DE19516032C2

DE19516032C2 - Verfahren zur Oberflächenveredelung einer Farbübertragungswalze durch Ionenimplantation

Info

Publication number: DE19516032C2
Application number: DE19516032A
Authority: DE
Inventors: Roland Brinkmann
Original assignee: Kurt Zecher GmbH
Current assignee: Kurt Zecher GmbH
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: ATE185519T1; ES2138263T3; EP0748701A3; EP0748701A2; EP0748701B1; DE59603324D1; DK0748701T3; DE19516032A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenveredelung einer Farbübertragungswalze, die eine mikroporöse und mikrorissige metallische oder keramische oder metallkeramische Hartstoffschicht mit eingeprägten oder gelaserten Farbaufnahmenäpfchen trägt.

Aus der DE 39 41 918 A1 ist ein Verfahren zum Beschichten von Substraten bekannt, bei dem mittels eines Plasmas einer elektrischen Gasentladung, insbesondere im Lichtbogen oder durch Kathodenzerstäubung in einem Magnetron, erzeugte Ionen von Titan und anderen Metallen und Schwermetallen auf eine Oberfläche zu applizieren. Die Spannung und die Stromdichte zur Oberfläche hin entscheiden darüber, ob bei höherer Spannung von etwa 2000 V die Oberfläche durch das Ionenbombardement zerstört und abgetragen wird oder ob und wie tief die Ionen bei reduzierter Spannung in die Oberfläche eindringen und u. U. dort sich gut verankerte Mischkristalle bilden oder ob bei noch tieferer Spannung eine Schicht aufwächst, die z. B. aus Titannitrid besteht, wenn Stickstoff als Plasmagas benutzt wird. Letztlich entscheidet ganz wesentlich der Energiebereich der auf die Oberfläche auftreffenden Ionen, wie deren Verhalten dort ist. Hierfür ist außer der Spannung auch der Gasdruck und die Bahnführung der Ionen einflußreich. Es wird dort vorgeschlagen, die Ionenbahnen durch Einwirkung eines Magnetfeldes auf das Plasma so von der gradlinigen Bahn abweichend zu beeinflussen, daß eine bestimmte Stromdichte an der Oberfläche auftritt, die jeweils das gewünschte Eindringen oder Aufwachsen erbringt. Daß dieses Beschichtungsverfahren auch geeignet ist, tiefe Risse und Poren auszufüllen und so eine gestörte Oberfläche zu schließen und zu glätten ist nicht geoffenbart.

Außerdem ist eine Farbübertragungswalze aus der DE 40 07 130 C1 bekannt, bei der in eine metallische Oberfläche Näpfchen eingeprägt sind. Ein dabei entstehender Grat wird galvanisch abgetragen, und die Näpfchenoberfläche wird mit Hartstoffen, z. B. mit Hartchrom oder mit Siliziumcarbidkörnchen, in einer Nickelmatrix, zur Erhöhung der Abriebfestigkeit galvanisch beschichtet. Zusätzlich kann darauf eine dünne Hartchromschicht aufgetragen sein. Diese oberen Schichten sind jedoch stets von feinen Mikrorissen durchgezogen, und es sind feine Poren mit Mikrometerabmessungen insbesondere an den Grenzen der eingelagerten Hartstoffkörner festzustellen, wodurch nur eine begrenzte Haftung derselben gegeben ist.

Weiterhin sind aus der Zeitschrift: Flexo, 1985, Vol. 10, No. 10; 45-50, Farbübertragungswalzen bekannt, deren Näpfchen in eine plasmagespritzte Hartkeramikschicht, z. B. Chromoxid (Cr₂O₃) eingelagert sind. Bei punktueller Hochtemperaturbehandlung mit dem Laserstrahl und der darauffolgenden schnellen Abkühlung entstehen Mikrorisse und Mikroporen und starke Verwerfungen und Verspannungen im Gefüge, was die Abriebfestigkeit und Korrosionsfestigkeit verringert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächen veredelung einer Farbübertragungswalze der eingangs bezeichneten Art mittels Ionenimplantation zu offenbaren, daß die Farbübertragungswalze dadurch eine höhere Standzeit, einen geringeren Abrieb und eine geringere Korrosionsanfälligkeit aufweist.

Die Lösung besteht darin, daß in einem ersten Implantationsschritt aus einem turbulenten Hochspannungs- Gasentladungsplasma Schwermetallionen als Ionenimplantatmaterial bei einer Spannung von eintausend Volt bis zu zehntausend Volt bei einer Temperatur zwischen 50-80°C auf die Hartstoffschicht appliziert wird, und dabei solange appliziert wird bis die Mikrorisse und Poren der Oberfläche der Hartstoffschicht ausgefüllt sind und deren Oberfläche durch das Ionenimplantatmaterial in der Hartstoffschicht verankert ohne deren thermische Zerstörung um bis zu einer Schichtdicke von 2 µm aufgewachsen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit dem Verfahren veredelten Farbübertragungswalzen sind in den Ansprüchen 6-17 in vorteilhaften Ausführungen spezifiziert.

Die auf einer Farbübertragungswalze aufgebrachte Hartstoff schicht weist Mikrorisse und Poren auf, die nach dem Verfahren durch ein aus einem Hochspannungsgasentladungsplasma appliziertes Ionenimplantatmaterial geschlossen sind, das auf der übrigen Oberfläche der Hartstoffschicht ohne deren thermischen Zerstörung darin verankert ist und auf eine Schichtstärke bis 2 µm aufgewachsen ist.

Alle bisher bekannten mikrostrukturierten Farbübertragungswalzen eignen sich für die verfahrensgemäße Behandlung der Oberfläche mit Implantatmaterial und zwar sowohl bei der Neuproduktion als auch zur Nachbehandlung. Die bei der Implantation aufgebrachten Materialschichten haben eine zu den Näpfchenabmessungen vergleichsweise geringe Dicke von 1-2 µm, so daß das Näpfchenvolumen praktisch unverändert bleibt.

Als Stoffe zum Auffüllen und zum Schließen der Risse und Poren haben sich Kombinationen vierwertiger Stoffe mit Schwermetallen, insbes. das vierwertige Titan und das sechswertige Molybdän im Gewichtsverhältnis 70/30 bis 90/10, vorzugsweise 80/20, bewährt. Diese Metallionen dringen bis tief ins Innere von Mikrorissen und die Grenzschicht ein, die häufig an den Korngrenzen elektrolytisch aufgebrachter Schichten oder in gesputterten Schichten oder nach der Laserung auftreten. Der Verschluß und das Auffüllen der Risse erbringt insbesondere auch eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, da die Oberfläche glatt und dicht wird.

Die Implantation der Metallionen erfolgt in einer Stickstoffatmosphäre, so daß sich die Metalle zum Teil als Nitride damit verbinden und sehr harte kristalline Strukturen bilden.

Vorteilhaft wird eine weitere abriebfeste Deckschicht von 0,05-1 µm, bevorzugt 0,1 µm Stärke aus einem Hartstoff in ähnlicher Weise implantiert. Es sind harte Metalloxide oder -nitride dazu vorgesehen. Zirkonoxid (ZrO₂) hat sich besonders bewährt, wozu die Implantation in einem Sauerstoffplasma vorgenommen wird. Diese Deckschicht wird insbesondere so gewählt, daß eine gewünschte Oberflächenaffinität zu der zu transportierenden und zu dosierenden Druckfarbe entsteht.

Die Implantationen erfolgen unter Hochspannung mit einer turbulenten Strömung des Plasmas bevorzugt in Stickstoff und/oder Sauerstoff. Als Spannung werden eintausend bis zehntausend Volt angelegt, und die Stromstärke wird so gewählt, daß bei mäßiger Erwärmung eine ausreichende Eindringtiefe der Ionen und eine Verankerung des Implantats in der Oberfläche erfolgt ohne dies zu verbrennen oder thermisch zu zerstören.

Die Betriebswärme wird durch entsprechende Steuerung der Stromstärke und der Hochspannung so niedrig gehalten, daß keine merklichen thermischen Spannungen nach dem Abkühlen in der oberflächennahen Schicht entstehen. Es sind Temperaturen von 50-80°C vorgesehen. Deshalb können auch solche neuartigen Walzen nach der DE 44 26 485 C1 mit Implantat vergütet werden, deren Hartstoffschicht von einem Kunststoffunterbau getragen ist. Insbes. ist die Hartstoffschicht über einer Metallschicht auf einem elastischen Kunststoffmantel aufgebracht ist, der aus mit Kunststofffasereinlagen armiertem Kunststoff besteht und mit einem elastischen Unterbau auf einen festen metallischen Walzenkern auswechselbar aufgezogen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf eine gerasterte Walzenoberfläche;

Fig. 2 zeigt einen 1000-fach vergrößerten Schnitt durch das Gefüge unter einem geprägten Näpfchen;

Fig. 3 zeigt einen hochvergrößerten Schnitt durch ein Näpfchen mit einer Hartstoff-Metallmatrix- Beschichtung;

Fig. 4 zeigt in 100-facher Vergrößerung Mikrorisse entlang der Korngrenzen einer Walzenbeschichtung;

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht 150-fach vergrößert auf eine gelaserte Hartkeramikoberfläche;

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt zu Fig. 5 in 350-facher Vergrößerung;

Fig. 7 zeigt einen schräg in die Tiefe verlaufenden Anschliff zu Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen Ausschnitt der Oberfläche einer Walze 1, die in einem vorgegebenen Raster R mit pyramidenstumpfförmigen Näpfchen N versehen ist. Zwischen den Näpfchen verbleibt ein kleiner Steg S und die schräggeneigten Wandungen W enden in einem flachen Boden B.

Fig. 2 zeigt eine tausendfache Vergrößerung eines kleinen Ausschnittes der Wandung W und des Bodens B eines Näpfchens N, wobei das aus einem Hartstoff HS, z. B. Stahl, bestehende Gefüge durch eine mikrometerstarke Dotierung mit einem Ionenimplantatmaterial H und einer darüberliegende Deckschicht D versehen ist. Es ist verdeutlicht, daß der Hartstoff HS in seinem Gefüge durch die mechanische Bearbeitung sehr stark zerstört ist und oberflächlich eine große Rauhigkeit und Porosität aufweist, obwohl die Oberfläche vor der Ionenimplantation elektrolytisch poliert worden ist. Die Schichtstärken der Implantate H, D sind überhöht dargestellt; insbes. die implantierte oxydische Deckschicht D ist im allgemeinen wesentlich dünner als die nitrifizierte metallische Implantation H.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt in die Walzenoberfläche hinein, wobei die Näpfchen N in bekannter Weise mit einem oxydischen Hartstoff HS aus einer Nickelmatrix mit Carbideinlage besteht, auf die eine Hartchromschicht aufgezogen ist. Die Chromoberflächer ist dann durch die Ionenimplantation mit dem Implantatmaterial H und der Deckschicht D versehen.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Oberfläche der Hartstoffschicht HS, die mit Hartchrom versehen ist. Es bilden sich deutlich die Korngrenzen ab, welche kleine Mikrorisse M bilden. Diese Mikrorisse werden durch das Hochspannungsimplantat geschlossen.

Fig. 5 zeigt eine andere Art der bekannten Walzenoberflächen in starker Vergrößerung. Hierbei ist eine keramisierte Oberfläche beispielsweise aus Chromoxid durch eine Laserung mit Näpfchen N versehen. Der Laserstrahl wird von Näpfchen zu Näpfchen geführt und schmilzt mit hoher Energie das Material auf und verdampft einen Teil desselben, so daß sich die Näpfchen N bilden. Wie die Zeichnung nach einem Foto zeigt, sind die Kraterränder ungleichmäßig aus der Schmelze erstarrt, und es sind viele Mikrorisse M dort sichtbar.

Wie Fig. 6 im Tiefenschnitt zeigt, reichen die Mikrorisse M bis in eine relativ zur Näpfchenstruktur große Tiefe der erstarrten Näpfchenoberfläche hinein. Diese Mikrorisse M sind mit dem Implantat H ausgefüllt. Auf dem Implantat H ist die Deckschicht D gezeigt, die insbes. die Verträg lichkeit der Farbe mit der Oberfläche günstig beeinflußt und ihr eine vorgegebene Haftfähigkeit zur Druckfarbe verleiht. Die Stärken der Schichten H und D sind überhöht dargestellt.

Fig. 7 zeigt einen von links nach rechts schräg in die Tiefe verlaufenden Schliff einer gelaserten Hartstoffschicht HS. Es zeigt sich, daß die Mikrorisse M auch in den tiefgelegenen Bereichen sich etwa radial von den Näpfchen N erstrecken. Diese Mikrorisse werden durch die Ionenimplantation aufgefüllt und abgedichtet. Außerdem ergibt das Implantatmaterial H, D eine relativ glatte Näpfchenoberfläche.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenveredelung einer Farbübertragungswalze, die eine mikroporöse und mikrorissige metallische oder keramische oder metallkeramische Hartstoffschicht (HS) mit eingeprägten oder gelaserten Farbaufnahmenäpfchen (N) trägt, in einem ersten Implantationsschritt aus einem turbulenten Hochspannungs- Gasentladungsplasma Schwermetallionen als Ionenimplantatmaterial (H) bei einer Spannung von eintausend Volt bis zu zehntausend Volt bei einer Temperatur zwischen 50-80°C auf die Hartstoffschicht (HS) appliziert wird, und dabei solange appliziert wird bis die Mikrorisse (M) und Poren der Oberfläche der Hartstoffschicht (HS) ausgefüllt sind und deren Oberfläche durch das Ionenimplantatmaterial (H) in der Hartstoffschicht (HS) verankert ohne deren thermische Zerstörung um bis zu einer Schichtdicke von 2 µm aufgewachsen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier- und sechswertige Stoffe in einem Gewichtsverhältnis von 70/30 bis 90/10, ionisiert aus dem Plasma dem Hartstoff (HS) ionenimplantierend und aufwachsend zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung Plasma in Stickstoff oder Sauerstoff brennt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Implantationsschritt eine Deckschicht (D) aus einem Metalloxid- bzw. Metallnitrit- Implantat bis zu einer Schichtstärke von 0,05 bis 1 µm aufwächst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasentladungsplasma in einer Sauerstoffatmosphäre brennt und die Deckschicht (D) aus einem Zirkonoxid-Ionenimplantat gebildet wird.

6. Farbübertragungswalze (1) mit einer mechanisch oder durch Laserung eingebrachten Oberflächenstruktur aus Farbübertragungsnäpfchen (N) in einer mikroporösen und mikrorissigen, metallischen oder keramischen oder metallkeramischen Hartstoffschicht (HS), wobei die auf der Hartstoffschicht (HS) befindlichen Mikrorisse (M) und Poren durch ein aus einem turbulenten Hochspannungsgasentladungsplasma appliziertes Ionenimplantatmaterial (H) geschlossen sind, das auf der Oberfläche der Hartstoffschicht (HS) darin verankert ohne deren thermischen Zerstörung auf eine Schichtstärke bis 2 µm aufgewachsen ist.

7. Farbübertragungswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenimplantatmaterial (H) aus einem vierwertigen Stoff und mindestens einem Schwermetall besteht.

8. Farbübertragungswalze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenimplantatmaterial (H) aus Titan oder Molybdän im Verhältnis 70/30 bis 90/10 besteht.

9. Farbübertragungswalze nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zuerst aufgebrachte Ionenimplantatmaterial (H) durch eine weitere Ionenimplantation mit einer verschleißfesten, dünnen Deckschicht (D) aus einem solchen Hartstoff belegt ist, der der Deckschicht (D) eine vorgegebene Affinität zu einer mit der Druckwalze zu dosierenden Druckfarbe verleiht.

10. Farbübertragungswalze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (D) eine Stärke von 0,05-1 µm hat.

11. Farbübertragungswalze nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (D) aus Zirkonoxid besteht.

12. Farbübertragungswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht (H) aus geschliffenem und poliertem Chromoxid (Cr₂O₃) einer Stärke von 100-150 µm besteht und die Zäpfchen (N) durch eine Lasergravur eingebracht und poliert sind und abschließend das Ionenimplantatmaterial (H) mikrorisse- und mikroporenschließend auf- und eingebracht ist.

13. Farübertragungswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht (HS) aus einer plasmaabgeschiedenen Nickel-Chromlegierung 80/20 von ca. 100 µm Dicke besteht, in die die Farbübertragungsnäpfchen (N) eingebracht sind, und abschließend das Ionenimplantatmaterial (H) mikrorisse- und mikroporenschließend auf- und eingebracht ist.

14. Farbübertragungswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht (HS) aus Stahl, Kupfer oder Nickel besteht, und nach dem Einbringen der Näpfchen (N) und elektrolytischer Polierung dünn mit Hartchrom (HC) beschichtet ist und abschließend das Ionenimplantatmaterial (H) mikrorisse- und mikroporenschließend auf- und eingebracht ist.

15. Farbübertragungswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht (HS) aus Stahl, Kupfer oder Nickel besteht, und nach dem Einbringen der Näpfchen (N) elektrolytisch mit einer Metallmatrix unter Einlagerung von Hartstoffkörnern beschichtet ist und abschließend das Ionenimplantatmaterial (H) mikrorisse- und mikroporenschließend auf- und eingebracht ist.

16. Farbübertragungswalze nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Harstoffkörner aus Siliciumcarbid bestehen und in einer Nickelmatrix eingelagert sind.

17. Farbübertragungswalze nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht (HS) auf eine dünne metallische Zwischenschicht aufgebracht ist, die auf einem Kunststoffmantel, der Kunststofffasereinlagen enthält, aufgesputtert ist und in diese die Farbübertragungsnäpfchen (N) eingebracht sind und abschließend das Ionenimplantatmaterial (H) mikrorisse- und mikroporenschließend auf- und eingebracht ist.