DE4315813A1 - Verfahren zur Herstellung von Druckwalzen aus einem metallischen Kernzylinder und einer Kupfer- oder Kupferlegierungsauflage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckwalzen mit einem Kernzylinder aus Metall und einer haftfesten Kupfer- oder Kupferlegierungsauflage.

Auf dem Gebiet der Drucktechnik sind kupferbeschichtete Metallzylinder von besonderer technischer Bedeutung und finden z. B. als Tiefdruckzylinder Verwendung. Die Kupferschicht läßt sich mechanisch bearbeiten und entweder chemisch, mechanisch oder mit Hilfe der Lasertechnik gravieren.

Für das Aufbringen von Kupfer für den genannten Zweck ist die elektrochemische Abscheidung bekannt. Die Umweltschutzaufwendungen für z. B. Abwasser verteuern dieses Verfahren in zunehmender Form. Die Produktionszeiten für eine Schichtdicke von beispielsweise 1 mm betragen etwa 8 bis 12 Stunden und sind in Sinne einer flexiblen Fertigung zu verkürzen.

Kupferlegierungen lassen sich galvanisch nur sehr schwer mit gleicher Legierungszusammensetzung auf einem Zylinderkörper abscheiden. Ferner müssen für die einzelnen Legierungsarten unterschiedliche Elektrolytbäder verwendet werden. Unterschiedliche Metalle oder Metallegierungen des Grundzylinders bedürfen einer getrennten Vorbehandlung vor der galvanischen Auftragung.

Das Aufbringen von Kupfer durch Flamm- oder Plasmaspritzen auf metallische Körper zum Zwecke der Herstellung einer lötbaren Verbindung oder zur Verbesserung des elektrischen Übergangswiderstands sind bekannt. Die bisher erzeugten grobfladigen Schichten sind in ihrer Zusammensetzung inhomogen und für eine hochwertige Gravur für Druckzylinder ungeeignet. Die geeigneteren Spritzprozesse unter Vakuum, Schutzgaskammern und Schutzgasummantelungen sind in technischer Hinsicht sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung war es daher ein Verfahren bereitzustellen; welches es ermöglicht, daß mit einem Verfahren sowohl Kupfer- als auch Kupferlegierungsbeschichtungen mit geringeren Entsorgungskosten und hoher Produktivität unabhängig von der Zusammensetzung des metallischen Grundkörpers aufgebracht werden können. Die Beschichtung muß homogen und mechanisch so bearbeitbar sein, daß die Oberflächenbeschaffenheit vergleichbar mit galvanischen Kupferbeschichtungen ist. In diese Oberfläche muß es möglich sein, die Gravuren für Druckwalzen ohne Qualitätsverluste einzubringen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, dessen kennzeichnendes Merkmal darin zu sehen ist, daß auf die metallische Oberfläche eines Druckzylinders feinkörniges Kupfer- oder Kupferlegierungspulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser 12 µm durch Plasmaspritzen bei niedriger Energie des Plasmabrenners ohne oxidische Zwischenlagen aufgebracht wird.

Nach der Beschichtung wird die Schicht zu einer geschlossenen homogenen Oberfläche mechanisch bearbeitet und die Gravuren mit hoher Güte eingebracht.

Der metallische Grundzylinder besteht vorzugsweise aus Stahl. Es können auch andere Metalle und Metall-Legierungen z. B. Aluminium oder hochfeste Aluminiumlegierungen verwendet werden.

Zusätzlich kann der Grundzylinder auch mit chemisch oder elektrochemisch abgeschiedenen Metallen wie Nickel, Kupfer u. a. beschichtet sein.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche des Druckzylinders zunächst einem Aufrauhprozeß unterzogen. Vorzugsweise kann hierzu eine Aufrauhung der Oberfläche mit Sandstrahlgeräten vorgesehen sein, wobei als Strahlmittel vorzugsweise mineralisches Strahlgut wie Aluminiumoxid, Elektrokorund, Siliciumcarbid, Zirkonkorund u. a. in Frage kommen. Bevorzugte Strahlbedingungen sind dabei ein Strahldruck im Bereich von 2 bis 6 bar, eine Korngröße im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm, bevorzugt 0,5 bis 1,2 mm, ein Abstand der Düse zu der zu behandelnden Oberfläche im Bereich von 90 bis 150 mm und eine Bewegung der Düse über die behandelte Oberfläche hinweg mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 1 m/sec. Die Mikrooberflächenrauheit R_a des auf diese Weise behandelten Grundkörpers liegt im Bereich von 5 bis 15 µm, gemessen nach DIN 4768. Die Makrostruktur bleibt unverändert.

Zweckmäßigerweise folgt dem Aufrauhprozeß ein Reinigungsprozeß durch Druckluft oder in einem Reinigungsbad, gegebenenfalls mit Unterstützung durch Ultraschall. Durch den Reinigungsprozeß wird im Rahmen der Erfindung sichergestellt, daß eventuell noch vorhandene Verunreinigungen an der Oberfläche wirksam entfernt werden.

Das Auftragen von Kupfer und Kupferlegierungen erfolgt erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen von pulverförmigem kugeligem mikrofeinem Werkstoff mit einem Teilchendurchmesser D₅₀ von 6 bis 12 µm, die nach der Analysenmethode Laserbeugung Silas bestimmt wird. Der Phosphor­ gehalt des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt im Bereich von 0,08 bis 0,15% und wird fotometrisch bestimmt, während der Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 0,3% liegt und durch Heißextraktion im Inertgasstrom bestimmt wird. Überraschend zeigte sich, daß ein Phosphorgehalt von vorzugsweise 0,10 bis 0,12% als Desoxidationsmittel positive Auswirkungen auf das Oxidationsverhalten der aufgetragenen Kupferschicht ausübt. Neben reinem Kupfer können auch Kupferle­ gierungen verwendet werden, wie z. B. Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Kupfer- Aluminium, Kupfer-Nickel oder Kupfer-Nickel-Zink, die zusätzlich weitere Legierungsbestandteile wie z. B. Eisen, Mangan, Silizium oder Blei enthalten können.

Bei dem Plasmaspritzverfahren wird als Plasmagas ein Inertgas oder eine Inertgasmischung verwendet, vorzugsweise Argon in einer Menge im Bereich von 30 bis 60 l/min. Die Mikrokörnung des Auftragswerkstoffes bewirkt, daß der Plasmabrenner bei niedriger elektrischer Leistung betrieben werden kann. Die bevorzugte elektrische Leistung des Plasmabrenners beträgt bevorzugt 10 bis 15 kW, besonders bevorzugt 12 kW. Der Brenner wird an dem rotationssymmetrischen Grundkörper in einem Abstand im Bereich von 40 bis 100 mm, vorzugsweise von 40 bis 70 mm, mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 100 mm/min vorbeibewegt. Unter derartigen Bedingungen wird eine Auftragsrate im Bereich von 2 bis 8 kg/h erreicht.

Die zur Beschichtung vorgesehenen Druckwalzen werden während des Beschichtungsvorgangs, um die Oxidbildung gering zu halten und um Eigenspannungen sowohl in der Beschichtung, als auch im Grundkörper vorzubeugen, vorzugsweise gekühlt. Zu diesem Zweck wird bevorzugt CO₂ in fein kristalliner Form bei einem hohen Druck von circa 40 bis 60 bar eingesetzt. Es ist zwar bekannt, daß CO₂ zur Kühlung beim thermischen Spritzen Verwendung findet, jedoch ist es für den Fachmann überraschend, daß gleichzeitig ein Strahlen der Oberfläche durch die bei der Entspannung entstehenden feinen CO₂-Partikel stattfindet, wodurch erreicht wird, daß eine Einbettung stark oxidierter, störender Kleinstpartikel in die Beschich­ tung unterbunden wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragenen Schichten können in einem Arbeitsgang eine Schichtdicke im Bereich von 50 bis 2000 µm aufweisen, vorzugsweise von 100 bis 1000 µm, wobei die Dicken­ gleichmäßigkeit nur noch um 5 bis 10% schwankt. Die Auftragung in einer Lage bewirkt, daß die Schicht keine oxidischen Zwischenlagen aufweist.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung, nach der das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren durchgeführt werden kann. Im einzelnen sind mit Bezugszeichen der Plasmabrenner 1 dargestellt, in den das Plasmagas 2 eingeleitet wird. Das Kupferpulver 3 wird in einer Dosiervorrichtung 4 vorgelegt, mit einem Pulverträgergas 5 in den heißen Gasstrahl eingegeben und schlägt sich dann auf die metallische Oberfläche 6 nieder. Der rotationssymmetrische Körper wird durch eine Vorrichtung 7 in Rotation versetzt und nach Beginn des Beschichtungsprozesses mit Kohlensäure 8 gekühlt, wobei nichthaftende Partikel durch feine Kristalle abgestrahlt. Der Plasmabrenner 1 wird durch eine Bewegungseinrichtung 9 in einem nicht dargestellten Übergang bezogen auf die Längsachse an dem Beschichtungskörper entlang geführt. Der metallische Körper ist nach diesem Prozeß mit einer Kupferschicht 10 überzogen.

Überraschend zeigte sich, daß sich die nach dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren erhaltenen beschichteten metallischen Zylinder besonders gut zur mechanischen Bearbeitung für die Verwendung als gravierte Druckwalzen eignen, wobei insbesondere die nicht gravierte polierte schattenfreie Oberfläche eine Rauheit R_a 0,1 mm (DIN 4768) aufweist.

Die geschlossene Oberfläche läßt sich galvanisch oder chemisch mit Metallen wie z. B. Nickel, Chrom, Kupfer u. a. sowie mit Metallegierungen versehen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden, ohne aber auf die konkret beschriebene Ausführungsform beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Die Oberfläche eines Druckzylinders aus Stahl mit einem Durchmesser von 113,2 mm und einer Länge von 375 mm wurde zur Auftragung der Kupfer­ schicht durch Sandstrahlen aufgerauht. Als Strahlmittel wurde Elektroko­ rund verwendet, ein Aluminiumoxidpulver mit einem Anteil von 3% Titandioxid und einer Korngröße im Bereich von 1 bis 1,2 mm. Der Strahldruck betrug 2,5 bar bei einem Strahlabstand von 120 mm und bei einem Strahldüsendurchmesser von 8 mm. Nach dem Aufrauhen wurde die Oberfläche mit gereinigter Druckluft gereinigt.

Die so behandelte Oberfläche des Grundkörpers wurde durch Plasma­ spritzen mit einem Kupferpulver mit einer Korngröße D₅₀ im Bereich von 8 bis 10 µm beschichtet. Als Plasmagas wurde Argon verwendet. Die Brennerleistung betrug 12 kW und der Brenner wurde in einem Abstand von 60 mm mit einer Geschwindigkeit von 22 mm/min über den mit einer Drehzahl von 320 U/min rotierenden Grundkörper hinwegbewegt. Die Oberfläche des Grundkörpers wurde dabei im Bereich der Plasmaflamme mit CO₂ unter einem Druck von 60 bar gekühlt und nicht haftendes Material durch Strahlen mit CO₂-Partikeln entfernt.

Die so hergestellte Kupferschicht hatte eine Schichtdicke von 1 mm. Die Kupferoberfläche ließ sich sehr gut mit polykristallinem Diamant mechanisch bearbeiten. Nach einer Durchmesserverringerung von 0,15 mm wurde eine porenfreie Oberfläche mit einer Rauheit R_a von 0,3 mm erreicht. Die Oberflächengüte der anschließenden Endbearbeitung durch Diamantfilm-Läppen betrug R_a < 0,04 mm. Die Rauheiten wurden gemessen nach DIN 4768. Die Formabweichung des fertigen Zylinders betrug 0,01 mm, während ihre Lageabweichung 0,01 mm betrug, jeweils im Einklang mit DIN ISO 1101.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Druckwalzen aus einem metallischen Kernzylinder und einer Kupfer- oder Kupferlegierungsauflage, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Zylinders feinkörniges Kupfer oder Kupferlegierungspulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser 12 µm durch Plasmaspritzen bei niedriger Energie des Plasmabrenners ohne oxidische Zwischenlagen aufgebracht ist und sich die Beschichtung mechanisch zu einer homogenen geschlossenen Oberfläche mit geringer Rauheit bearbeiten läßt, in die sich Gravuren mit hoher Güte einbringen lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernzylinder ein metallischer Körper aus Stahl oder hochfester Aluminiumlegierung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kernzylinder eine galvanische oder chemische Beschichtung, vorzugsweise eine Auflage aus Nickel, Kupfer oder Kupferlegierung, aufgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche zunächst einem Aufrauhprozeß, vorzugsweise durch Sandstrahlen mit mineralischem Strahlgut, wie Aluminiumoxid, Elektrokorund, Siliciumcarbid oder Zirkonkorund unterzogen und anschließend mit gereinigter Druckluft oder in einem wäßrigen Reinigungsbad gegebenenfalls mit Unterstützung von Ultraschall gereinigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Kupfer oder einer Kupferlegierung vorzugsweise eine kugelige Form und eine Korngröße D₅₀ im Bereich von 8 bis 12 µm besitzt, wobei dem Kupfer als Legierungsbestandteile ein oder mehrere Elemente der Metalle Zink, Zinn, Nickel, Mangan, Silizium, Aluminium, Blei oder andere zulegiert sein können.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer- oder Kupferlegierungspulver desoxidierende Zusätze, vorzugsweise Phosphor, in einer Menge im Bereich von 0,08 bis 0,15 Gew.-% enthalten kann.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas ein Inertgas, vorzugsweise Argon, verwendet wird und daß der Plasmabrenner mit einer elektrischen Leistung im Bereich von 10 bis 15 kV, vorzugsweise mit 12 kV, in einem Abstand zu dem rotierenden Zylinder im Bereich von 40 bis 70 mm betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beschichtung vorgesehene Zylinder während des Beschichtungsvorgangs gekühlt wird, wobei die Metalldämpfe und nicht aufgeschmolzenen Partikel von der Oberfläche entfernt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung und Entfernung der Metalldämpfe und nicht aufgeschmolzenen Partikel vorzugsweise CO₂ in fein kristalliner oder gasförmiger Form bei hohem Druck im Bereich von 40 bis 60 bar eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer oder Kupferlegierungsbeschichtung in einem Arbeitsgang mit einer Schichtdicke von 50 bis 2000 µm ohne oxidische Zwischenlagen aufgetragen wird.

11. Mit Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichteter Metallzylinder hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mechanisch bearbeitet ist und durch Drehen und Polieren eine homogene geschlossene Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit R_a im Bereich 0,04 mm entstehen kann.

12. Verwendung eines Zylinders nach Anspruch 11, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 zur Einbringung von Gravuren mit Hilfe der Lasertechnik oder auf chemischem oder mechanischem Wege.

13. Verwendung eines mit Kupfer oder mit Kupferlegierung beschichteten Metallzylinders nach Anspruch 11 als Druckzylinder für das Tiefdruckverfahren oder als Auftragswalze für Farben, Leime und andere Zubereitungen in der Druck-, Papier-, Folien- oder sonstigen Industrie.