DE69333700T2

DE69333700T2 - Verfahren zur Beschichtung einer Papiermaschinenwalze und Walzebeschichtung

Info

Publication number: DE69333700T2
Application number: DE69333700T
Authority: DE
Inventors: Pentti Lehtonen
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Metso Paper Oy
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2013-02-06
Also published as: EP0861694B1; US5553381A; DE69333700D1; EP0555195B1; FI920501A0; FI100314B; CA2088792A1; ATE173186T1; EP0861694A3; EP0861694A2; DE69321977D1; CA2088792C; ATE282480T1; DE69321977T2; FI920501A; EP0555195A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung einer Walze einer Papiermaschine mit Pulver aus thermoplastischem Spezialkunststoff und Metall-, keramischen oder Cermetpartikeln, und auf die mit dem Verfahren angefertigte Walze.
Beschichtete Walzen werden für sehr unterschiedliche Zwecke in Papiermaschinen und in Nachbehandlungsmaschinen für Papier verwendet. Unter den Anwendungen können beispielsweise die folgenden erwähnt werden: Pressenwalzen, Saugwalzen, Weichwalzen in Kalandern und Superkalandern und dergleichen. Unterschiedliche Qualitätsanforderungen werden an die Beschichtung der Walze in verschiedenen Anwendungen und in verschiedenen Prozessen gestellt.
Herkömmliche Qualitätsfaktoren für die Beschichtung sind beispielsweise die Härte bei einer gegebenen Temperatur, der Temperaturwiderstand, der Druckwiderstand, der chemische Widerstand, die Oberflächenglattheit, der Widerstand gegen mechanische Beschädigungen, die Elastizität, die Oberflächenenergie, Ablöseeigenschaften des Papiers, Leitfähigkeit und ein Nichtaltern.
Herkömmliche Walzen von Papiermaschinen sind mit Gummi, Polyurethan oder Epoxidharz beschichtet worden. Diese polymerischen Materialien sind aus herstellungstechnischen Gründen zur Beschichtung großer Walzen besonders geeignet. Ein Ein- oder Zweikomponentenpolyurethan und Epoxidharz sind in Fluidform verfügbar, in welchem Falle das Gießen derselben in eine Form oder ein Drehgießen möglich ist. Es ist ebenso sehr einfach, diese polymerischen Materialien mit unterschiedlichen Füllstoffen und Zusätzen zu mischen, um neue Eigenschaften für das Beschichtungsmaterial zu erreichen. Geeignete Herstellungstechnologien (Beschichtungstechnologien) für das Polyurethan und Epoxidharz sind, zusätzlich zu dem Form- und Rotationsgießen, auch Extrusion, Sprühen, Fadenwickeln, Bandwickeln, Schleudergießen und unterschiedliche imprägnierte Abdeckungen.
Epoxidharz (ein Duroplast) und Polyurethan (ein Duroplast oder ein Elastomer) sind Materialien, deren Anwendung als Walzenbeschichtung zusätzlich zu den herstellungstechnischen Vorteilen in einigen guten Eigenschaften dieser Polymere begründet liegt. Polyurethan hat gute dynamische und Abriebseigenschaften, wobei Epoxidharz Korrosionseigenschaften geschaffen hat. Die Eigenschaften des Epoxidharzes sind auch bei höheren Temperaturen geblieben.
Die Anwendung von Thermoplasten als Walzenbeschichtungen ist hauptsächlich durch den Verlust der Eigenschaften mit steigender Temperatur und durch Herstellungsprobleme (ausdrücklich hinsichtlich der Beschichtung großer Walzen) begrenzt worden.
Während der letzten zehn Jahre ist jedoch eine starke Entwicklung hinsichtlich Thermoplaste aufgetreten. In 1 ist eine Klassifizierung von gegenwärtigen Thermoplasten allgemein dargelegt worden.
Fig. 1. Klassifizierung von Thermoplasten in Standardkunststoffe, technische Kunststoffe und Spezialkunststoffe.

In der nachstehenden Tabelle 1 sind gemäß ISO 1043-1 Abkürzungen und Namen für einige Polymere aufgelistet. Es ist eine Sache der Homopolymere. Tabelle 1

CA	Cellolose-azetat
CAB	Cellulose-azetatbutyrat
CN	Cellulose-nitrat
CP	Cellulose-propionat
EP	Epoxidharz oder Epoxid
MF	Melamin-formaldehyd
PA	Polyamid (Qualität wird mit Zahlen ausgedrückt)
PAI	Polyamid-imid

PAN	Polyacrylnitril
PB	Polybuten-1
PBT	Polybuten-terephtalat
PC	Polycarbonat
PCTFE	Polychlorotrifluorethen
PDAP	Polydiallyl-phthalat
PE	Polyethen
PEI	Polyether-imid
PEK	Polyetherketon
PEEK + Derivate	Polyetheretherketon
PES	Polyethersulfon
PET	Polyethenterephtalat
PF	Phenol-formaldehyd
PFA	Perfluoroalcoxyalkan
PI	Poly-imid
PIB	Polyisobuten
PMI	Polymetakryl-imid
PMMA	Polymethylmethacrylat
PMP	Poly-4-methylpenten-1
POM	Polyoxymethen oder Polyazetal
PP	Polypropen
PPE	Polyphenylenether, früher Polyphenylen-oxid PPO
PPS	Polyphenylen-sulfid
PS	Polystyren
PSU	Polysulfon
PTEE	Polytetrafluoroethen
PUR	Polyurethan
PVC	Polyvinyl-chlorid
PVDC	Polyvinyliden-chlorid
PVDF	Polyvinyliden-fluorid
PVF	Polyvinylfluorid
SI	Silicon
UF	Ureaformaldehyd

UP	Ungesättigtes Polyester

Die Gruppe von Spezialkunststoffen ist besonders interessant. Typische Eigenschaften für Kunststoffe, die zu dieser Gruppe gehören, sind gute Temperaturwiderstände (260°C), gute mechanische Eigenschaften, das Aufrechterhalten der Eigenschaften selbst bei hohen Temperaturen, eine aufrechterhaltene Elastizität und eine geringe Imprägnierung von Wasser trotz hoher Zugfestigkeiten und guter Härteeigenschaften. In Tabelle 2 sind Eigenschaften des Spezialkunststoffes PEEKK als eine Funktion der Temperatur dargestellt worden.
Tabelle 2
Die guten Eigenschaften der Spezialkunststoffe bei hohen Temperaturen basieren auf dem Austausch der herkömmlichen aliphatischen Bindung mit einer aromatischen Bindung.
Die Spezialkunststoffe erbringen Eigenschaften, die geeignet sind für Walzenbeschichtungen, beispielsweise in Papiermaschinen, Kartonmaschinen und Papierveredelungsmaschinen. Diese können entweder verstärkt oder nicht verstärkt verwendet werden.
Die Spezialkunststoffe sind jedoch Thermoplaste, wobei deren Bearbeitungsverfahren typisch für Thermoplaste sind. Spezialkunststoffe sind in Granulaten verfügbar, von welchen derartige Erzeugnisse, wie etwa Filme, Scheiben, Schläuche und Stangen durch Spritzgießen und Extrusion hergestellt werden.
Thermoplaste sind ebenso in Pulverform verfügbar, in welchem Falle mögliche Herstellungstechnologien ein Dispersionssprühen, ein elektrostatisches Pulversprühen, eine Wirbelbettbeschichtung, ein Flammensprühen, ein Plasmasprühen und ein Drehgießen sind.
Das Fadenwickeln und das Bandwickeln sind typische geeignete Herstellungstechnologien für Duroplaste, wobei allerdings seit kurzem die Anwendung dieser beiden Technologien auch für Thermoplaste üblicher geworden ist. Thermoplaste und ebenso Spezialkunststoffe können somit in Pulverform erzielt werden.
Große Walzen können mit Plastikpulver beschichtet werden durch:

1. elektrostatisches Sprühen, allerdings lediglich relativ dünne Beschichtungen. Die Porosität der Beschichtungen ist dann groß, wobei im Falle von Spezialkunststoffen die Vorheiz- und Nachheiztemperaturen des Walzenkörpers groß sind, was hinsichtlich der Papiermaschinenwalzen (bezogen auf Karton und Papier) nicht vorteilhaft ist.
2. Wirbelbettbeschichtung, allerdings – wie im Falle des elektrostatischen Sprühens – lediglich dünne Beschichtungen großer Porosität. Die Vorheiz-/Nachheiztemperaturen der Walzenkörper sind groß. Ebenso sind mit diesem Verfahren Herstellungsprobleme verknüpft.
3. Dispersionssprühen, in welcher Technologie sich das Kunststoffpulver in der Form einer Dispersion in einem geeigneten Lösungsmittel befindet. Die Dispersion wird auf eine Oberfläche eines Körpers gesprüht. Das Lösungsmittel verdampft/wird wegverdampft, so daß ein sehr dünner Beschichtungsfilm an der Oberfläche des Werkstückes verbleibt, welcher oftmals eine weitere Temperaturbehandlung erfordert. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Kunststoffpulver unter ein Ein- oder Zweikomponentenpolymer zu mischen. Wenn das Ein- oder Zweikomponentenpolymer reagiert, wird eine Matrix gebildet, in der das Kunststoffpulver verbleibt.
4. Drehgießtechnologie, die innere Oberflächen beschichten soll, aus welchem Grunde sie nicht zur Beschichtung äußerer Oberflächen von Walzen verwendet werden kann.
5. Flammensprühen, deren Probleme nachstehend dargestellt sind.

Lediglich Standardkunststoffe (beispielsweise PE, EVA, PP) können bis zu einem gewissen Maße ohne Vorheizen des Stückes gesprüht werden. Diese Kunststoffe eignen sich jedoch nicht für technisch erforderliche Walzenbeschichtungen.
In Verbindung mit Flammensprühen mit einem Spezialkunststoff muß das Werkstück auf eine möglichst große Temperatur erwärmt werden, sofern dicke Beschichtungen erwünscht sind. Die Temperatur kann jedoch einen gegebenen Schwellwert nicht überschreiten, bei dem der Kunststoff brennt. Ebenso kann die Walzenkonstruktion eine Grenze für die Temperatur festlegen. Werkstück mit dünnen Wänden benötigen eine größere Vorheiztemperatur als kompakte Stücke. Es ist besonders schwierig, Stücke unterschiedlicher Dicken mit einem Flammensprühen zu behandeln.
Die Kunststoffbeschichtung wird in Schichten gesprüht. Die Wirkung der Vorheizung verringert sich nach der ersten Sprühschicht beträchtlich. Das Stück ist nach unten gekühlt worden, während nicht versucht worden ist, die Temperatur zu halten. Selbst wenn versucht worden wäre, die Temperatur zu halten, wird die zu formende Beschichtung zu einer Isolierung, wenn diese dicker wird. Aufgrund der Unterschiede in den Kühlraten sind die Temperaturunterschiede erhöht worden. Die erste Kunststoffschicht isoliert die von dem Werkstück kommende Wärme, was die Beschichtungsdicke begrenzt.
In einer zu dicken Beschichtung und in einer Kunststoffbeschichtung mit mangelnder Wärmeenergie in der äußeren Schicht separieren die Schmelztropfen, so daß ihre Konstruktion schlechter wird, die innere Festigkeit schwach und der Kristallisationsgrad falsch wird.
Ähnliche Schwierigkeiten treten auch im Zusammenhang mit dem herkömmlichen Plasmasprühen auf. Im herkömmlichen Plasmasprühen wird die Wärmeleistung des Sprühverfahrens derart erzeugt, daß die elektrische Energie zwischen der Wolframkathode und der ringförmigen Kupferanode einen Bogen formt. Ein Gas oder eine Gasmischung wird zu dem Bogen geführt, der stark erhitzt wird, wobei die Gasmoleküle zu Atomen und die Atome weiter zu Ionen und Elektronen zersetzt werden. Das Gas ist zu einem Plasma umgewandelt worden. Somit ist die elektrische Energie auf das Gas (zu dem Plasma) übertragen worden und erhöht sie dessen innere Energie. Diese innere Energie wird beim Schmelzen von Kunststoffpulvern angewendet, so daß das Pulver zu dem ausströmenden Plasma (2) gespeist wird, in welchem es plastiziert wird. Das Plasmasprühen beschleunigt die Schmelztropfen mit einer großen Geschwindigkeit auf die Oberfläche des zu beschichtenden Stückes.
Die Temperatur des Plasmasprühmittels ist sehr groß: 7000 bis 15000°C. Aufgrund der großen Temperatur ist die thermische Strahlung des Plasmas sehr groß. Es ergeben sich beim Schmelzen von Kunststoffpulvern einige Vorteile aus dieser Bestrahlungsenergie, da es die Temperatur des Werkstückes erhöht, was bezüglich der Polymerisation und somit bezüglich der Formung der Beschichtung vorteilhaft ist.
Der Nachteil des herkömmlichen Plasmasprühens ist, daß die Temperatur der Plasmaflamme bezüglich des Kunststoffs zu groß ist, wobei der Kunststoff dazu neigt, zu oxidieren. Weitere Nachteile des herkömmlichen Plasmasprühverfahrens sind die geringe Durchflußrate des Gases und, daß die Wärmeleistung der Flamme zu gering ist, um die kompakten Stücke'warm zu halten. Generell werden die Kunststoffe aus Tabelle 1 mit herkömmlichen Plasma, mit anderen Worten nicht mit Spezialkunststoffen, gesprüht.
Die Druckschrift US-A-4 999 225 offenbart ein Beschichtungsverfahren unter Verwendung eines supersonischen Plasmasprühstromes von polymerischen und Metallpartikeln.
Die Druckschrift US-A-S 023 985 offenbart Verfahren zum Auftragen einer ersten Kunststoffbeschichtung und einer zweiten Metall/Keramik-/Cermet-Kunststoffbeschichtung an einer Walze einer Papierherstellmaschine. Eines der Verfahren zur Anwendung der zweiten Beschichtung aus Metall/Keramik/Cermet ist ein thermisches Sprühen. Ein Auftragen von Kunststoffen durch thermisches Sprühen findet keine Erwähnung.
Die Druckschrift US-A-3 527 912 offenbart einen Prozeß zum Beschichten von Walzen für Papier- und Filmfinishingmaschinen, wobei die Beschichtung durch thermisches Sprühen aufgetragen wird. Kunststoffen als ein Beschichtungsmaterial findet keine Erwähnung.
Tabelle 3 Ein Vergleich gewöhnlicher pulverförmiger Schichtarten von Beschichtungen
Die Bedeutung der Zeichen

+ generell bevorzugt/annehmbar
0 manchmal bevorzugt/annehmbar
– generell nicht bevorzugt/annehmbar

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, widerstandsfähigere Beschichtungen herzustellen, die gleichzeitig die gewünschte Eigenschaft oder Eigenschaften aufweisen.
Ausführlicher ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet, so daß eine Beschichtung, die dick genug ist, auch von Spezialkunststoffen hergestellt werden kann.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird das Beschichten durch Sprühen unter Anwendung von hypersonischem Plasma mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 m/s oder mehr, vorzugsweise 2000 bis 3000 m/s, durchgeführt, wie dies in dem beigefügten Anspruch 1 offenbart ist.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der Unterschied zwischen der Vorrichtung für hypersonisches Plasma (3 und 4) und der herkömmlichen Gasplasmavorrichtung schaffte einige Vorteile, die erfindungsgemäß beim Sprühen von Kunststoffpulvern angewendet werden können.
Somit wird beim Sprühen von Pulvern aus Spezialkunststoffen erfindungsgemäß ein hypersonisches Plasma verwendet, wodurch die große Leistung der Plasmavorrichtung aus beispielsweise der 3 in ihren unterschiedlichen Formen (200 kW) (Plasmaflamme, Bestrahlungswärme, Konvektion) angewendet wird. Es wird versucht, die Vorheiztemperatur des Werkstückes so gering wie möglich zu halten, so daß der Beschichtungskunststoff nicht verbrennt (hängt von dem Kunststoff ab), daß jedoch trotzdem dicke Schichten von 200 μm bis 100 μm gesprüht werden können. Selbst dicke Beschichtungen können in der Erfindung den richtigen Kristalisationsgrad haben, wodurch optimale Eigenschaften des Kunststoffs selbst in dicken Beschichtungen erreicht werden. Die Granulatgrößen der zu sprühenden Pulver liegen in dem Bereich von 20 um bis 1000 um. Die zu beschichtenden Walzen können mit variabler Durchbiegung kompensierte Walzen, Saugwalzen, Mittenwalzen und Walzen von Superkalandern und Weichkalandern sein.
Die Schmelzpartikel des Sprühverfahrens für hypersonisches Plasma erzeugen mit großer Geschwindigkeit Beschichtungen guter Qualität mit einer großen Dichte, guter Adhäsion, einer glatten und gesprühten Oberfläche, wobei sehr wenig Zersetzung auftritt. Die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Partikel erzeugen sehr dichte und nicht poröse Beschichtungen, teilweise in einem nicht geschmolzenen Zustand.
Es muß einem gegebenen Verfahren gefolgt werden, um ein Sprühen mit hypersonischem Plasma zu erzeugen. Plasmasprühverfahren können bis zu einem gewissen Ausmaß mit einer großen Geschwindigkeit mit einem herkömmlichen Sprühverfahren erreicht werden, indem der Gasstrom gesteigert und in der Düse ein kleinerer Durchmesser angewendet wird. Wenn jedoch die Geschwindigkeit des Plasmas erhöht wird, sollte erwähnt werden, daß die Retentionszeitdauer des Pulvers gleichzeitig verkürzt wird, wobei der Wärmeanteil ebenso erhöht werden soll, um das Pulver zu schmelzen. Dann muß eine größere Leistung angewendet werden, und zwar hauptsächlich durch ein Steigern der Bogenströmung, da ein sehr großes Potential von über 100 Volt mittels eines herkömmlichen Plasmasprühverfahrens nicht erreichbar ist. Circa 80 kW beträgt der Schwellwert der in einer herkömmlichen Plasmavorrichtung anzuwendenden Hochleistung. Hypersonisches Plasma muß für eine größere Leistung angewendet werden.
Sehr hohe Gasströme (selbst 30 m³) werden in in 3 angewendeten Hochleistungsplasmasprühverfahren der Erfindung verwendet, wobei sich die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases bis zu 2000 m/s erhöht. Die Temperatur der Plasmaflamme sinkt aufgrund der größeren Durchflußrate des Gases auf ca. 6000°C. Da somit die Exponiertemperatur und die Exponierzeitdauer geringer sind, tritt in dem Hochleistungsplasmasprühverfahren eine weniger beschädigende Oxidation der Kunststoffpartikel auf als in einem herkömmlichen Plasmasprühverfahren. Aufgrund der größeren Gasdurchflußrate befinden sich die Kathode und die Anode in größerem Abstand voneinander, wodurch das Potential zwischen der Kathode und der Anode auf 300 bis 450 Volt ansteigt (bei einem herkömmlichen Plasmasprühverfahren beträgt es mehrere 10 Volt). Aufgrund eines größeren Potentials kann die Wärmeenergie der Flamme bis zu 250 kW erhöht werden (bei einem herkömmlichen Sprühverfahren sind es einige 10 kW). Diese große Wärmeenergie kann effektiv angewendet werden, um massive Stücke zu erwärmen.
Die von der Plasmaflamme herrührende Wärme strahlt in alle Richtungen, wobei jedoch die Strahlung auf die Oberfläche des Werkstücks geleitet werden kann, indem verschiedene gekühlte Spiegel unterhalb und an der Seite der Flamme plaziert werden, und zwar in gleicher Weise wie in dem Falle, in welchem das Licht mittels einer Schale in Lampen reflektiert wird.
Ferner kann die Wärmeleistung der Flamme mit Hilfe von Gasen reguliert werden, die verwendet werden, so daß der Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit die Wärmeleistung erhöhen kann. Die Wärmeleistung kann weiter erhöht werden durch Anwendung von Wasserstoff und Helium. Die Wärmeleistung kann mittels Argon in einer entsprechenden Weise gesenkt werden.
In dem Verfahren kann, falls gewünscht, der Körper vorerwärmt werden, jedoch ist dies nicht oftmals so notwendig oder erwünscht.
Es ist ebenso möglich, ein neues Plasmasprühsystem zu verwenden, das atmosphärisches Plasma verwendet, um hypersonisches Plasma zu erzeugen, das beispielsweise gemäß 4 Doppelanoden hat.
Die Antriebskosten können mit diesem System auf weniger als 50 von jenen gesenkt werden, die durch herkömmliche Systeme verursacht werden, selbst wenn herkömmlich verwendete Materialien in Betracht gezogen werden. Dünne Filme aus Materialien mit einem großen Schmelzpunkt können ebenso angefertigt werden, etwa ZrO₂, und zwar mit diesem System, das atmosphärisches Plasma sprüht, sowie mit einem herkömmlichen System, das Plasma mit geringem Druck sprüht. Wenn als WC-CU Cermet in Betracht gezogen wird, kann ein sehr abriebsresistenter Film angefertigt werden, der so gut ist wie derjenige, der mit der vorbeschriebenen Vorrichtung für hypersonisches Plasma angefertigt worden ist.
Die Doppelanoden der Vorrichtung können erhitzt werden, indem die zu sprühenden Materialien unmittelbar in die Flammenmitte des Plasmabogens effektiv gespeist werden, wobei das Sprühmuster enger gemacht werden kann. Daher kann die Effizienz des Plasmasprühens verbessert werden, so daß sie besser ist als in herkömmlichen Systemen.
Somit kann die Erfindung zur Herstellung ebenso dicker Beschichtungen unter Anwendung von Spezialkunststoffen verwendet werden, so daß für die Beschichtung optimale Eigenschaften erreicht werden.
Insbesondere können die Eigenschaften der Beschichtung in der Dickenrichtung der Beschichtung oder in der Richtung der Walzenachse reguliert werden. Beispielsweise kann das Elastizitätsmodul reguliert werden, indem die Porosität der Beschichtung zwischen den Schichten reguliert wird. Wenn ein kleineres Elastizitätsmodul gewünscht wird, wird die Wärmeeinführung gesenkt. Das Elastizitätsmodul der Beschichtung kann ebenso in der Richtung der Walzenachse reguliert werden, wobei beispielsweise in den Enden der Walze, im Vergleich mit dem Mittelbereich, ein unterschiedliches Elastizitätsmodul vorhanden sein kann.
Die Reguliermöglichkeiten der Wärmeeinführung sind

– Vorheizen der Walze
– Regulierung der Flamme durch Regulierung der elektrischen Wirkung durch Regulierung der Gasmenge durch Regulierung von Gasanteilen durch Reflexion der Flamme durch Anwendung äußerer Sonderheizeinrichtungen (beispielsweise IR und Induktion)

Anwendbare Spezialkunststoffe sind beispielsweise in der Zeitschrift KONEPAJAMIES, Nr. 3, 1991 vorgestellt worden (siehe 1, Seite 2).
Die folgenden Arten von Walzen von Karton- und Papiermaschinen und Papieroberflächenbearbeitungsmaschinen werden mit einer Beschichtung der Erfindung beispielsweise beschichtet: Leitwalzen, Saugwalzen, Pressenwalzen, Mittenwalzen, Zylinder, Kalanderwalzen, Schneidmaschinenwalzen usw..
Die Anwendbarkeit des erfinderischen Verfahrens wird dahingehend verbessert, daß Beschichtungen des Verfahrens zur Herstellung modifiziert werden können durch gemeinhin bekannte Verfahren zur Konsolidierung von technischen Kunststoffen, beispielsweise eine sogenannte Whiskers-Faserverstärkung (die Whiskers-Faser ist eine sehr kleine Einzelkristalfaser) oder ein Wickeln einer kontinuierlichen Faser (Fadenwickeln). Insbesondere ermöglicht die Anwendung des Fadenwickelverfahrens eine effektive Erhöhung der außenseitigen Festigkeit der Beschichtung, die eine besondere Wichtigkeit hat, wenn es beabsichtigt ist, größere Spaltlasten zu erreichen.
Weitere Vorteile des erfinderischen Verfahrens sind, daß gleichzeitig mit dem Spezialkunststoff beispielsweise Metall-, Keramik- oder Cermet-Partikel gesprüht werden können. Hierbei können die Eigenschaften der Beschichtung beispielsweise die Abriebsfestigkeit beeinflussen. Anschließend muß die Zufuhrstelle der in Betracht gezogenen Partikel zu dem Plasma derart gewählt werden, daß diese basierend auf ihrer Schmelztemperatur an die rechte Stelle kommen.
Das Problem bezüglich der Polymermaterialien ist es in einigen Fällen, daß die Feuchtigkeit dazu neigt, aufgrund der thermischen Diffusion von der wärmeren Walzenoberfläche zu dem kälteren Körper zu diffundieren. Dies bedeutet, daß besondere Anforderungen bezüglich des Korrosionswiderstands an den Körper gestellt werden. Der Walzenkörper kann mittels des erfinderischen Verfahrens effektiv geschützt werden, so daß eine metallische Korrosionswiderstandsschicht mit dem gleichen Sprühmittel wie auch die Polymerbeschichtung vor der Polymerschicht gesprüht wird. Diesbezüglich erbringt ein hypersonisches Sprühverfahren im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren einen herausragenden Vorteil, da die Beschichtung aufgrund der großen Rate der Flamme sehr kompakt und korrosionswiderstandsfähig wird. Natürlich kann auch eine andere Schicht, etwa eine Epoxidadhäsionsschicht, als Substratschicht verwendet werden.
Beschichtungsmaterialien der Erfindung sind in 1, Seite 2 dargelegt, wobei die Dicke der Beschichtung vorzugsweise in dem Bereich von 200 μm bis 10 mm liegt.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels Figuren dargelegt, die die Erfindung keinesfalls beschränken sollen. Es zeigen:
2 ein herkömmliches Plasmasprühverfahren.
3 ein Funktionsprinzip eines Hochleistungsplasmasprühverfahren, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar ist.
4 das Prinzip eines Sprühsystems, das ein atmosphärisches Plasma anwendet, das in dem eine Doppelanode enthaltenen erfindungsgemäßen Verfahrens anzuwenden ist.
In 2, die ein herkömmliches Plasmasprühverfahren darlegt, findet die Einspeisung des Pulvers an 1 und die Einspeisung des Gases an der Position 2 statt. Die Wolframkathode ist mit 3 und die Kupferanode mit 4 bezeichnet. Das mit 5 bezeichnete Teil ist eine Zwischenisolierung, wobei mit 6 elektrische und Ventilverbindungen bezeichnet sind. Das Plasmasprühmittel kommt aus der Position 7 heraus und wird in Form von Schmelzpartikel 8 über das Substrat 9 gesprüht.
Die Konstruktion des Hochleistungsplasmasprühverfahrens ist in 3 dargelegt worden. Der Bogen wird von der Elektrode (–) bis weit in die zylindrische Düse (+) transferiert, wobei jedoch die Gasströmung diesen zu der Mitte der Düse zwingt, und er aus der Düse geht und zu der Oberfläche der Ausgabe zurückkehrt. Wenn der Bogen 125 mm überschreitet, verwendet er ein sehr großes Potential von 500 Volt und erzeugt dieser ein hochenergetisches hypersonisches Plasmasprühmittel. Ein verlängerter Plasmabogen ist in eine zweckmäßige parallele Form gebracht und verbleibt in einer konzentrierten Form in von der Düse großer Abständen.
Die Theorie des ausgeweiteten Plasmabogens ist die folgende. Der Hochstrom 2' des Plasmabogens, hauptsächlich Wasserstoff, wird von der Elektrode durch den Gasverteiler bis weit in die zylindrische Düse gespeist, die einen sehr kräftigen Wirbel erzeugt. Ein sehr großes DC-Potential von 600 Volt des offenen Stromkreises wird zwischen der Düse (–) und der Elektrode (+) verwendet. Die hohe Frequenz zündet das Sprühmittel, wobei der Bogen von der Elektrode zu der Düse transferiert, wobei jedoch eine kräftige Gasströmung diesen zu ihrer Mitte drängt und diesen bis weit aus der Düse erstreckt und diesen zu seiner äußeren Oberfläche zurückführt, da keine anderen Durchlässe vorhanden sind. Ein sehr langer Bogen von über 100 mm erhöht das Potential sehr stark bis auf 400 Volt und heizt das Plasmagas effektiv, um ein sehr heißes hypersonisches Plasmasprühmittel zu erzeugen. Da ein sehr großes Potential mit diesen Sprühmitteln, die einen sehr ausgeweiteten Plasmabogen erzeugen, leicht für den Bogen erreicht wird, kann die Strömung des Bogens niedrig festgelegt werden, um in der Lage zu sein, eine sehr große Leistung in dem Sprühmittel zu verwenden.
Die von Jim Browning entworfene Vorrichtung für hypersonisches Plasma besteht aus lediglich fünf Komponenten, die eine wassergekühlte Elektrode (–) mit Gasverteilungslöchern, eine wassergekühlte zylindrische Düse (+) und ein isolierter Raum, ein Vorderrahmen für das Sprühmittel und ein isolierter Rückrahmen sind. Kühlwasser wird von der Position 11 ein- und von der Position 12 ausgeleitet. Das Plasmasprühmittel ist mit 7' und der erweiterte Bogen mit 13 und der Einschlagdiamant mit 14 bezeichnet.
Das Plasmasprühverfahren erfolgt sehr kontrolliert und gemittelt, und zwar selbst über einem großen Abstand von der Oberfläche der Düse. Das Plasmasprühmittel aus beispielsweise Wolframkarbid-Partikel geht für mehr als einen Meter gerade heraus und ist über diese Strecke sehr konzentriert. Es ähnelt einer Plasmaflamme mit geringem Druck. Mehr als 70 der eingespeisten elektrischen Leistung wird der großen Gasströmung gegeben, wobei die Rate des Plasmasprühmittels bei Werten über 3000 m/sek im Überschallbereich liegt und durch Schutzgläser mit Einschlagdiamanten 14 wahrgenommen wird.
Ein Pulver 1' wird von der Ausgabe der Düse unmittelbar auf den sehr heißen und ausgeweiteten Bogen gespeist. Ein Zusatz von Wasserstoff zu dem Plasmagas steigert ferner die Wärmeenergie. Typische Werte der verwendeten Energie sind die folgenden:

– elektrische Leistung 200 kW (400 V × 500 A)
– Gasströmung ca. 230 SLM (500 SCFH)
– Ausgabeenthalpie 35 × 10⁶ J/kg/15000 BTU/Lb
– Plasmatemperatur 6000°C
– Sprührate 3000 m/sek

Für Einzelheiten der Vorrichtung sei ferner auf den Artikel "Coatings by 250 kW Plasma Jet Spray System", T. MORISHITA, Plazjet Ltd, Tokio, Japan verwiesen (Quelle: Proceedings of 2nd Plasma Tec. Symphosium, 5. bis 7. Juni 1991, Vol. lp-137).
Die Konstruktion der Vorrichtung, die atmosphärisches Plasma sprüht und eine Doppelanode aufweist, ist in 4 dargelegt. Um die Anodenplazierung des Bogens zu stabilisieren, ist die Vorrichtung mit einem Kathodenstrahl 15 und zwei Anodenstrahlen 16 vorgesehen, so daß die Anodenstrahlen symmetrisch eingerichtet sind, wie in 4 dargelegt. Die Kathodenplazierung und die Anodenplazierung sind durch Inertgas, wie etwa Ar 17 oder N₂, geschützt. In diesem System ist der Bogen in keiner Weise instabil, was zu einem Abrieb der Anodenplazierung oder zu einer Verlagerung der Anodenplazierung oder einem Abrieb der Elektroden führen könnte, wohingegen eine derartige Instabilität ein Problem konventioneller Systeme ist. Somit können die Sprühbedingungen für eine lange Zeitdauer stabil gehalten werden. Die Beschleunigungsdüse 18 kann gelöst werden, wobei deren Durchmesser und Länge vorab festgelegt werden, um für das Plasmasprühverfahren zweckmäßig zu sein. Mit anderen Worten kann die Rate und Temperatur des Plasmas reguliert werden, indem die Durchmesserlänge und die Leistung variiert wird. Diese Düse entspricht dem Verschleißteil herkömmlicher Strahlrohre. Jedoch berührt diese den Bogen unmittelbar und besteht generell kein Bedarf, diese zu ändern. Wie in 4 gezeigt, besteht der Plasmabogen 19 aus einem Kathodenbogen an der Achse des Kathodenstrahls und einem Anodenbogen an der Achse des Anodenstrahls.
Ein stabiles kaltes Gehäuse ist um jede Bogenflamme geformt, wobei es die Richtung des Bogens und die Konzentration der Wärme steigert. Eine derartige stabile Bedingung wird selbst dann gehalten, wenn der Hauptbogen die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Das Plasmagas, das den Hauptbogen formt, wird von einer Stelle außerhalb der Kammer eingespeist, wobei die Kathode mit Inertgas 17, wie in 4 dargelegt, und mit Luft 20 geschützt wird. Die Rate und die Enthalpie des Plasmagases können als ein Ergebnis davon weitläufig mit der Leistung von 10 bis 100 kW reguliert werden. Das erzeugte Plasmasprühmittel ist mit 7'' bezeichnet, wobei dieses in Form von Partikeln 8'' auf ein Substrat 9'' und eine Beschichtung 21 gesprüht werden kann. Die Vorrichtung ist vorzugsweise ebenso mit einer Plasmareinigungsvorrichtung 22 versehen, um eine gute Qualität aufrecht zu erhalten.
Die Leistung wird von der Stelle 1'' gespeist. Die Gleichstromkreisläufe der Vorrichtung sind ebenso in der Figur mit (D. C.) gekennzeichnet. Die Hauptzuführung der Leistung findet in einem größeren Stromkreislauf statt. Für den Teil der Vorrichtung sei weiterhin auf den Artikel A. BUNYA etc. "New Plasma Spraying System Twin Torch α" (Quelle NTSC 91/Pittsburg) verwiesen.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Walze bei einer Papiermaschine mit einem Pulver aus thermoplastischem Spezialkunststoff und Metall-, keramischen oder Cermetpartikeln, wobei die Beschichtung durch ein Sprühen unter Verwendung von hypersonischem Plasma mit einer Geschwindigkeit von 2000 m/s oder mehr, vorzugsweise 2000–3000 m/s, ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine amorphe oder kristalline Komponente des Spezialkunststoffes bei dem zu sprühenden Pulver verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkomponente eine der folgenden Spezialkunststoffe ist: Polyamid-Imid PAI, Polyether-Imid PEI, Polyetherketon PEK, Polyetheretherketon PEEK, Polyethersulphon PES, Poly-Imid PI, Polymethacryl-Imid PMI, Polyphenylensulfid PPS, Polysulphon PSU.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmungstemperatur des Arbeitsstückes 20°C–300°C beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des zu sprühenden Pulvers 20 μm–100 μm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bis zu einer Dicke von 200 μm–10 mm gesprüht wird.
Walze hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Beschichtung aus einem Pulver aus thermoplastischem Spezialkunststoff und Metall-, keramischen oder Cermetpartikeln hergestellt ist.
Walze gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkomponente eine der folgenden Spezialkunststoffe ist: Polyamid-Imid PAI, Polyether-Imid PEI, Polyetherketon PEK, Polyetheretherketon PEEK, Polyethersulphon PES, Poly-Imid PI, Polymethacryl-Imid PMI, Polyphenylensulfid PPS, Polysulphon PSU.
Walze gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung 200 μm–10 mm beträgt.
Walze gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationsgrad der Beschichtung 0–100% beträgt.
Walze gemäß einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Walze mit variabler Bombierung, eine Saugwalze, eine Mittelwalze oder eine Walze bei einem Superkalander oder Weichkalander ist.