Walze, ein Zylinder oder ein Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers der Einrichtung eine Beschichtung angeordnet ist und wobei die Beschichtung aus einer Kombination einer strukturierten Trägerschicht und einer von der Trägerschicht aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht besteht. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung einer Papiermaschine vorgesehen, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers der Einrichtung eine Beschichtung angeordnet ist und wobei die Oberfläche des Grundkörpers strukturiert ist und die Beschichtung aus einer von der Oberfläche des Grundkörpers aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht besteht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung einer Papiermaschine, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers der Einrichtung eine Beschichtung angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung.

Bei Papiermaschinen können sich im Herstellungsprozess von Papier, Pappe oder Karton auf der Oberfläche von Walzen oder Zylindern Verunreinigungen ablagern. Die Verunreinigungen können beispielsweise Ablagerungen aus polymerischen Substanzen, Wachsen, chemischen Ausfällungen oder Streichstoffen sein. Die verschmutzten Oberflächen müssen mit Hilfe von entsprechenden Reinigungseinrichtungen gesäubert werden. Dazu werden häufig Schaber eingesetzt, mit denen anhaftende Reste mechanisch von der Walzen- oder Zylinderoberfläche abgelöst werden. So ist aus der Offenlegungsschrift DE 36 41 954 A1 eine Reinigungsvorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen von Walzen oder Zylindern in Papiermaschinen bekannt, mit der ein Reinigungsmedium mit Hilfe einer Sprüheinrichtung oder mit einem Schwamm auf eine Walze aufgetragen wird und mit einem in Rotationsrichtung nachfolgend angeordnetem Schaber oder einer Bürste die Verschmutzung abgezogen wird.

Weiterführende Entwicklungen zielen darauf ab, derartige Verschmutzungen zu verhindern oder zumindest auf ein Maß zu reduzieren, dass die Qualität der hergestellten Produkte nicht beeinträchtigt wird. Dahingehend ist aus der Druckschrift EP 0 341 229 B1 eine Walze mit einer Beschichtung bekannt, die zur Herstellung von Papier verwendet wird und die sich mit einer Papierbahn in direktem Kontakt befindet. Die Beschichtung besteht aus Metall oder einem Keramikmaterial und soll ein leichtes Ablösen der Papierbahn von der Walzenoberfläche gewährleisten. Als Walzenbeschichtung wird eine Mischung aus Wolframkarbid, Wolfram, Chrom, Kobalt und Kohlenstoff vorgeschlagen. Bei diesen Werkstoffen wurde die Mikroporosität und die Oberflächenrauhigkeit als die Oberflächeneigenschaften bestimmend für eine gute Ablösbarkeit der Papierbahn angesehen.

Weitere Walzenbeschichtungen sind aus der Druckschrift DE 35 46 343 C2 bekannt. Die Schrift offenbart eine Pressenwalze mit einem Zylindermantel und einer auf dem Mantel aufgebrachten Oberflächenschicht, die aus einer als Bindemittel dienenden Metallkomponente besteht, in die anorganische Teilchen eingebettet sind. Ein Ziel der Beschichtung von walzen ist, den hydrophilen bzw. hydrophoben Charakter einer Walzenoberfläche so ausgewogen zu gestalten, dass eine Materialbahnablösung gezielt gesteuert werden kann. Jedoch kann in der Praxis eine gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften oft Schwierigkeiten bereiten, indem die keramischen Materialien in der Metallmatrix agglomeriert verteilt sind oder sich die Oberfläche nicht erwartungsgemäß in Form eines nebeneinander Liegens der Matrixmaterialien und der Pulverteilchen ausbildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung von mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Oberflächen einer Papiermaschine anzugeben, die dauerhaft aufgebracht ist und deren Eigenschaften gezielt einstellbar sind und dadurch Verunreinigungen unterbunden oder zumindest minimiert werden.

Diese Aufgabe wird durch eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 und einem Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 10 gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung einer Papiermaschine vorgesehen, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers der Einrichtung eine Beschichtung angeordnet ist und, wobei die Beschichtung aus einer Kombination einer strukturierten Trägerschicht und einer von der Trägerschicht aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht besteht.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung einer Papiermaschine vorgesehen, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers der Einrichtung eine Beschichtung angeordnet ist und, wobei die Oberfläche des Grundkörpers strukturiert ist und die Beschichtung aus einer von der Oberfläche des Grundkörpers aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht besteht.

Die Erfindung schlägt vor, Ablagerungen an allen mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Teile einer Papiermaschine zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Bei derartigen Teilen kann es sich um Walzen und Zylinder von Entwässerungseinrichtungen, Formern, Pressen, Streich-, Trocknungs-, Aufroll-, Umroll- oder auch Konvertierungseinrichtungen handeln. Durch eine Herabsetzung der Verunreinigung derartiger Teile lassen sich Papierabrisse, Fehlstellen im Material oder sonstige Betriebsstörungen weitgehend vermeiden und die Qualität des Endproduktes entsprechend verbessern. Zudem werden die Intervalle vergrößert, in denen eine Reinigung der Maschine nötig wird. Auf die in einer Papiermaschine verwendeten Walzen, Zylinder und sonstigen Flächen, die mit der Materialbahn in Kontakt kommen wird auf den Grundkörper zumindest eine Deckschicht aufgebracht und gegebenenfalls eine Trägerschicht dazwischengeschaltet. Die Oberfläche der Deckschicht ist üblicherweise aus einem Material, das verschleißfest und Verunreinigungen abweisend ist. Ebenso kann die Oberfläche der Deckschicht einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, wodurch eine zusätzliche Einsparung des Energieverbrauchs im Betrieb der Papiermaschine realisiert werden kann.

Außer einer durch die Abscheideparameter einstellbaren Rauhigkeit kann die Oberfläche der Trägerschicht oder bei fehlender Trägerschicht die Oberfläche des Grundkörpers auch durch mechanische Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Schleifen, Drehen, Sandstrahlen oder auch Lasertexturieren bearbeitet sein. Es ist auch möglich, durch eine Variation der Beschichtungsparameter und eine unterschiedliche Wahl der Korngröße beim Flammspritzen oder durch eine gezielte Deposition von kugelförmigen Oberflächentopographien eine optimierte Oberfläche zu erzeugen.

Die benötigte Oberflächenrauhigkeit der Trägerschicht kann bereits in den Grundkörper in Verbindung mit den genannten Fertigungsverfahren eingearbeitet sein. Insbesondere durch diese Maßnahme kann eine Trägerschicht für Teile entbehrlich sein, die einem geringeren Verschleiß ausgesetzt sind. Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden Oberflächen mit Mischeigenschaften erzielt, die eine hohe Verschleißbeständigkeit, eine geringe Haftung und einen niedrigen Reibkoeffizienten aufweisen.

Als Werkstoff kommen für die Trägerschicht alle mit den erwähnten Verfahren abscheidbare Stoffe in Betracht. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkstoff der Trägerschicht eine Hartchromschicht ist. Hartchromschichten eignen sich in besonderer Weise, insbesondere durch ihre gute Haftung auf der Unterlage sowie ihrer Verschleißfestigkeit.

Die Gestaltung der gemeinsamen Berührungsfläche der übereinander folgenden Schichten ist ein wesentliches Kriterium für die Belastbarkeit und die Standzeit der einzelnen Einrichtungen. Vorteilhafterweise weist die Trägerschicht eine kugelförmige Oberflächentopographie auf. Hierdurch wird allein durch die Abscheideparameter eine Oberfläche gestaltet, die sich mit der darüber folgenden Deckschicht verzahnen kann.

Vorteilhafterweise weist bei einer fehlenden Trägerschicht bereits die Oberfläche des Grundkörpers eine kugelförmige oder zinnenförmige Oberflächentopographie auf. Derartige gezielt strukturierte Oberflächen lassen sich präzise ausgestalten um die Deckschicht dauerhaft und beständig mit der Unterlage zu verankern.

Zur Ausbildung der gewünschten Antihafteigenschaften spielt die freie Oberflächenenergie eine tragende Rolle. So bestehen Deckschichtwerkstoffe mit entsprechenden Antihafteigenschaften in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus Teflon^®, CFK, Makrolon^®, Ultem^® oder aus anorganisch-organischen bzw. metall-organischen Komponenten.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht das Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung aus folgenden Schritten:

– Beschichtung des Grundkörpers mit einer Trägerschicht,
– Strukturieren der Trägerschicht,
– Aufbringen der Deckschicht im Übermaß, und
– Abtragen eines Teils der Deckschicht.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung aus folgenden Schritten:

– Beschichtung des Grundkörpers mit einer Trägerschicht, die eine kugelförmige Oberflächentopographie ausbildet,
– Aufbringen der Deckschicht im Übermaß, und
– Abtragen eines Teils der Deckschicht.

Diese Verfahrenfolge findet bei Trägerschichten Anwendung, die eine bereits kugelförmige Oberflächentopographie aufweisen und üblicherweise auf eine weitere Strukturierung verzichtet werden kann. In bevorzugter Ausführungsform erfolgt das Aufbringen der Trägerschicht elektrochemisch oder durch Flammspritzen. Eine Trägerschicht kann dabei mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Hyperschallflammspritzen aufgebracht sein. Durch eine entsprechende Modifikation der Prozessparameter bei der Abscheidung kann eine geeignete Rauhigkeit bzw. Oberflächentopographie erreicht werden, so dass die Deckschicht dauerhaft und zuverlässig verankert wird.

– Vorbehandlung des Grundkörpers durch Strukturieren der Oberfläche,
– Aufbringen der Deckschicht im Übermaß, und
– Abtragen eines Teils der Deckschicht.

Bei dieser Prozessfolge wird die Trägerschicht direkt auf den Grundkörper aufgebracht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Strukturieren der Trägerschicht bzw. der Oberfläche des Grundkörpers mittels mechanischen Fertigungsverfahren wie Schleifen, Drehen, Sandstrahlen, Lasertexturieren durchgeführt wird.

Alternativ kann vorteilhafterweise auch ein Strukturieren der Trägerschicht bzw. der Oberfläche des Grundkörpers mittels nasschemischer Ätzverfahren oder Trockenätzverfahren durchgeführt werden.

Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass für den Fall eines Aufbringens von anorganisch-organischen bzw. metallorganischen Komponenten als Deckschicht ein Tauch- oder Sprühverfahren unter nachträglichem Aushärten der Schicht angewandt wird. Das Aushärten kann durch Tempern erfolgen und führt zu einer glasartigen Schicht. Andererseits kann ein Aushärten auch durch UV-Bestrahlung erfolgen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften und daher bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deckschicht so weit abgetragen wird, dass, wenn vorhanden, ein Teil der strukturierten Trägerschicht oder bei fehlender Trägerschicht ein Teil der strukturierten Oberfläche des Grundkörpers freigelegt wird.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Walze einer Papiermaschine mit zweilagiger Beschichtung,
2 einen schematischen Schnitt durch eine Walze in dem in 1 mit x gekennzeichneten oberflächennahen Bereich mit einer noch nicht überarbeiteten Deckschicht, und
3 einen schematischen Schnitt durch eine Walze in dem in 1 mit x gekennzeichneten oberflächennahen Bereich mit abgetragener Deckschicht.
Die in den Figuren gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
In 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine Walze 1 einer Papiermaschine mit zweilagiger Beschichtung 3 dargestellt. Die Walze 1 als Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung, besteht aus einem Grundkörper 2 mit seitlich angeordneten Wellenzapfen 4. Die Beschichtung 3 befindet sich ganzflächig auf der Walzenoberfläche, die im Einsatz mit der Materialbahn in Kontakt tritt. Mit Hilfe der Trägerschicht 31 wird die Decksicht 32 auf der Walzenoberfläche dauerhaft verankert.
In 2 ist ein oberflächennaher Bereich der Walze herausgegriffen, der in 1 mit x gekennzeichnet ist. Der schematische Schnitt durch eine Walze zeigt eine noch nicht überarbeitete Deckschicht 32, die eine besondere Art einer Verankerung aufweist. Eine gute Verankerung wird durch zinnenförmige Erhebungen in der Trägerschicht 31 ausgebildet, in die das Material der Deckschicht 32 eingebettet ist. Derartige Zinnen können durch eine Strukturierung der Trägerschicht 31 durch eine nasschemische Ätzung oder durch Trockenätzverfahren in Verbindung mit photolithographischen Strukturierungsverfahren in die Oberfläche eingebracht werden, bevor nachfolgend die Deckschicht 32 aufgebracht wird. Darüber hinaus sind auch zinnenförmige Strukturen vorteilhaft, die sich nach unten hin verjüngen. Hierdurch wird die Deckschicht 32 formschlüssig in der Trägerschicht 31 verankert. Der in 2 dargestellte Schnitt durch die Walze zeigt ein Bearbeitungsstadium, in dem die Deckschicht 32 auf die Trägerschicht 31 vollflächig aufgebracht ist.
3 zeigt ebenfalls einen schematischen Schnitt durch die Walze durch den in 1 mit x gekennzeichneten oberflächennahen Bereich in einem fertigen Bearbeitungsstadium. Die ursprünglich im Übermaß aufgebrachte Deckschicht 32 ist in diesem Fall bis zur Oberfläche der darunter liegenden Trägerschicht 31 abgetragen. Unter einem Abtragen zumindest bis zur Oberfläche der Deckschicht 31 ist zu verstehen, dass beispielsweise die Spitzen der zinnenförmigen Struktur bereits freigelegt sind und damit sowohl die Zinnen der Trägerschicht 31 als auch die Reste der Deckschicht 32 die Oberfläche ausbilden, die im Betrieb mit der Materialbahn in Kontakt tritt. Je nach Gestaltung der Struktur der Trägerschicht 31 lassen sich damit an die jeweiligen Bedingungen angepasste Oberflächen der beschichteten Walze ausgestalten.

1: Einrichtung
2: Grundkörper
3: Beschichtung
31: Trägerschicht
32: Deckschicht
4: Wellenzapfen

Claims

Mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung (1) einer Papiermaschine, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers (2) der Einrichtung eine Beschichtung (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) aus einer Kombination einer strukturierten Trägerschicht (31) und einer von der Trägerschicht (31) aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht (32) besteht.
Mit einer Materialbahn in Kontakt tretende Einrichtung (1) einer Papiermaschine, insbesondere Walze, Zylinder oder Führungselement, zur Herstellung bzw. Veredelung von Papier oder Karton, wobei auf der Oberfläche eines Grundkörpers (2) der Einrichtung eine Beschichtung (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers (2) strukturiert ist und die Beschichtung aus einer von der Oberfläche des Grundkörpers aufgenommenen und mit ihr verankerten Deckschicht (32) besteht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Trägerschicht (31) eine Hartchromschicht ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (31) eine kugelförmige Oberflächentopographie aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers (2) eine kugelförmige oder zinnenförmige Oberflächentopographie aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Deckschicht (32) aus Teflon, CFK, Makrolon, Ultem oder aus anorganisch-organischen bzw. metallorganischen Komponenten besteht.
Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Beschichtung des Grundkörpers (2) mit einer Trägerschicht (31), – Strukturieren der Trägerschicht (31), – Aufbringen der Deckschicht (32) im Übermaß, und – Abtragen eines Teils der Deckschicht (32).
Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Beschichtung des Grundkörpers (2) mit einer Trägerschicht (31), die eine kugelförmige Oberflächentopographie ausbildet, – Aufbringen der Deckschicht (32) im Übermaß, und – Abtragen eines Teils der Deckschicht (32).
Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Trägerschicht (31) elektrochemisch oder durch Flammspritzen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer mit einer Materialbahn in Kontakt tretenden Einrichtung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Vorbehandlung des Grundkörpers (2) durch Strukturieren der Oberfläche, – Aufbringen der Deckschicht (32) im Übermaß, und – Abtragen eines Teils der Deckschicht (32).
Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strukturieren der Trägerschicht (31) bzw. der Oberfläche des Grundkörpers (2) mittels mechanischen Fertigungsverfahren wie Schleifen, Drehen, Sandstrahlen, Lasertexturieren durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strukturieren der Trägerschicht (31) bzw. der Oberfläche des Grundkörpers (2) mittels nasschemischer Ätzverfahren oder Trockenätzverfahren durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufbringen von anorganisch-organischen bzw. metallorganischen Komponenten als Deckschicht (32) ein Tauch- oder Sprühverfahren unter nachträglichem Aushärten der Schicht angewandt wird.
Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (32) so weit abgetragen wird, dass, wenn vorhanden, ein Teil der strukturierten Trägerschicht (31) oder bei fehlender Trägerschicht (31) ein Teil der strukturierten Oberfläche des Grundkörpers (2) freigelegt wird.