DE19514538A1 - Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen und Platten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen und Platten für den Flexodruck, Tiefdruck, Prägen und Coating mit einem Grundkörper aus Metall auf Basis von nichtlegierten, niedrig- oder hochlegierten Eisenwerkstoffen oder Sintereisenwerkstoffen.

Derartige gravierte Walzen und Platten sind bekannt, wobei die Gravur entsprechend einem gewünschten Muster oder Raster in bekannter Weise mechanisch, elektromechanisch, mittels Laser oder mittels Ätzung in die Oberfläche des Grundkörpers graviert wird.

Die als Basismaterial für den Grundkörper eingesetzten Eisenwerkstoffe weisen in der Regel keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und in vielen Fällen auch keine ausreichende Verschleißfestigkeit auf.

Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, der Härte und der Verschleißfestigkeit ist es seit langem bekannt, Gegenstände aus Metall, insbesondere auf Basis von Eisenwerkstoffen mit einer Schutzschicht zu überziehen.

Insbesondere werden metallische Gegenstände auf Basis Eisen, Stahl oder dergleichen meist auf galvanischem Wege oder durch chemische Reduktion mit einem metallischen Überzug aus beispielsweise Nickel oder Chrom überzogen. Nach diesen galvanischen Verfahren können mit Nickel- bzw. Chromschichten verschleißfeste Oberflächen auf metallischen Grundkörpern mit Vickershärten bis zu etwa 950 HV bei Nickelschichten bzw. 1200 HV bei Chromschichten erzielt werden.

Des weiteren ist es bekannt, Hartstoffschichten in einem Vakuumverfahren auf metallische oder nichtmetallische Oberflächen von Körpern aufzudampfen, um diese verschleißfest auszurüsten. Bei dem CVD-Verfahren - chemische Abscheidung aus der Dampfphase - muß der metallische Anteil erst aus einem gasförmigen Ausgangsstoff durch Cracken freigesetzt werden, bevor das Metall mit dem Gas reagiert. Das CVD-Verfahren benötigt hohe Reaktionstemperaturen von etwa 800 bis 1100°C.

Beim PVD-Verfahren - physikalische Abscheidung aus der Dampfphase - wird der Metalldampf direkt erzeugt und reagiert auf der Oberfläche des zu beschichtenden Körpers mit dem Gas zu der gewünschten Hartstoffschicht. Das PVD-Verfahren ermöglicht das Abscheiden von Hartstoffen für die Bildung einer Verschleißschicht bei Temperaturen zwischen 200°C und 650°C.

Ein Spezialgebiet zum Herstellen von Produkten mit verschleißfesten Oberflächen stellen mit Gravuren versehene Walzen oder Platten dar, die als Prägewerkzeuge, Druckwerkzeuge oder Beschichtungswerkzeuge Anwendung finden. Üblicherweise werden die Walz- oder Plattenkörper hierfür aus Stahl gefertigt, so daß Veredelungen der Oberfläche zur Erhöhung des Korrosionsschutzes und der Verschleißfestigkeit erforderlich sind. Derartige gravierte Walzen und Platten sind bisher mit verschleißfesten Oberflächen mit hoher Härte über 1700 HV lediglich auf Basis keramisch beschichteter Grundkörper realisiert worden, wobei die Gravur mit Hilfe von Laserstrahlen entsprechend dem gewünschten Prägemuster in die Oberfläche eingearbeitet wird. Wegen der zahlreichen bei der Bearbeitung von Keramikkörpern zu berücksichtigenden Parameter sind jedoch die Gravuren nicht 100%-ig reproduzierbar, so daß jede gravierte Walze oder Platte bei Vorlage derselben Gravur geringfügig anders ausfällt. Für viele Anwendungsfälle ist es jedoch erforderlich, unbrauchbar, weil abgenutzt, gewordene Prägewerkzeuge, Druckplatten oder dergleichen durch neue Prägewerkzeuge, Druckplatten oder dergleichen mit identischem Prägemuster zu ersetzen.

Aus der DE 40 08 254 A1 ist bereits die Ausrüstung gravierter Walzen oder Platten mit einem Grundkörper aus Metall, wie Stahl, bekannt, die mit einer verschleißfesten Deckschicht aus einer im PVD-Verfahren aufgebrachten Hartstoffschicht versehen sind.

Bei diesen bekannten Methoden zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit und der Verschleißfestigkeit und damit Härte von mit Gravuren versehenen Walzen oder Platten werden zusätzliche Schichten auf den mit der Gravur ausgestatteten Grundkörper aufgetragen. Hierbei ist zu beachten, daß es einerseits wünschenswert ist, daß der Körper bzw. Schicht, in welche die Gravur eingearbeitet wird, nicht zu hart ist, um das Herstellen auch von Mustern und Rastern sehr feiner Auflösung zu ermöglichen. Andererseits ist durch die Verwendung entsprechend relativ weicher Werkstoffe die Lebensdauer solcher Gravuren begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, gravierte Walzen und Platten für den Flexodruck, Tiefdruck, Prägen oder Coating, auch solche mit sehr feiner Auflösung der Gravuren in bezug auf ihre Lebensdauer mit oder ohne Verschleißschichten zu verbessern. Hierbei ist auch eine Voraussetzung, daß erfindungsgemäß dergestalt hergestellte gravierte Walzen und Platten mit hoher Präzision reproduzierbar herstellbar sein müssen.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren der gattungsgemäßen Art vorgeschlagen, bei dem

• a) eine Gravur in Gestalt eines Musters oder Rasters in die Oberfläche des Grundkörpers mechanisch, elektromechanisch, mittels Laser oder mittels Ätzung eingearbeitet wird,
• b) dann der mit der Gravur versehene Grundkörper gereinigt und poliert wird,
• c) danach der mit der Gravur versehene Grundkörper einer Nitrierhärtung im Plasma unterzogen wird, bei der zumindest im Bereich der mit der Gravur versehenen Oberfläche des Grundkörpers eine Nitrierschicht aufgebaut wird, die in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des Grundkörpers aus einer auf der mit der Gravur versehenen Oberfläche des Grundkörpers abgelegten Verbindungsschicht aus Eisenstickstoffverbindungen Fe4N (Gamma-Phase) und/oder Fe2-3N (Epsilon-Phase) sowie einer in der Randschicht des Grundkörpers ausgebildeten Diffusionsschicht, in der eindiffundierter Stickstoff in die vorhandene Metallgitterstruktur eingelagert ist, besteht oder nur aus einer in der Randschicht des Grundkörpers durch Eindiffundieren von Stickstoff gebildeten Diffusionsschicht besteht,
• d) danach die auf dem Grundkörper abgelagerte Verbindungsschicht (4) mechanisch abgetragen wird und
• e) anschließend der mit nur noch die Diffusionsschicht aufweisende Grundkörper gereinigt und poliert wird.

Erfindungsgemäß wird die bekannte Technik des Nitrierhärtens im Plasma für die Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere der Härte und des Widerstandes gegen Deformationen, bei der Herstellung von gravierten Walzen oder Platten mit Erfolg eingesetzt. Hierbei wird die Präzision der hergestellten Gravuren auch mit hoher Auflösung von 40.000 Löchern und mehr auf einer Fläche von 1 cm auch bei geringen Tiefen der Löcher von zum Beispiel 16 µm durch Einarbeitung in einen noch relativ weichen Grundkörper erzeugt und ist mit hoher Genauigkeit reproduzierbar, während eine Gebrauchstüchtigkeit und Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit erst durch nachfolgende Härtungen und Überzüge geschaffen wird.

Die Nitrierhärtung im Plasma wird beispielsweise von B. Edenhofer in "Physikalische und metallkundliche Vorgänge beim Nitrieren im Plasma einer Glimmentladung", Härterei-Technik mit .2(1974) H.2, Seite 102-112 beschrieben.

Beim Nitrieren mit Hilfe einer stromstarken Glimmentladung im Plasma werden bei Eisenwerkstoffen eine Verbindungsschicht auf der Oberfläche des Eisenwerkstoffes aus einer intermetallischen Verbindung der Form Fe4N mit kubisch flächenkonzentrierter Struktur (Gamma-Phase) und/oder der Form Fe2-3N mit hexagonaler Gitterstruktur (Epsilon-Phase) ausgebildet sowie eine darunterliegende, d. h. in der Randschicht des Eisenwerkstoffes ausgebildete Diffusionsschicht, in der Stickstoff in das vorhandene Eisengitter eindiffundiert und eingelagert ist. Bei hochlegierten Eisenwerkstoffen, insbesondere rostsäure- und hitzebeständigen Stählen, die chromhaltig sind, wird keine Verbindungsschicht gebildet, sondern lediglich die Diffusionsschicht ausgebildet, d. h. die Einlagerung des Stickstoffes in die vorhandene Metallgitterstruktur in einer Randschicht bewirkt.

Da erfindungsgemäß für die Herstellung von gravierten Walzen und Platten je nach Anwendungsgebiet, auch aus Kostengründen, sowohl nichtlegierte als auch niedriglegierte und auch hochlegierte Eisenwerkstoffe zum Einsatz kommen, ist erfindungsgemäß in allen den Fällen, in denen sich beim Nitrieren im Plasma auf der gravierten Oberfläche des Grundkörpers eine Verbindungsschicht ausbildet, erforderlich, diese Verbindungsschicht wieder zu entfernen, und zwar ohne die Gravur zu zerstören. Eine besonders vorteilhafte Verfahrenstechnik zum Entfernen der Verbindungsschicht ist die Anwendung des Strahlens mittels Glasperlen.

Gravierte Walzen oder Platten für einfach Abformvorgänge können erfindungsgemäß auf Basis nichtlegierter oder niedriglegierter Eisenwerkstoffe gemäß Anspruch 1 hergestellt werden und sind in dieser Form einsatzbereit, da durch die Diffusionsschicht eine ausreichend hohe Härte der Gravur erzielt wird.

Für den Einsatz als Prägewalzen oder Prägeplatten bzw. gravierte Walzen oder Platten mit gröberen Gravuren ist eine korrosionsbeständige und verschleißfestere Ausrüstung erforderlich, die durch Weiterbildung des Gegenstandes des Anspruches 1 durch Ausrüstung mit einer zusätzlichen Hartverchromung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 2 erzielbar ist. Hierbei wird auf die gravierte Oberfläche des Grundkörpers, der mit einer Diffusionsschicht von eindiffundiertem Stickstoff in einer Randschicht, deren Tiefe sich je nach Art der Behandlung richtet, ausgestattet ist und bei dem die Verbindungsschicht aus der Nitrierhärtung entfernt worden ist, eine Chromschicht, vorzugsweise auf elektrolytischem Wege, einer Dicke von etwa 12 bis 30 µm und einer Härte von mindestens 950 HV (0,1), vorzugsweise über 1200 HV (0,1), nach Vickers aufgebracht, wobei der so behandelte Grundkörper anschließend poliert und gereinigt wird. Die Tiefe der Diffusionsschicht beträgt je nach Art der Behandlung und Material etwa zwischen 50 bis 200 µm. Bevorzugt werden für den Einsatz als Prägewalzen oder Prägeplatten oder für gröbere Gravuren solche Grundkörper auf Basis eines nichtlegierten oder niedriglegierten Eisenwerkstoffes eingesetzt. Die hierbei nach der Nitrierhärtung im Plasma erforderliche Abarbeitung der Verbindungsschicht beeinträchtigt die Qualität der hergestellten Gravur nicht, führt jedoch in Verbindung mit der Nitrierhärtung und dem Hartverchromen zu qualitativ hochwertigen Prägewerkzeugen mit hoher Prägegenauigkeit bei langer Lebensdauer und Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch Einsatz von hochlegiertem Eisenwerkstoff für den Grundkörper noch gesteigert werden. Mit der Hartverchromung können Härten nach Vickers über 1.200 HV (0,1) erreicht werden.

Die Vickers-Härte HV wird unter Verwendung einer vierseitigen Diamantpyraminde mit spitzem Winkel 130° unter festgelegter Last von 100 (0,1), 300 oder 600 N ermittelt.

Für gravierte Walzen oder Platten, bei denen ein Höchstmaß an Korrosionsschutz über einen langen Zeitraum sichergestellt werden soll, wird ein Herstellungsverfahren in der Verbindung der Merkmale gemäß Anspruch 1 und 3 vorgeschlagen. Hierbei werden erfindungsgemäß ein in der Gravur gehärteter Grundkörper, bei dem die Verbindungsschicht aus der Nitrierung im Plasma, sofern sie vorhanden war, wieder entfernt wurde, zusätzlich mit einer Nickel-Phosphorlegierung als dünne Schutzschicht beschichtet, die sehr dicht ist und damit einen hohen Schutz gegen Korrosion bietet und zusätzlich die Verschleißfestigkeit durch eine hierauf aufgebrachte Verschleißschicht aus Hartstoffen auf ein Höchstmaß gesteigert ist.

Überraschend ist hierbei, daß trotz der mehrfachen Behandlung des gravierten Grundkörpers durch Auftragen und Abt ragen und Wiederauftragen von Schichten die Präzision und Reproduzierbarkeit der Gravur auch feiner und feinster Raster erhalten bleibt. Erfindungsgemäß sind nach den vorausgehend erläuterten Verfahren gravierte Walzen und Platten, insbesondere Rasterwalzen und -platten mit hoher Auflösung von 40.000 Löchern und mehr auch mit hohen Standzeiten und hoher Härte herstellbar. Die Erfindung ermöglicht die Lebensdauer von gravierten Walzen und Platten gegenüber den bekannten gravierten Walzen und Platten auch mit Korrosionsschutz und Verschleißfestigkeit nochmals zu steigern. Dies bedeutet Kostenersparnis und Materialersparnis.

Geeignete Hartstoffe, die als Verschleißschicht auf die gravierten Walzen und Platten gemäß der Erfindung im PVD- Verfahren aufgebracht werden können, sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche 7 bis 12 entnehmbar.

Die auf die gravierte Oberfläche des Grundkörpers, der eine Diffusionsschicht aus eindiffundiertem Stickstoff, jedoch keine Verbindungsschicht mehr aus der Nitrierhärtung im Plasma aufweist, aufgebrachte Zwischenschicht übernimmt die Funktion des Korrosionsschutzes. Diese Zwischenschicht soll möglichst dicht und homogen sein und schon eine relativ hohe Härte aufweisen.

Als Zwischenschicht wird bevorzugt eine autokatalytisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Legierung mit einem Phosphorgehalt von 5 bis 13 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 13 Gew.-%. Die Zwischenschicht besteht im wesentlichen aus Nickel. Hierbei handelt es sich um ein bekanntes Verfahren der autokatalytischen oder außenstromlosen Nickel-Phosphor- Legierungsabscheidung. In dem chemischen Nickelbad befinden sich neben Nickelionen Reduktionsmittel, meistens wird Natriumhypophosphit verwendet. Dies wird üblicherweise als "chemisch" Nickel bezeichnet. Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht wird bevorzugt eine Reinigungs- und Temperungsbehandlung des so beschichteten Grundkörpers vorgenommen. Insbesondere bewirkt eine nachfolgende Wärmebehandlung im Vakuum ein Reinigen und Entgasen der Zwischenschicht und ein Tempern, d. h. eine weitere Aushärtung zum Beispiel der aufgebrachten Nickel-Phosphor-Legierung, so daß durch dieses Nachhärten eine Härte dieser Zwischenschicht von etwa mindestens 1000 bis 1100 HV (0,1) erreicht wird.

Eine Zwischenschicht aus einer Nickel-Phosphor-Legierung wird bevorzugt im Vakuum bei Temperaturen über 240°C bis zu etwa 350°C während einer Dauer von 1 bis 3 Stunden getempert. In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Tempern des mit der Zwischenschicht versehenen Grundkörpers und das Aufdampfen der Verschleißschicht kontinuierlich nacheinander durchgeführt, wobei das Aufdampfen der Verschleißschicht unmittelbar an die Temperung bei Beibehaltung bzw. Erhöhung der Temperungstemperatur anschließt. Dieses Verfahren kann damit beispielsweise in der gleichen Vakuumkammer in einem Zuge mit Temperung und Aufbringen der Verschleißschicht aus Hartstoffen durchgeführt werden.

Die Temperzeit des Grundkörpers mit Zwischenschicht richtet sich nach der Größe und den Dimensionen der Walze bzw. Platte. Kleinste Gravurwalzen haben einen Durchmesser von 10 mm mit einer kleinsten Länge von 20 mm, größte Gravurwalzen haben einen Durchmesser von über 500 mm bei Längen bis zu 3500 mm. Ähnlich verhält es sich mit Gravurplatten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere hohe Härten der nachträglich aufzutragenden Verschleißschichten auch dadurch erreicht werden, daß bereits die Zwischenschicht eine hohe Härte aufweist. Um die Präzision des Prägemusters, d. h. der Gravur, zu erhalten, sind die Dicke der Zwischenschicht als auch die Dicke der Verschleißschicht nach oben begrenzt. Die Summe der Dicken dieser Schichten sollte in keinem Fall größer als 30 µm sein, da sonst die Geometrie der Muster und Gravuren in unzulässiger Weise verändert wird und damit die Reproduzierbarkeit in Frage gestellt wird.

Die Dicke der Zwischenschicht und der Verschleißschicht ist auch nach unten begrenzt, um noch eine ausreichende dichte Schicht zu erhalten. Bei Schichtdicken von etwa 8 µm kann auch eine Zwischenschicht aus Nickel beispielsweise noch minimal porös sein, jedoch wird diese Porösität durch die nachfolgend aufzudampfende Verschleißschicht beseitigt, da das Material der Verschleißschicht in die Zwischenschicht eindiffundiert und mit dieser dann eine geschlossene und korrosionsbeständige Beschichtung bildet. Da die Verschleißschicht durch Aufdampfen im Vakuum bei erhöhten Temperaturen aufgebracht wird, ist die Zwischenschicht aus einem Material zu wählen, das auch diesen Temperaturen standhält, wobei sich Nickel als Basismaterial für die Zwischenschicht bewährt hat.

Es ist auch möglich, eine Zwischenschicht aus einer ersten auf den Grundkörper autokatalytisch abgeschiedenen Schicht einer Nickel-Phosphor-Legierung mit einem Phosphorgehalt von 3 bis 13 Gew.-% in einer Schichtdicke von etwa 4 bis 8 µm und einer zweiten hierauf elektrolytisch abgeschiedenen Schicht von Chrom mit einer Schichtdicke von etwa 4 bis 8 µm zu bilden. Eine derartige zweischichtige Zwischenschicht hat den Vorteil, daß die Nickelschicht eine homogene dichte Schicht bildet, während die hierauf aufgebrachte Chromschicht zwar nicht so dicht ist, also eine höhere Mikroporösität aufweist, jedoch eine höhere Härte nach Vickers bis zu etwa 1200 HV (0,1) aufweist als Nickel. Je höher die Härte der Zwischenschicht ist, desto höher wird auch die erzielbare Härte der hierauf aufzudampfenden Verschleißschicht.

Für die Verschleißschicht werden bevorzugt Metallboride, -carbide, -nitride, -oxyde, -silicide der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems Titan, Zirkon, Hafnium bzw. Vanadium, Niob, Tantal bzw. Chrom, Molybdän, Wolfram einzeln oder in Kombinationen eingesetzt. Bevorzugt werden für die Verschleißschicht die Carbide, Nitride und Oxyde der Elemente der vierten Nebengruppe des Periodensystems eingesetzt, die sich besonders durch Härte und Verschleißbeständigkeit auszeichnen. Beispielsweise werden für die Verschleißschicht Titan-Nitrid oder Titan-Aluminium- Carbonitrid oder Titan-Aluminium-Nitrid oder Titan-Carbonitrid oder Titancarbid eingesetzt. Mit diesen sogenannten Hartstoffen für die Verschleißschicht, die nach dem PVD- Verfahren auf die mit der Zwischenschicht versehene Gravur oder Prägemuster eines Grundkörpers aufgebracht werden, sind Härten von 2500 bis 3000 HV erzielbar. Geeignet ist auch Hafniumborid, das sich durch eine Vickershärte von etwa 3200 auszeichnet.

Die Verschleißschicht wird in einer Dicke von etwa 4 bis 8 µm, bevorzugt etwa 5 bis 7 µm, aufgedampft. Bei Ausbildung der Zwischenschicht aus einer Nickel- und Chromschicht sollten diese gemeinsam eine Dicke von etwa 15 µm nicht überschreiten. Chrom weist eine höhere Härte auf als Nickel, hat jedoch den Nachteil, daß es bei den verfahrensmäßig zum Aufdampfen der Verschleißschicht anzuwendenden Temperaturen sich bereits auflöst und porös wird. Da es erfindungsgemäß jedoch auf einer Unterlage aus Nickel, d. h. Nickel-Phosphor-Legierung eingesetzt wird, kann diese Nickel-Phosphor-Legierung die Temperatureinwirkung auf das Chrom auffangen und die Chromschicht stabilisieren. Gleichzeitig erhält jedoch diese Zwischenschicht durch die Chromauflage eine insgesamt höhere Härte und Verschleißfestigkeit als eine Nickel-Phosphor- Legierungsschicht allein.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei einem Grundkörper aus hochlegiertem chromhaltigen Stahl gemäß Anspruch 13 auf die gravierte Oberfläche des Grundkörpers, in dessen Randschicht eine Diffusionsschicht aus eindiffundiertem Stickstoff ausgebildet ist, unmittelbar im PVD-Verfahren eine Verschleißschicht aus Hartstoffen aufgedampft wird. Überraschend ist in Folge des Einsatzes von hochlegiertem chromhaltigen Stahl als Grundkörper es auch nach der Nitrierhärtung der Randschicht des Grundkörpers möglich, die Verschleißschicht im PVD-Verfahren mit Hartstoffen, wie sie in den Ansprüchen 7 bis 12 aufgeführt sind, durchzuführen. Gemäß diesem Vorschlag der Erfindung können gravierte Walzen oder Platten mit feinen Rastern, wie sogenannte Rasterwalzen in höchster Qualität, Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit und sehr hohen Standzeiten, mit reproduzierbaren Gravuren, Rastern hergestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen

Fig. 1a schematisch im Querschnitt auszugsweise einen gravierten Grundkörper

Fig. 1b den Grundkörper nach Fig. 1a nach Nitrierhärtung im Plasma mit Verbindungsschicht

Fig. 1c den Grundkörper nach Fig. 1b nach Abarbeitung der Verbindungsschicht

Fig. 2 den Grundkörper nach Fig. 1c mit einer Hartverchromung

Fig. 3 den Grundkörper nach Fig. 1c mit einer Zwischenschicht und einer Verschleißschicht

Fig. 4 den Grundkörper nach Fig. 1a nach Nitrierhärtung ohne Ausbildung einer Verbindungsschicht

Fig. 5 den Grundkörper nach Fig. 4 mit einer zusätzlichen Hartverchromung

Fig. 6 den Grundkörper nach Fig. 4 mit einer zusätzlichen Zwischenschicht und Verschleißschicht

Fig. 7 den Grundkörper nach Fig. 4 mit einer zusätzlichen Verschleißschicht.

Der Grundkörper 1 gemäß Fig. 1a ist beispielsweise für den Einsatz als Prägeplatte mit der Gravur 2 ausgebildet. Der Grundkörper 1 gemäß Fig. 1a ist aus preiswertem niedriglegiertem Stahl hergestellt. Die Gravur 2 ist beispielsweise auf mechanischem Wege, elektromechanischem Wege oder mittels Ätzung auf der Oberfläche des Grundkörpers 1 eingearbeitet. Der Grundkörper 1 mit Gravur 2 gemäß Fig. 1a wird nunmehr einer Nitrierhärtung im Plasma unterzogen. Die Behandlung findet in einem evakuierten Vakuumofen statt. Der gravierte Grundkörper wird elektrisch isoliert in dem Vakuumofen aufgestellt oder aufgehängt. Die Wand des Vakuumofens wird als Anode, der gravierte Grundkörper 1 als Kathode angeschlossen. Zwischen den Elektroden wird eine pulsierende Gleichspannung im Bereich von 300 bis 1.500 Volt angelegt. Stickstoffhaltiges Gas wird dann dem Vakuumofen zugeführt, wobei das Gas ionisiert und die Stickstoffionen auf den Grundkörper hin beschleunigt werden. Beim Aufprall auf die Oberfläche des Grundkörpers stäuben Eisenatome ab, die sich im Plasma mit hochreaktiven Stickstoffatomen zum stickstoffreichen Eisen in Nitrid verbinden, die als neutrale Partikel auf der Oberfläche des Grundkörpers kondensieren und sich dort als Verbindungsschicht 4 ablagern, siehe Fig. 1b. Ein Teil des bei diesen Vorgängen freiwerdenden Stickstoffes diffundiert in die Randschicht des Grundkörpers ein und bildet hier die sogenannte Diffusionsschicht 3, d. h. die durch die Einlagerung von Stickstoff in das Metallgitter gekennzeichneten Bereich, der hierdurch gehärtet wird, d. h. eine höhere Härte aufweist als der Grundkörper 1.

Diffusionsschicht 3 und Verbindungsschicht 4 gemäß Fig. 1b, die bei der Nitrierhärtung im Plasma bei nichtlegierten oder niedriglegierten Eisenwerkstoffen gebildet werden, bilden die sogenannte Nitrierschicht. Für die Herstellung gravierter Walzen oder Platten ist jedoch diese Verbindungsschicht 4 nicht erwünscht, da sie keinen Korrosionsschutz bietet. Deshalb wird die Verbindungsschicht 4 des Grundkörpers 1 gemäß Fig. 1b anschließend wieder abgearbeitet, beispielsweise durch Strahlen mittels Glasperlen. Bei dieser Strahltechnik wird Gravur 2 in ihrer Ausführungsform nicht verändert, so daß nach der Abarbeitung der Grundkörper 1 mit Diffusionsschicht 3 und Gravur 2 gemäß Fig. 1c erhalten wird. Zwischendurch werden jeweils Reinigungs- und auch ein Poliervorgang eingeschoben, soweit erforderlich. Für einfache Anwendungen, beispielsweise zum Herstellen von Abformungen ist es möglich, den gemäß Fig. 1c dargestellten Grundkörper 1 mit Diffusionsschicht 3 und Gravur 2 aus nichtlegiertem oder niedriglegiertem Eisenwerkstoff als Gravurwerkzeug oder Prägewerkzeug einzusetzen, jedoch nur für solche Fälle, wo ein dauerhafter Rostschutz nicht erforderlich ist.

Für die Herstellung von gravierten Walzen oder Platten mit erhöhter Verschleißfestigkeit und verbessertem Korrosionsschutz wird vorgeschlagen, den gemäß Fig. 1c hergestellten Grundkörper mit Gravur 2 und Diffusionsschicht 3 zusätzlich mit einer Hartverchromung, d. h. einer Chromschicht 5 auszustatten, siehe Fig. 2.

Für Einsatzgebiete, in denen sehr hohe Verschleißfestigkeit, sehr hoher Korrosionsschutz und eine lange Standzeit erwünscht ist, wird die gravierte Walze oder Platte mit einem Grundkörper gemäß Fig. 1c mit einer Zwischenschicht aus einer Nickel-Phosphorlegierung als Korrosionsschutz und einer hierauf aufgebrachten Verschleißschicht aus Hartstoffen, beispielsweise Titan-Nitrid im PVD-Verfahren, ausgerüstet, siehe Fig. 3. Die Zwischenschicht 6 ist eine autokatalytisch abgeschiedene Nickel-Phosphorlegierung einer Dicke von beispielsweise 12 µm. Danach erfolgt ein Reinigungs- und Poliervorgang. Zum Tempern und anschließendem Aufdampfen der Verschleißschicht 7 wird dann der mit der Zwischenschicht 6 versehene Grundkörper 1 in die Vakuumkammer eingebracht und langsam auf die Temperungstemperatur des Grundkörpers 1 und der Zwischenschicht 6 von etwa 350°C erwärmt und bei dieser Temperungstemperatur je nach Größe zwischen 1 bis 3 Stunden gehalten. Hieran schließt sich nahtlos nach ausreichender Temperung das Aufdampfen der Verschleißschicht 6 als äußerster Schicht aus einer entsprechenden metallischen Hartstoffverbindung, hier Titan-Nitrid, bei Temperaturen bis zu 480°C im Vakuum nach dem PVD-Verfahren an. Die Hartstoffschicht 7 hat beispielsweise eine Dicke von 7 µm. Die gemäß Fig. 3 hergestellte gravierte Walze mit Zwischenschicht 6 und Verschleißschicht 7 ist sehr hohen Beanspruchungen bezüglich Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit der Oberfläche sowie Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Gravur 2 durch die Diffusionsschicht 3 gewachsen.

In der Fig. 4 ist ein Grundkörper 1 dargestellt, der aus einem hochlegierten chromhaltigen Stahl mit mindestens 7 Gew.-% Chrom hergestellt ist. Solche rostsäure- und hitzebeständigen chromhaltigen Stähle sind genormt, beispielsweise der Chrom- Nickelstahl X12 CrNi 18 8 oder X20 Cr13. Auf der Oberfläche des Grundkörpers 1 gemäß Fig. 4 ist die Gravur 2, beispielsweise ein feines Raster mit 40.000 Löchern pro cm² und 16 µm Tiefe eingearbeitet. Der mit der Gravur 2 versehene Grundkörper 1 gemäß Fig. 4 wurde dann einer Nitrierhärtung im Plasma unterzogen, bei der die Diffusionsschicht 3 ausgebildet wurde, d. h. Stickstoff in die Randschicht im Bereich der Gravur des Grundkörpers eindiffundiert und in das Metallgitter eingelagert wurde. Infolge des hohen Chromgehaltes der für den Grundkörper 1 verwendeten Eisenlegierung hat sich keine Verbindungsschicht, wie bei Fig. 1b beschrieben, auf der Oberfläche der Gravur gebildet, so daß diese auch nicht entfernt werden mußte. Damit ist der Grundkörper nach Fig. 4 aus hochlegiertem Stahl mit einer unveränderten Präzision der Gravur 2 und einer Diffusionsschicht 3, die eine Erhöhung der Härte dieser Randschicht zur Folge hat, als Basis hergestellt. Der in der Fig. 4 dargestellte Grundkörper mit Gravur 2 und Diffusionsschicht 3 kann in dieser Form bereits als Gravurwerkzeug benutzt werden. Eine weitere Erhöhung der Oberflächenhärte und damit Verschleißfestigkeit der gravierten Oberfläche des Grundkörpers 1 wird gemäß Fig. 5 durch insbesondere elektrolytisches Aufbringen einer Chromschicht 5 als Hartverchromung in einer Dicke von etwa 15 µm erreicht. Diese Hartverchromung kann eine Härte nach Vickers von etwa 1200 HV (0,1) erreichen.

Für den Fall, daß Härten von über 2000 HV (0.1) gewünscht werden, wird gemäß Ausführung Fig. 6 auf den Grundkörper 1 gemäß Fig. 4 zuerst auf die Gravur 2, d. h. die gehärtete Randschicht mit der Diffusionsschicht 3 eine Zwischenschicht 6 aufgebracht, die dicht und homogen ist und einen erhöhten Korrosionsschutz bietet. Als Zwischenschicht 6 ist, wie bereits bei Fig. 3 beschrieben, eine autokatalytisch abgeschiedene Nickel-Phosphorlegierung einer Dicke beispielsweise 10 µm vorgesehen. Nach dem Reinigungs- und Poliervorgang wird dann hierauf, wie bereits bei Fig. 3 beschrieben, eine Verschleißschicht 7 aus Hartstoff, wie Titan-Nitrid im PVD-Verfahren, unter vorangehender Temperung des Grundkörpers mit Zwischenschicht 6 aufgebracht, beispielsweise in einer Dicke von 8 µm.

Für die Fälle, in denen die Korrosionsfestigkeit des Grundkörpers 1 aus hochlegiertem Stahl gemäß Fig. 4 ausreichend ist, kann auch unmittelbar auf den Grundkörper 1 mit Gravur und Diffusionsschicht 3 gemäß Fig. 4 eine Verschleißschicht 7, wie in der Fig. 7 dargestellt, im PVD- Verfahren aufgebracht werden. Als Verschleißschicht bietet sich Titan-Nitrid an, das sich für den Einsatz von Prägewerkzeugen, Rasterwalzen und Gravurplatten bewährt hat. Die Dicke der Verschleißschicht 7 als ausschließliche auf die Gravur 2, d. h. die Oberfläche des Grundkörpers 1 aufgetragene Schicht kann je nach Anwendungsbereich variieren, beispielsweise 8 µm betragen. Die Dicke der Verschleißschicht 7 ist auch eine Kostenfrage, je dicker die Schicht desto teuerer.

Mit der Erfindung können gravierte Walzen und Platten für unterschiedliche Einsatzgebiete sowohl mit groben als mit sehr feinen Gravuren und Rastern und Prägemustern hergestellt werden, bei denen die gravierte Randschicht zusätzlich einer Nitrierung im Plasma unterzogen wurde und anschließend auf die Diffusionsschicht im Bereich der Gravur je nach Anforderung eine Zwischenschicht für einen zusätzlichen Korrosionsschutz und/oder Verschleißschicht zur Erhöhung der Oberflächenhärte aufgebracht wird.

Claims (19)

1. Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen und Platten für den Flexodruck, Tiefdruck, Prägen und Coating mit einem Grundkörper aus Metall auf Basis von nichtlegierten, niedrig- oder hochlegierten Eisenwerkstoffen oder Sintereisenwerkstoffen, bei dem

• a) eine Gravur in Gestalt eines Musters oder Rasters in die Oberfläche des Grundkörpers mechanisch, elektromechanisch, mittels Laser oder mittels Ätzung eingearbeitet wird,
• b) dann der mit der Gravur versehene Grundkörper gereinigt und poliert wird,
• c) danach der mit der Gravur versehene Grundkörper einer Nitrierhärtung im Plasma unterzogen wird, bei der zumindest im Bereich der mit der Gravur versehenen Oberfläche des Grundkörpers eine Nitrierschicht aufgebaut wird, die in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des Grundkörpers aus einer auf der mit der Gravur versehenen Oberfläche des Grundkörpers abgelegten Verbindungsschicht aus Eisenstickstoffverbindungen Fe4N (Gamma-Phase) und/oder Fe2-3N (Epsilon-Phase) sowie einer in der Randschicht des Grundkörpers ausgebildeten Diffusionsschicht, in der eindiffundierter Stickstoff in die vorhandene Metallgitterstruktur eingelagert ist, besteht oder nur aus einer in der Randschicht des Grundkörpers durch Eindiffundieren von Stickstoff gebildeten Diffusionsschicht besteht,
• d) danach die auf dem Grundkörper abgelagerte Verbindungsschicht (4) mechanisch abgetragen wird und
• e) anschließend der mit der Diffusionsschicht ausgestattete Grundkörper gereinigt und poliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gravierte Oberfläche des mit der Diffusionsschicht versehenen Grundkörpers (1) eine Chromschicht (5) einer Dicke von etwa 12 bis 30 µm und einer Härte von mindestens 1100 HV (0,1) nach Vickers aufgebracht wird, die anschließend poliert und gereinigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gravierte Oberfläche (2) des mit der Diffusionsschicht (3) versehenen Grundkörpers (1) eine Zwischenschicht (6) aus einer autokatalytisch abgeschiedenen Nickel-Phosphor-Legierung mit einem Phosphorgehalt von 5 bis 13 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 13 Gew.-%, in einer Dicke von etwa 5 bis 25 µm aufgebracht wird, die anschließend gereinigt und poliert wird, und auf diese Zwischenschicht eine Verschleißschicht (7) aus einer Metallverbindung einer Härte nach Vickers von mindestens 2000 HV (0,1) durch Aufdampfen im Vakuum nach dem PVD-Verfahren bei Temperaturen von 200 bis zu etwa 480°C in einer Dicke von etwa 4 bis 8 µm aufgebracht wird, und nach Abkühlen die mit der aufgedampften Verschleißschicht versehene Oberfläche des Grundkörpers gereinigt und poliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Zwischenschicht (6) versehene Grundkörper (1) getempert wird, wobei er im Vakuum auf eine Temperatur von mindestens 240°C, vorzugsweise bis 350°C, erwärmt und während einer Dauer von etwa ein bis drei Stunden bei dieser Temperatur gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern des mit der Zwischenschicht versehenen Grundkörpers und das Aufdampfen der Verschleißschicht (7) kontinuierlich nacheinander durchgeführt werden, wobei das Aufdampfen der Verschleißschicht unmittelbar an die Temperung bei Beibehaltung bzw. Erhöhung der Temperungstemperatur erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweilagige Zwischenschicht aus einer ersten autokatalytisch abgeschiedenen Schicht einer Nickel-Phosphor-Legierung mit einem Phosphorgehalt von 3 bis 13 Gew.-% in einer Schichtdicke von etwa 4 bis 8 µm und einer zweiten hierauf elektrolytisch abgeschiedenen Schicht von Chrom mit einer Schichtdicke von etwa 4 bis 8 µm gebildet wird und eine nachfolgende Temperung im Vakuum des mit der zweilagigen Zwischenschicht versehenen Grundkörpers bei einer Temperatur von mindestens 240 bis etwa 350°C während einer Dauer von etwa ein bis zwei Stunden durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Metallboride, -carbide, -nitride, -oxyde, -silicide der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems Titan, Zirkon, Hafnium bzw. Vanadium, Niob, Tantal bzw. Chrom, Moybdän, Wolfram einzeln oder in Kombinationen eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Carbide, Nitride und Oxyde der Elemente der vierten Nebengruppe des Periodensystems eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Titan-Nitrid eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Titan-Aluminium-Nitrid oder Titan-Aluminium-Carbonitrid eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Titan-Carbonnitrid eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Titan-Carbid eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper aus hochlegiertem chromhaltigem Stahl eingesetzt wird, der nach Herstellung der Gravur (2) und Ausbilden nur einer Diffusionsschicht in der Randschicht des Grundkörpers (1) ohne Ablegung einer Verbindungsschicht mit einer Verschleißschicht (7) aus einer Metallverbindung mit einer Härte nach Vickers von mindestens 2000 HV (0,1) durch Aufdampfen im Vakuum nach dem PVD-Verfahren bei Temperaturen von 200 bis 400°C in einer Dicke von etwa 4 bis 15 µm versehen wird, und nach Abkühlen die mit der aufgedampften Verschleißschicht versehene Oberfläche des Grundkörpers poliert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Metallboride, -carbide, -nitride, -oxyde, -silicide der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems Titan, Zirkon, Hafnium bzw. Vanadium, Niob, Tantal bzw. Chrom, Moybdän, Wolfram einzeln oder in Kombinationen eingesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschleißschicht Titan- Nitrid, Titan-Aluminium-Nitrid oder Titan-Aluminium- Carbonitrid, Titan-Carbonitrid und/oder Titan-Carbid verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen der Verbindungsschicht (4) durch Strahlen mittels Glasperlen erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz als Prägewalze oder Prägeplatte oder für gröbere Gravuren ein Grundkörper aus einem nichtlegierten oder niedriglegierten Eisenwerkstoff eingesetzt wird, bei dem bei der Nitrierhärtung im Plasma auf dem Grundkörper eine Verbindungsschicht abgelegt wird, die anschließend abgetragen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung von feinen Rastern und Rasterwalzen ein Grundkörper aus einem hochlegierten chromhaltigen Stahl eingesetzt wird, bei dem bei der Nitrierhärtung im Plasma in der Randschicht des Grundkörpers eine Diffusionsschicht gebildet wird und auf dem Grundkörper keine Verbindungsschicht abgelegt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochlegierter chromhaltiger Stahl mit mindestens 7 Gew.-% Chrom eingesetzt wird.