DE68923321T2 - Walze für die Presspartie einer Papiermaschine und Verfahren zur Herstellung der Walze. - Google Patents
Walze für die Presspartie einer Papiermaschine und Verfahren zur Herstellung der Walze.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Walze, die zur Herstellung von Papier verwendet wird, z.B. eine Mittelwalze für die Preßpartie oder eine Kalanderwalze, mit der die Papierbahn in direktem Kontakt ist und von der die Papierbahn abgelöst wird, wobei eine Beschichtung auf dem Zylindermantel der Walze ausgebildet worden ist und die Beschichtung teilweise aus Metall besteht und auch ein Keramikmaterial umfaßt.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Walze.
- Es war bekannt, für den Preßbereich einer Papiermaschine eine Steinwalze zu verwenden, die aus Granit besteht. Die Beliebtheit von Granit beruht auf dessen Oberflächeneigenschaften, die ein kontrolliertes Ablösen der Papierbahn von der Steinfläche ermöglichen. Zudem widersteht Granit der abnutzenden Wirkung eines Papiermaschinenschabers (doctor well).
- Jedoch hat Granit bestimmte Nachteile. Da er ein natürliches Material ist, variieren seine Eigenschaften, und innere Risse im Granit und seine Neigung zur Rißbildung stellen ein ernsthaftes Problem für dessen Verwendung für manche Anwendungen dar. Zudem ist eine Granitwalze schwer, wodurch die Neigung zur Vibration der Apparatur erhöht wird. Das Gewicht der Steinwalze spiegelt sich auch in den Ausmaßen der Hebevorrichtung und des Unterbaus der Papiermaschine wieder.
- Es waren auch synthetische Steinwalzen bekannt, die im Prinzip mit Polymerflächen versehen sind, wobei Steinpulver, wie Quarzsand, zu Hartgummi oder Polyurethan gegeben worden ist. Diese Walzen hatten die Nachteile, daß die Papierbahn übermäßig an den Walzenflächen anhaftete und deren mechanische Festigkeit gering war.
- In der GB-A-2 169 381 des Anmelders ist eine Preßwalze beschrieben, deren Oberflächenschicht aus einer Mischung aus Metallpulver und einer anorganischen Substanz zusammengesetzt ist. Das Metall wirkt dabei als ein Bindemittel und erhöht die Zähigkeit der Walzenbeschichtung. Funktion der anorganischen Substanz ist es, eine verschleißfeste Fläche mit geeigneter Oberflächenenergie zu liefern, da die Oberflächenenergie der Walzenfläche innerhalb bestimmter Grenzen liegen muß, um das Ablösen der Papierbahn von der Fläche der Preßwalze zu kontrollieren.
- GB-A-2 180 624 beschreibt eine ähnliche Technik.
- Für eine Walze gemäß der FI-Patentanmeldung Nr. 853544 und GB-A-2 180 624 des Anmelders konnte eine bessere Oberflächenenergie erhalten werden, indem als Metallbestandteil rostfreier Stahl verwendet wird, der einen bestimmten Gehalt an Chrom enthält, wobei der Anteil an Chrom in dem Metall 9 bis 35 % ist. Rostfreier Stahl, der einen Überschuß an Chrom enthält, ist ein hydrophiles Material (Chrom erhöht die Hydrophilie). Andererseits werden durch Zulegierung von Chrom verschleißfeste Karbide in der Struktur erhalten. Chrom erhöht auch die Korrosionsbeständigkeit von Stahl. In einer solchen "Legierung" liegt das Keramikmaterial getrennt von dem Stahl als Chromkarbid vor.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Walze und ein Verfahren zur Herstellung derselben zur Verfügung zu stellen, mit der das Ablösen der Papierbahn von der Walzenfläche kontrolliert werden kann, und die Temperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung sogar besser ist.
- Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist die erfindungsgemäße Walze durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
- Andererseits ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung der vorstehenden Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 12 gekennzeichnet.
- Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Walzenrahmen verwendet werden, die zusammen mit ihren Enden und Lagerhälsen mittels herkömmlicher Gußtechnik hergestellt worden sind, wobei der Walzenrahmen in erster Linie für die mechanische Festigkeit der Walze zuständig ist, und andererseits die Oberflächeneigenschaften der Walze und die Haltbarkeit der Walzenfläche auf neuartige Weise erzielt werden.
- Die erfindungsgemäße Walze kann mittels zahlreicher verschiedener Verfahren hergestellt werden, die in GB-A-2 169 381 und in der F'-Patentanmeldung 853 544 beschrieben sind.
- Die Karbidbeschichtung dient als Preßfläche der Walze, die als besonderes Merkmal gute Eigenschaften in Hinblick auf die Ablösung der Papierbahn hat.
- Die Ablöseeigenschaften beruhen auf Eigenschaften der Karbidbeschichtung, wie Mikroporösität, geringe Verlustreibung, geeignete Oberflächenrauhheit und Dauerhaftigkeit dieser Eigenschaften.
- Nachstehend werden die Morphologie, die chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften der erfindungsgemäßen Beschichtung im einzelnen erläutert.
- Die erfindungsgemäße Walzenbeschichtung besteht aus karbidreichen Bereichen, deren Durchmesser etwa 10 ... 50 um ist, sowie aus Matrixbereichen, die dazwischenliegen, deren Durchmesser etwa 10 ... 50 um ist. Die Größe der Karbide in den Karbidbereichen ist etwa 0,5 ... 10 um, und der Anteil der Karbide beträgt etwa 50 ... 95%. Karbide treten auch in dem Matrixbereich auf, sie sind jedoch von submikroskopischer Größe von etwa 0,001 ... 0,01 um, und ihr Anteil variiert innerhalb eines Bereichs von 5 ... 50 Vol.%. Einige der Karbide sind noch nicht abgetrennt und der Kohlenstoff verstärkt die Matrix mittels eines Lösungs- Verstärkungsmechanismus. Der Anteil an Karbidbereichen variiert in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck. Ist der Anteil gering, etwa 5 ... 20 Vol.%, ist die Beschichtung weicher und zäher als wenn der Anteil hoch ist, z.B. 70 ... 95 Vol.%, wobei sich in dem letzteren Fall die Verschleißfestigkeit gegen Abreibung mit der Härte und Sprödigkeit erhöht. Beispielsweise beträgt der Anteil an Karbidbereichen in einer Wolfram-Karbidfläche einer G-Walze annähernd 20 ... 30 Vol.%.
- Chemisch ist die Walzenbeschichtung eine Mischung aus Wolfram, Chrom und Kohlenstoff, oder eine Mischung aus Wolframkarbid, Wolfram, Kobalt, Chrom und Kohlenstoff. Die Prozentanteile der Bestandteile der Zusammensetzung sind in dem Matrixbereich in einer Größenordnung von W 70 ... 88 Massen%, vorzugsweise 81 Massen%, Co 7 ... 13 Massen%, vorzugsweise 10 Massen%, Cr 4 ... 10 Massen%, vorzugsweise 4 Massen%, C 4 ... 8 Massen%, vorzugsweise 4 ... 5 Massen%. In dem karbidreichen Bereich ist der Prozentanteil der Bestandteile der Zusammensetzung in einer Größenordnung von WC 70 ... 95 Massen%, vorzugsweise etwa 85 % (z.B. 86%), Co 7 ... 13 Massen%, vorzugsweise 10 %, Cr 4... 8 Massen%, vorzugsweise etwa 5% (z.B. 4%). Die Zusammensetzung der Wolframkarbide besteht aus verschiedenen Karbiden, deren Prozentanteile in der Größenordnung von WC 30 ... 100 %, vorzugsweise 50 %, WC1-x 0 ... 50 %, vorzugsweise 40 %, W&sub2;C 0... 30 %, vorzugsweise 10 % liegen. Die Zusammensetzung in dem Matrixbereich entspricht der mittleren Zusammensetzung, jedoch ist ein Teil des Kohlenstoffs in submikroskopischen Karbiden gebunden und ein Teil davon ist in der Metallmatrix gelöst.
- Die Oberflächenrauhheit wird über die Porosität der Fläche, Größe der Karbide und mittels des Feinschleifgrades reguliert. Die Porosität wird durch die Beschichtungsparameter beeinflußt. Mit erhöhter Porosität erhöht sich auch die Oberflächenrauhheit. Die Größe der Karbide wird hauptsächlich durch die Größe der Karbide in dem Pulver, aus dem die Beschichtung gebildet ist, festgelegt. Mittels der Beschichtungsparameter kann die Karbidgröße ein wenig verringert werden. Mit wachsender Karbidgröße wird die Oberflächenrauheit erhöht. Die Oberflächenrauhheit wird durch Feinschleifen beeinflußt, indem Karbidspitzen, die in der Oberfläche vorhanden sind, weggeschliffen werden, wodurch gleichzeitig die Oberflächenrauhheit verringert wird, und gleichzeitig werden makroskopische Unebenheiten weggeschliffen. Die erwünschte Oberflächenrauhheit hängt von dem Verwendungszweck ab; wenn erhöhte Reibungs- und Ablöseeigenschaften erwünscht sind, wird eine höhere Oberflächenrauhheit gewählt, z.B. Ra 1 .. - 2 um, und wenn eine geringe Reibung und geringe Abnützung erwünscht sind, ist die Oberflächenrauhheit z.B. Ra 0,2 ... 1 um.
- Die Härte der Beschichtung ist größer als 1000 HV 300 und die innere Beanspruchung ist größer als 100 N/mm².
- Die Beschichtung der erfindungsgemäßen Walze besteht aus einem Pulver, dessen Eigenschaften im folgenden im einzelnen behandelt werden.
- Das Pulver besteht aus einem karbidreichen Pulver und einem Matrixpulver. Die Teilchengröße des Pulvers ist 5 ... 50 um, und die Verteilung hängt von dem Verfahren ab und ist beispielsweise: < 45 um 99 %, < 20 um 20% und < 15 um 7%. Die Teilchengöße ist umso kleiner, je kürzer die Zeit ist, der es der Wärme ausgesetzt wird, oder je niedriger die Beschichtungstemperatur ist. Das Pulver muß jedoch ausreichend groß sein, um einer Beschichtungsvorrichtung zugeführt werden zu können. Zudem übt auch die Oberfläche der Teilchen einen gewissen Einfluß aus; je größer die Oberfläche ist, umso effizienter ist das Erwärmen. Die Größe der Karbide, die in den Pulverteilchen vorhanden sind, variiert mit dem Verwendungszweck und ist abhängig von den Anforderungen an die Rauhheit 1 ... 10 um. Eine Karbidgröße von 1 um entspricht einer Oberflächenrauhheit von etwa 0,5 um Ra, und eine Karbidgröße von 3 um entspricht einer Oberflächenrauhheit von etwa 1,5 um Ra. Das Matrixpulver wird aus einer Schmelze mittels Schnellverfestigung (Schnellverfestigungstechnik) erhalten, so daß der Kohlenstoff in der Struktur als submikroskopische Karbide und/oder in der Metallmatrix gelöst verbleibt. Die Karbidteilchen in der Beschichtung und in dem Pulver haben eine runde Gestalt. Die chemische Zusammensetzung des Pulvers entspricht der Zusammensetzung der Beschichtung. Die Matrix kann kristallin, amorph oder ein Gemisch aus Strukturen einer kristallinen und einer amorphen Substanz sein.
- Das Pulver (Matrixpulver) wird beispielsweise mittels Mahlsinter- und Zerkleinerungsverfahren hergestellt. Die Beschichtung wird mittels bekannter Verfahren durchgeführt, z.B. Bandschweißen, durch thermisches Spritzen, Gießen, indem ein gesintertes und/oder gewalztes Band um den Zylinder gewickelt wird, oder die Walzenbeschichtung wird unter Verwendung einer flexiblen Matte hergestellt, die durch Schmelzen mittels Induktion, Laser oder einer beliebigen anderen Erwärmungsart auf den Walzenrahmen aufgebracht wird. Diese Verfahren sind im einzelnen in der GB-A-2 169 321 des Anmelders und in der FI-Patentanmeldung 853544 beschrieben. Wird die Beschichtung mittels Spritzen hergestellt, werden zwei Pulverkomponenten verspritzt, nämlich
- a) Karbid und Bindemittelmetall und
- b) Matrixmetall.
- Bezüglich der Benetzungs- und Oberflächenspannungseigenschaften ist die Beschichtung dem Granit ähnlich, der herkömmlicherweise für die betreffende Walze verwendet worden ist.
- Die Langzeit-betriebsqualität der Karbidbeschichtung wird durch hohe Verschleißfestigkeit aufgrund der hohen Härte (1100 HV) und durch die gute Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Legierung sichergestellt. Beide Faktoren wahren die Mikroporosität und Oberflächenrauhheit, die in Hinblick auf die Ablösung der Papierbahn wesentlich sind. Das Mikroporositätsausgangsniveau kann über die Parameter des Beschichtungsverfahrens eingestellt werden.
- Die Karbidbeschichtung wird auch den geänderten Bedingungen standhalten können, die für zukünftige Papiermaschinen vorhersehbar sind, wie Korrosionsbeanspruchung und höhere Temperaturen, Füllstoffgehalte und anwachsende Linearbeschickungen. Die Beschichtung wird auch thermische Schocksituationen aushalten.
- Anhand der folgenden Beispiele und der Figur wird die Erfindung weiter erläutert.
- Auf der Basis von Versuchsläufen, die mit der Testpapiermaschine des Anmelders mit der Karbidbeschichtung durchgeführt wurden, wurden im Vergleich mit anderen Testflächen kleine Ablösewinkel und geringe Ablösekräfte ermittelt.
- Die Figur illustriert die Papierbahn-Ablösewinkel als Funktion des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der Papierbahn und der Walze bei einer Papiermaschinenlaufgeschwindigkeit von 18 m/s.
- In der Testmaschine wurden die Versuchsläufe mit folgenden Walzen durchgeführt:
- 1.A alte Steinwalze
- 2.B Metallwalze
- 3.C herkömmliche Polymerwalze
- 4.D erfindungsgemäße Walze
- mit einer Papiermaschinengeschwindigkeit von 18 m/s.
- In der Figur sind die Ergebnisse als Funktion der Papierbahn-Ablösewinkel zu dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Papierbahn und der Walze wiedergegeben. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Karbidbeschichtung D die besten Ablöseeigenschaften hatte, da bei einer bestimmten Zugkraft der Ablösepunkt der Papierbahn früh erscheint (kleiner Ablösewinkel). In den Versuchsläufen wurde auch die relative Ablösearbeit gemessen. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Ablösearbeit mit der Karbidbeschichtung D beträgt etwa 40 % der Ablösearbeit der Referenzrolle A.
- Wert Ws der relativen Ablösearbeit mit verschiedenen Walzen:
- Theorie:
- Als Vergleich erhalten:
- Werte w, basierend auf den Ergebnissen der Versuchsläufe: Walze
- Es folgen die Patentansprüche, wobei die Einzelheiten der Erfindung innerhalb des Erfindungsgedankens, der durch die Ansprüche definiert wird, variieren kann.
Claims (22)
1. Walze für die Herstellung von Papier, z.B. eine
Mittelwalze für die Preßpartie oder eine Kalanderwalze, die
mit der Papierbahn in direktem Kontakt ist, und von der die
Papierbahn abgelöst wird, wobei eine Beschichtung auf dem
Zylindermantel der Walze ausgebildet ist, wobei die
Beschichtung teilweise aus Metall besteht und zudem ein
Keramikmaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche der Beschichtung aus karbidreichen
Bereichen und aus Matrixbereichen besteht, die zwischen
diesen Bereichen liegen, wobei beide Bereiche aus Metall
mit einem Anteil an Karbiden bestehen, und die Menge und
Größe der Karbide in den genannten Bereichen
unterschiedlich ist.
2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser der karbidreichen Bereiche 10 ... 50 um
und der Durchmesser der Matrixbereiche 10 ... 50 um ist.
3. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der Karbide in den Karbidbereichen 0,5 ... 10
um und der Anteil der Karbide in diesen Bereichen 50 ... 95
% ist.
4. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der Karbide in den Matrixbereichen 0,001 ...
0,01 um ist und der Anteil der Karbide in diesen Bereichen
in einem Bereich von 5 ... 50 %liegt.
5. Walze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Beschichtung einige der Karbide nicht getrennt
sind und der Kohlenstoff die Matrix mittels eines
Lösungsverstärkungsmechanismus verstärkt.
6. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Beschichtung chemisch ein Gemisch aus
Wolframkarbiden, Wolfram, Kobalt, Chrom und Kohlenstoff
oder ein Gemisch aus Wolfram, Kobalt, Chrom und Kohlenstoff
ist.
7. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Anteile der Bestandteile in dem
Beschichtungsbereich in dem Matrixbereich in einer Größenordnung von W
70 ... 88 Massen%, vorzugsweise 80 %, Co 7 ... 13 Massen%,
vorzugsweise 10 %, Cr 4 ... 10 Massen%, vorzugsweise 4 ...
5 Massen% und C 4 ... 8 Massen%, vorzugsweise 5 %
vorliegen.
8. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet,
daß in dem karbidreichen Bereich die Zusammensetzung im
wesentlichen WC 70 . .95 %, vorzugsweise 85 %, Co 7 ... 13
Massen%, vorzugsweise 10 %, Cr 4 ... 10 Massen%,
vorzugsweise 4 ... 5 % ist.
9. Walze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Wolframkarbiden die Anteile der verschiedenen
Karbide WC 30 ... 100 %, vorzugsweise 50 %, WC1-x 0 ... 50
%, vorzugsweise 40 %, W&sub2;C 0 ... 30 %, vorzugsweise 10 %
sind.
10. Walze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Matrixbereich ein Teil des Kohlenstoffs in
submikroskopischen Karbiden gebunden ist und ein Teil davon
in der Metallmatrix gelöst ist.
11. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Härte der Beschichtung > 1000 HV 300 und die
innere Festigkeit > 100 N/mm² ist.
12. Verfahren zur Herstellung einer Walze für den direkten
Kontakt mit einer Papierbahn und von der die Papierbahn
losgelöst wird, wobei die Beschichtung der Walze teilweise
aus Metall ist und weiter ein Keramikmaterial beinhaltet,
gekennzeichnet durch
die Herstellung eines karbidreichen Pulvers und eines
Matrixpulvers, die Karbide mit unterschiedlichen
Zusammensetzungen bzgl. ihres Metallgehalts und Größe und Menge der
Karbide enthalten, und
Aufbringen einer Beschichtung aus diesem Pulver auf einen
Walzenmantel, so daß die Außenfläche der Beschichtung aus
karbidreichen Bereichen, die aus Metall und Keramik
zusammengesetzt sind, und aus metallischen Matrixbereichen
aus Metall und Keramik, die zwischen diesen karbidreichen
Bereichen ausgebildet werden, ausgebildet wird, wobei die
Zusammensetzung der Matrixbereiche von der Zusammensetzung
der karbidreichen Bereiche verschieden ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchengröße des Pulver 5 ... 50 um ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchengrößenverteilung von dem Verfahren abhängt
und z.B.
< 45 um 99 %, < 20 um 20 % und < 15 um 7 % ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet,
daß das Matrixpulver aus einer Schmelze mittels
Schnellverfestigung hergestellt wird, so daß der Kohlenstoff in
der Struktur als submikroskopische Karbide und/oder gelöst
in der Metallmatrix vorliegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Karbidteilchen eine runde Gestalt haben.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch
gekennzeichnet,
daß das Matrixpulver mittels Mahlsinter- und
Zerkleinerungstechnik erhalten wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Beschichtung mittels Bandschweißen, thermischem
Spritzen, Gießen oder durch Umwickeln eines Zylinders mit
einem gesinterten und/oder gewalzten Band erhalten wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Walzenbeschichtung unter Verwendung einer flexiblen
Matte erhalten wird, die an den Walzenrahmen mittels
Schmelzen durch Induktion, Laser oder einer anderen
geeigneten Erwärmungsmethode angebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Oberflächenrauhheit über die Beschichtungsporosität
und/oder Karbidgröße und/oder Feinschleifgrad eingestellt
wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Porosität der Walzenbeschichtung durch die
Beschichtungsparameter beeinflußt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Oberflächenrauhheit in Abhängigkeit des
Verwendungszweckes mittels Porosität, Karbidgröße und
Feinschleifgrad ausgewählt wird.
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