DE4008254C2

DE4008254C2 -

Info

Publication number: DE4008254C2
Application number: DE4008254A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 5253 Lindlar De Huettl; Alois 5210 Troisdorf De Vester
Original assignee: Huettl & Vester 5210 Troisdorf De GmbH
Current assignee: Huettl & Vester 5210 Troisdorf De GmbH
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1992-06-17
Also published as: EP0446762A2; DE4008254A1; EP0446762B1; DE59103253D1; EP0446762A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen und Platten für den Flexodruck, Tiefdruck und Beschichten, wobei ein Grundkörper aus Metall mechanisch, elektromechanisch oder mittels Ätzung entsprechend einem gewünschten Prägemuster graviert wird und dann auf den gravierten Grundkörper elektrolytisch mindestens eine Schicht eines Metalls oder einer Metallverbindung zur Erhöhung der Härte und des Korrosionsschutzes aufgebracht wird.

Das Überziehen von Gegenständen aus Metall mit einer Schutzschicht zur Erhöhung der Korrosion und insbesondere der Härte und der Verschleißfestigkeit ist seit langem bekannt, beispielsweise das Überziehen metallischer Gegenstände mit Nickel, meist auf galvanischem Wege oder durch chemische Reduktion, oder das Überziehen mit Chrom, wobei das Chrom z. B. elektrolytisch aus Lösungen von Chromsäure abgeschieden wird. Nach diesen Verfahren können mit Nickel bzw. Chrom verschleißfeste Oberflächen auf metallischen Grundkörpern mit Vickershärten bis zu 950 HV bzw. 1200 HV erzielt werden.

Aus der DE-OS 37 14 327 ist auch ein Metallkörper zur Farbübertragung in Druckwerken bekannt geworden, bei dem auf den Metallkörper eine Verschleißschicht aus Titannitrid in einer Schichtdicke von 1 bis 8 µm aufgedampft wird. Diese sehr dünne Titannitridschicht verbessert zwar die Oberflächenhärte und damit die Verschleißbeständigkeit gegen Abrasion, jedoch ist sie noch korrosionsanfällig.

Aus der EP 03 11 847 sind Armaturen aus Gußeisen mit einer Sperrschicht aus Nickel/Kupfer und/oder Chrom bekannt und einer weiteren Deckschicht auf Basis Nickel oder Kobalt mit eingelagerten Hartstoffen, die insbesondere gegen korrosive Angriffe von schwefelsauren Medien schützen. Hierbei wird die Sperrschicht z. B. galvanisch aufgebracht und die Deckschicht vorzugsweise thermisch, z. B. nach dem Plasma- oder Flammspritzverfahren oder Detonationsspritzen aufgebracht.

Nach der DE-OS 38 09 139 hingegen wird bei der Beschichtung von Metallkörpern mit metallischen Verschleißschichten der Einsatz einer Palladium-Nickel-Legierung als Zwischenschicht vorgeschlagen.

Prägewerkzeuge mit verschleißfesten Oberflächen mit einer Härte bis zu 3000 HV sind bisher lediglich auf Basis keramischer Grundkörper realisiert worden, die mit Hilfe von Laserstrahlen entsprechend dem gewünschten Prägemuster profiliert werden. Wegen der zahlreichen bei der Bearbeitung von Keramikkörpern zu berücksichtigenden Parametern sind jedoch die Gravuren nicht hundertprozentig reproduzierbar, so daß jede gravierte Walze oder Platte bei derselben Gravur geringfügig anders ausfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Prägewerkzeuge auf Basis metallischer Grundkörper verschleißfest mit hohen Härten von über 2000 HV auszurüsten, wobei die Gravuren trotz der aufzubringenden verschleißfesten Schichten reproduzierbar sind.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen oder Platten der gattungsgemäßen Art vorgeschlagen, bei dem

a) auf den gravierten Grundkörper ohne Einwirkung einer äußeren Stromquelle eine Zwischenschicht aus Nickel abgeschieden wird,
b) danach der aus der Elektrolyse stammende und in den Grundkörper eindiffundierte Wasserstoff durch Erwärmen des Grundkörpers auf eine Temperatur bis zu 225°C während einer Dauer von ein bis drei Stunden ausgetrieben wird,
c) dann der mit Nickel beschichtete Grundkörper bei Temperaturen um 250°C während mehrerer Stunden getempert wird,
d) und nach der Abkühlung auf Raumtemperatur die beschichtete Oberfläche des Grundkörpers poliert wird,
e) sodann als Verschleißschicht und äußerste Schicht des Grundkörpers eine Schicht aus einer Metallverbindung wesentlich höherer Härte als Nickel durch Aufdampfen im Vakuum bei Temperaturen bis zu 420°C auf die Nickelschicht aufgebracht wird,
f) und nach Abkühlung die mit der aufgedampften Verschleißschicht versehene Oberfläche des Grundkörpers poliert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, metallische Beschichtungswalzen, wie gravierte Walzen und gravierte Platten, z. B. für die Durchführung von Druckverfahren mit einer verschleißfesten Oberfläche mit einer Härte von bis zu 3000 und mehr HV je nach aufgedampfter Metallverbindung zu schaffen, wobei die Nickelschicht als Zwischenträger dient. Die Nickelschicht wird in einer Dicke von 10 bis 15 µm aufgebracht und weist eine Härte nach Vickers von mindestens 900 HV auf. Die Dicke dieser Zwischenschicht ist im Hinblick auf die Prägemuster in ihrer Dicke begrenzt und sollte nicht dicker als 15 µm sein, da sonst die Geometrie des Prägemusters in unzulässiger Weise verändert wird und damit die Reproduzierbarkeit in Frage gestellt wird. Die Nickelschicht bewirkt jedoch bereits einen Korrosionsschutz für das gravierte Werkzeug, jedoch ist sie bei einer Dicke von 10 bis 15 µm noch minimal porös. Die später aufzudampfende Verschleißschicht diffundiert jedoch noch in die Nickelschicht hinein und bildet mit dieser dann eine geschlossene auch korrosionsfeste Beschichtung. Da die verschleißfeste Schicht hoher Härte ausschließlich durch Aufdampfen im Vakuum bei erhöhten Temperaturen aufgebracht wird, ist die Zwischenschicht aus einem Metall zu wählen, das auch hohen Temperaturen bis zu 400°C standhält, wofür sich Nickel als ein wirtschaftliches Metall anbietet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Gravuren an Walzen und Platten reproduzierbar herstellen, so daß identische gravierte Walzen bzw. Platten herstellbar sind.

Als Metallverbindungen für die Verschleißschicht, die aufzudampfen ist, eignen sich beispielsweise Titannitrid, womit Oberflächenhärten bis zu 3000 HV erreicht werden, oder auch Carbide von Chrom, Wolfram, Hafnium, Molybdän, Vanadium, Niob, Tantal oder Titan. Mit diesen metallischen Hartstoffen können Vickershärten zwischen 1500 und 3000 HV erreicht werden. Geeignet ist auch Hafniumborid, das sich durch eine Vickershärte von etwa 3200 auszeichnet.

Die Verschleißschicht wird in einer Dicke von 4 bis 8 µm, bevorzugt 5 bis 7 µm, aufgedampft.

Um auch für die Zwischenschicht eine höhere Härte als durch Nickel zu erzielen, wird in weiterer Ausbildung des Verfahrens vorgeschlagen, daß die Zwischenschicht zwischen Grundkörper und Verschleißschicht aus einer ersten auf den Grundkörper abgeschiedenen Schicht aus Nickel mit einer Schichtdicke von 4 bis 8 µm und einer zweiten ohne Einwirkung einer äußeren Stromquelle auf die Nickelschicht elektrolytisch abgeschiedenen Schicht von Chrom mit einer Schichtdicke von 4 bis 8 µm gebildet wird. Nickel- und Chromschicht bilden dann die Zwischenschicht, die wiederum nicht dicker als etwa 15 µm insgesamt sein sollte.

Chrom weist eine wesentlich höhere Härte auf als Nickel, nämlich bis zu 1200 HV oder mehr, jedoch hat Chrom den Nachteil, daß es bei den verfahrensmäßig zum Aufdampfen der Verschleißschicht anzuwendenden Temperaturen sich bereits auflöst und porös wird. Erfindungsgemäß wird jedoch das Chrom auf einer Unterlage aus Nickel eingesetzt, so daß die Nickelschicht die Temperatureinwirkung auf das Chrom auffängt und die Chromschicht stabilisiert, gleichzeitig jedoch die Zwischenschicht durch die Chromauflage eine insgesamt höhere Härte und Verschleißfestigkeit erhält, die über 950 HV hinausgeht.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren gravierten Walzen und Platten sind reproduzierbar und weisen eine hohe Verschleißfestigkeit, d. h. wesentlich verlängerte Lebensdauer und eine Härte von mindestens 2000 HV je nach aufgedampfter Metall-Hartstoffverbindung auf.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Aufbringung der Zwischenschicht von Nickel, ohne Einwirkung einer äußeren Stromquelle elektrolytisch, wird eine sehr homogene Schicht erreicht, aus der der aus der Elektrolyse stammende und eindiffundierte Wasserstoff durch eine Wärmebehandlung des Grundkörpers ausgetrieben wird. Dieser Reinigungsvorgang ist wesentlich, um eine ausreichende Haftung der nachfolgend aufzubringenden Verschleißschicht durch Aufdampfen im Hochvakuum bei hohen Temperaturen zu erzielen. Das gilt auch für die kombinierte Zwischenschicht aus Nickel- und Chromschicht.

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

Fig. 1 schematisch im Querschnitt den Aufbau einer gravierten Platte mit Zwischenschicht und Verschleißschicht

Fig. 2 schematisch im Querschnitt den Aufbau einer gravierten Platte mit zweischichtiger Zwischenschicht und Verschleißschicht.

Der Grundkörper 1 des Prägewerkzeuges aus Metall, wie Stahl oder Buntmetall, beispielsweise Messing, Bronze, weist die Grundform eines Kubus für eine Gravurplatte oder aber Rohres mit sehr großen Wanddicken oder Zylinders für eine Gravurwalze auf. Bei dem nachfolgenden Beispiel wird ein Prägewerkzeug aus einer Stahlrohrwalze mit einem Außendurchmesser von 127,32 mm mit einer Wanddicke vom 20 mm und einer Länge von 1100 mm hergestellt. Die Oberfläche des Grundkörpers 1 wird in den gewünschten Bereichen entsprechend der gewünschten Gravur mit der Gravur 2 auf mechanischem, elektromechanischem Wege oder mittels Ätzung versehen. Der so mit der Gravur 2 versehene Grundkörper 1 wird anschließend zumindest im Bereich der gravierten Fläche mit einer ohne Einwirken einer äußeren Stromquelle elektrolytisch aufgebrachten Nickelschicht 3 in einer Dicke von 12 bis 15 µm versehen. Nach Entzug des Wasserstoffs durch Erwärmung während 2 Stunden auf 225°C und einer anschließenden Temperung während 4 Stunden bei 225°C des Grundkörpers 1 wird dieser auf Raumtemperatur abgekühlt und oberflächlich im Bereich der gravierten Fläche poliert. Danach kann die Verschleißschicht 4 als äußerste Schicht durch Aufdampfen einer entsprechenden metallischen Hartstoffverbindung, beispielsweise Titannitrid, im Hochvakuum bei Temperaturen bis zu 400°C aufgebracht werden. Hierbei wird der sich auf Raumtemperatur befindende Grundkörper 1 langsam im Vakuum bis auf die entsprechende Temperatur aufgeheizt. Die Verschleißschicht 4 sollte eine Dicke von 5 bis 7 µm aufweisen. Nach dem Abkühlen des so mit den Schichten 3 und 4 ausgestatteten Grundkörpers 1 wird auch die aufgedampfte Schicht oberflächlich poliert. Damit ist die gravierte Platte oder Walze mit einer verschleißfesten Schicht von ca. 3000 HV ausgestattet und ist in dieser Form reproduzierbar herstellbar.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten ausschnittweise schematischen Aufbau einer gravierten Platte oder Walze ist der Grundkörper 1 ebenfalls mit der gravierten Fläche 2 ausgestattet. Hierauf ist eine erste Zwischenschicht 3a aus Nickel elektrolytisch aufgetragen in einer Schichtdicke von etwa 5 µm. Gegebenenfalls nach erforderlichen Reinigungsprozessen wird hierauf ohne Einwirken einer äußeren Stromquelle eine Chromschicht 3b elektrolytisch in einer Dicke von 5 µm aufgetragen und anschließend durch Wärmebehandlung der Wasserstoff entzogen, die Oberfläche poliert und danach, wie in dem Beispiel nach Fig. 1 beschrieben, eine verschleißfeste Schicht 4 aufgedampft.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gravierte Walzen und Platten mit feinsten Gravurmustern, z. B. 40000 Löcher auf 1 cm² je ca. 16 µm tief, reproduzierbar mit einer Oberflächenhärte von ca. 3000 HV hergestellt werden. Derartige Gravuren werden z. B. für Gravur- und Beschichtungswalzen vielfältig für Druckverfahren benötigt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von gravierten Walzen und Platten für den Flexodruck, Tiefdruck und Beschichten, wobei ein Grundkörper aus Metall mechanisch, elektromechanisch oder mittels Ätzung entsprechend einem gewünschten Prägemuster graviert wird und dann auf den gravierten Grundkörper elektrolytisch mindestens eine Schicht eines Metalls oder einer Metallverbindung zur Erhöhung der Härte und des Korrosionsschutzes aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf den gravierten Grundkörper ohne Einwirken einer äußeren Stromquelle eine Zwischenschicht aus Nickel abgeschieden wird,
b) danach der aus der Elektrolyse stammende und in den Grundkörper eindiffundierte Wasserstoff durch Erwärmen des Grundkörpers auf eine Temperatur bis zu 225°C während einer Dauer von ein bis drei Stunden ausgetrieben wird,
c) dann der mit Nickel beschichtete Grundkörper bei Temperaturen um 250°C während mehrerer Stunden getempert wird,
d) und nach der Abkühlung auf Raumtemperatur die beschichtete Oberfläche des Grundkörpers poliert wird,
e) sodann als Verschleißschicht und äußerste Schicht des Grundkörpers eine Schicht aus einer Metallverbindung wesentlich höherer Härte als Nickel durch Aufdampfen im Vakuum bei Temperaturen bis zu 420°C auf die Nickelschicht aufgebracht wird,
f) und nach Abkühlung die mit der aufgedampften Verschleißschicht versehene Oberfläche des Grundkörpers poliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenmzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Dicke von 10 bis 15 µm und eine Härte, gemessen nach Vickers, von mindestens 900 HV aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgedampfte Verschleißschicht eine Dicke von 4 bis 8 µm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschicht eine Härte nach Vickers von mindestens 2500 HV aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Titannitrid verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht Carbide von Chrom, Wolfram, Hafnium, Molybdän, Vanadium, Niob, Tantal oder Titan oder Hafniumborid verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht zwischen Grundkörper und Verschleißschicht aus einer ersten abgeschiedenen Schicht aus Nickel mit einer Schichtdicke von 4 bis 8 µm und einer zweiten ohne Einwirkung einer äußeren Stromquelle auf die Nickelschicht elektrolytisch abgeschiedenen Schicht von Chrom mit einer Schichtdicke von 4 bis 8 µm gebildet wird.