EP2707543B1 - Leitwalze mit korrosionsbeständiger beschichtung - Google Patents

Leitwalze mit korrosionsbeständiger beschichtung Download PDF

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EP2707543B1
EP2707543B1 EP12715055.5A EP12715055A EP2707543B1 EP 2707543 B1 EP2707543 B1 EP 2707543B1 EP 12715055 A EP12715055 A EP 12715055A EP 2707543 B1 EP2707543 B1 EP 2707543B1
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EP
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coating
stainless steel
spray coating
guide roll
steel material
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Alexander Etschmaier
Jürgen ANGERLER
Hasso Jungklaus
Goar Hesselmann
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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    • Y10T428/12569—Synthetic resin

Definitions

  • the present invention relates to corrosion resistant coatings of guide rolls for conducting screens or felts in papermaking machines.
  • US-A-5,283,121 discloses a method of applying an anticorrosive coating to the metal body of a paper machine roll wherein the surface of the body is provided with a thermal spray coating of a stainless steel material and a layer of fluoropolymer applied to the surface of the thermal spray stainless steel coating.
  • the anticorrosive coating of rolls or roll cores currently uses galvanic hard chrome layers and hard metal layers applied by thermal spraying.
  • the galvanic chrome plating offers cost-effective and effective corrosion protection, but is due to the toxicity of the galvanic baths used to classify as polluting process.
  • a mechanical cleaning of hard chromium plating is difficult due to the brittle behavior of chromium.
  • hard metal coatings usually a composite material embedded in a cobalt-nickel matrix tungsten carbide hard materials is used, which with a thermal spraying method, such as. B.
  • HVOF H IgH V elocity- O xygen- F uel, high velocity flame spraying
  • the application of thermal hard metal spray coatings takes place in several strokes, ie in several sub-layers to ensure the physical homogeneity of the coating.
  • Thermally sprayed hard metal coatings are characterized by good corrosion protection and high abrasion resistance.
  • the adhesion of impurities arising during a paper production is comparatively low on hardmetal surfaces, so that they are relatively easy to clean by Beschabtation.
  • the production of thermal hard metal spray coatings is very expensive compared to the chrome plating.
  • Corresponding corrosion protection can be achieved with a method according to claim 1 comprising steps of providing a thermal spray coating apparatus, providing a stainless steel material, coating at least a portion of the surface of the guide roll by applying the stainless steel material using the thermal spray coating apparatus and sealing the applied coating with a polymeric material comprising an epoxy resin.
  • An inexpensively and environmentally produced corrosion-resistant guide roll according to claim 16, comprising a metallic base body, a thermal spray coating of a stainless steel material covering at least a portion of the surface of the metallic base body and a polymeric sealing layer applied to the surface of the thermal spray stainless steel coating polymeric sealant layer comprises an epoxy resin.
  • the provided thermal spray coating apparatus is configured to perform high velocity flame spraying or laser spraying. These thermal spray processes do not lead to any significant metallurgical change of the spray material, so that the metallurgical Composition of thermal spray coatings prepared by these methods corresponds to the starting material used for the coating.
  • the stainless steel material used as the starting material for the coating is provided in the form of fine powder whose particles plastically deform on impact with the surface to be coated, whereby very dense layers of low porosity can be produced in a simple manner.
  • the provided apparatus for thermal spray coating for performing arc spraying is formed in which the coating starting material is melted in an arc and transferred by means of a carrier gas to the workpiece to be coated.
  • Arc spraying is particularly suitable for applying very well-adhering layers with thicknesses of more than 200 microns to several millimeters on large surfaces.
  • the stainless steel material is preferably provided in wire form for ease of feeding.
  • a stainless steel material is preferably used, which is formed by a chromium-nickel steel having a composition according to one of the material numbers 1.4401, 1.4404, 1.4406, 1.4435, 1.44036 or 1.4440.
  • Stainless steels of this material number also meet the standards 316 L and 316 of the American Iron and Steel Institute (AISI).
  • AISI American Iron and Steel Institute
  • Very dense, low-porous coatings are advantageous by applying the stainless steel material on a surface of the roll component in several strokes, ie by means of achieved several successive successive deposited sublayers. Dense thermal coatings with thicknesses of about 50 to 200 ⁇ m can already be achieved with 4 to 6 strokes.
  • the further material being a carbide, boride or nitride or a mixture thereof or a mixture can be with a metal of the 4th, 5th or 6th subgroup.
  • the coating can be applied by the same coating methods as the stainless steel layer, wherein the thickness can be a further 1 to 3 strokes. As a result, a coating which, although not closed, but serving at least one compacting purpose, is formed on the stainless steel, which ensures increased corrosion resistance.
  • the polymeric material for sealing the spray coating comprises an epoxy resin, which wets a stainless steel surface in the non-crosslinked as well as in the partially crosslinked state well and thus guarantees a solid cohesive connection. Furthermore, the good wettability also ensures that the resin penetrates into the recesses of the surface and completely fills it, so that no voids form at the interface of the spray coating with the polymeric sealing layer.
  • the polymeric material for sealing the sprayed coating comprises a silicone-polyester resin which combines good wetting of stainless steel sprayed layers with a non-stick and dirt-repellent action.
  • fillers can also be embedded in the polymeric material of the sealant layer for improvement the non-stick and dirt-repellent properties to achieve their surface.
  • materials which contain polyfluoroethylene and in particular polytetrafluoroethylene are preferably used for the fillers.
  • the fillers in the form of particles and in particular in the form of particles with average diameters in the range of 0.1 to 5 microns are embedded in the polymeric base material of the seal.
  • Figures 1A and 1B is for illustrative purposes only and does not represent a representation of a real component. Sizes and ratios of the individual components are therefore selected with regard to a clear presentation of the circumstances and differ from those of an actual embodiment.
  • FIG. 1A shows a detail of a roll component 10 provided with a corrosion-protected surface.
  • the illustrated embodiment of a roll component has a roll core 1, on the surface of which a corrosion protection layer 5 formed by a spray coating 4 and a seal 3 applied thereon is arranged.
  • the anticorrosion layer 5 preferably covers all Surface areas of the roll component 10, which are exposed to the corrosive media occurring during normal use of the roller.
  • the spray coating 4 is constructed in the illustrated embodiment of individual stainless steel particles 2, which adjoin one another positively to form a closed and thus dense layer.
  • a suitably corrosion-protected roller is suitable for use as a guide roller for screens or felts in papermaking machines.
  • the stainless steel material of the spray coating 4 is preferably a stainless chromium-nickel steel having a composition according to one of the material numbers 1.4401 (short name: X5CrNiMo17-12-2), 1.4404 (short name: X2CrNiMo17-12-2), 1.4406 (short name: X2CrNiMoN17-11 -2), 1.4435 (short name: X2CrNiMo18-14-3), 1.4436 (short name: X3CrNiMo17-13-3) or 1.4440 (short name: X2CrNiMo19-12), which are distinguished by their high resistance to corrosion and acids.
  • the steel types mentioned also meet the standards 316 and 316 L of the American Iron and Steel Institute (AISI).
  • a thermal spraying method is preferably used, the basic steps in FIG. 2A are presented.
  • Thermal spray coating is to be understood as a surface coating process in which the coating material is ab-, on or melted and accelerated as a spray particle is accelerated via a gas stream in the direction of the surface to be coated.
  • the surface of the workpiece to be coated is only slightly thermally loaded. When hitting the workpiece surface, the spray particles are usually flattened and connect by mechanical clamping. As a result, crack-free coatings with a homogeneous microstructure, low porosity and good bonding to the workpiece can be achieved.
  • the melting of the wire-shaped spray or coating material is performed with an electric arc
  • the high-speed flame spraying is the melting of the spray material particles in the fuel-oxygen high-velocity flame and laser spraying with the laser beam.
  • other than the exemplified thermal spray coating methods may be used.
  • step S2 of the in FIG. 2A illustrated method for applying a corrosion protection coating on a roll component of the spray material is provided in the form of a stainless steel material, preferably using stainless stainless steels, such as chromium-nickel steels of AISI standard 316 L or 316, which also with the material numbers 1.4401, 1.4404 , 1.4406, 1.4435, 1.44036 or 1.4440.
  • the form in which the spray material is provided depends on the device used for coating. In arc spraying, the coating material is provided, for example, in wire form, in high-speed flame spraying in powder form.
  • the order of magnitude of the average particle sizes of such powders is selected as a function of the desired coating thickness and can be, for example, about 50 ⁇ m for coating thicknesses of approximately 100 to a few 100 ⁇ m, since the particles are flattened when they hit the workpiece surface.
  • a surface or a part of a surface of the workpiece 10 is coated with the spray material using the apparatus.
  • the application of the spray material is preferably carried out in several strokes.
  • the number of strokes was determined by the process parameters set on the coating apparatus, possibly the size of the powder particles, the distance between the workpiece and the part of the apparatus emitting the spray material and the desired coating thickness. Usually, the number of strokes is determined experimentally.
  • the porosity of the sprayed coating can also be influenced by the process parameters of the coating process, whereby porosities of less than 0.5% can be achieved, in particular with high-speed flame spraying. By porosity here is the area fraction to be understood, which is taken in a penetrating the investigated material transverse grinding of the cavities contained therein.
  • step S3 The stainless steel sprayed coating applied in step S3 is finally sealed in step S4 by application of a polymeric material, whereupon the corrosion protection coating process is completed in step S5, apart from possible surface finishing.
  • Thermal spray coating processes are characterized by the possibility of producing coating layers with very low porosity, ie with few cavities formed in the coating material.
  • the individual cavities are usually not connected to each other, so that the pores create no passages from the surface of the coating to the surface of the base material, via which a penetration of electrolytically acting substances could take place.
  • coatings are therefore dense for the process water and vapors associated with papermaking.
  • the coating surface is sealed with a polymeric material upon completion of the thermal spray coating.
  • the sealing effect is not removed by a possible wear of the sealing layer 3 to the exposure of the upper regions of the spray coating 4, the surface of the spray coating is not ideally flat, but has a spatial contouring, in which the interfaces of adjoining coating particles arranged almost exclusively in depressions are.
  • Suitable polymers are epoxy resins and epoxy resins with filler particles embedded therein, for example of a polyfluoroethylene (PFE) and in particular of polytetrafluoroethylene (PTFE). Since epoxy resin in the non-crosslinked or partially crosslinked state shows good wetting of the coating base material, it can also penetrate into depressions of the coating surface with an unfavorable aspect ratio. The viscosity of the epoxy resin can be reduced by the addition of solvents, such as alcohols or ketones, to adjust the wetting to the surface contour of the coating 4.
  • the sealing process can be done by dipping, by spraying, or by using brushing tools such as a brush. As brushing or filling done.
  • DJ2600 is applied a corresponding one of one of the AISI standard 316 L steel formed spray material in 4 strokes on the surface of a steel roller core to form an approximately 90 micron thick spray coating using a high-speed flame spraying apparatus "Diamond Jet Hybrid ®". The resulting thermal spray coating is then sealed with a colorless two-component epoxy resin-based system.
  • FIG. 1B is in the same view as in Figure 1A a second embodiment of the invention shown.
  • an additional second coating 6 is provided here, which is arranged on the spray coating 4 and provides the function of compacting the stainless steel particles 2. This embodiment is particularly suitable for use in highly loaded positions appropriate.
  • carbides there are in particular carbides, nitrides or borides and mixtures thereof and mixtures with other metals of the 4th, 5th or 6th subgroup of the Periodic Table of the Elements application.
  • a preferred embodiment is tungsten carbide.
  • this hard metal layer does not form a dense, closed layer, it densifies the underlying layer due to the high density, for example of tungsten, in such a way that increased corrosion resistance can be assumed.
  • the invention described enables effective, long-lasting and cost-effective corrosion protection of guide rolls for use in paper machines.

Landscapes

  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft korrosionsbeständige Beschichtungen von Leitwalzen zum Leiten von Sieben oder Filzen in Papiermaschinen.
  • Bei der Herstellung von Papier, worunter in dieser Schrift alle zellulosehaltigen Faserstoffbahnen verstanden werden, also beispielsweise auch Kartone, Vliesstoffe und dergleichen, sind die Walzen der Papiermaschine Prozesswasser und Dampf mit elektrolytischer Leitfähigkeit ausgesetzt. Um diese aggressiven Medien nicht an die aus unedlen Metallen gefertigten Walzenkerne gelangen zu lassen, werden die Walzen bzw. Walzenkerne mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet.
  • US-A-5 283 121 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf den metallischen Grundkörper einer Papiermaschinenwalze, wobei die Oberfläche des Grundkörpers mit einer thermischen Spritzbeschichtung aus einem Edelstahlmaterial und einer auf die Oberfläche der thermischen Edelstahlspritzbeschichtung aufgebrachten Schicht aus einem Fluorpolymer versehen wird.
  • Als Korrosionsschutzbeschichtung von Walzen bzw. Walzenkernen werden gegenwärtig galvanische Hartchromschichten und mit thermischen Spritzverfahren aufgetragene Hartmetallschichten verwendet. Die galvanische Verchromung bietet einen kostengünstig herstellbaren und effektiven Korrosionsschutz, ist wegen der Toxizität der verwendeten galvanischen Bäder jedoch als umweltbelastendes Verfahren einzustufen. Außerdem ist eine mechanische Reinigung galvanischer Hartchromschichten aufgrund des spröden Verhaltens von Chrom nur schwer möglich. Als Hartmetallbeschichtungen wird üblicherweise ein Verbundwerkstoff von in einer Cobalt-Nickel-Matrix eingebetteten Wolframcarbid-Hartstoffen verwendet, der mit einem thermischen Spritzverfahren, wie z. B. HVOF (High-Velocity-Oxygen-Fuel, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen), auf die Oberfläche aufgetragen wird. Der Auftrag thermischer Hartmetallspritzschichten erfolgt in mehreren Hüben, d. h. in mehreren Teilschichten, um die physikalische Homogenität der Beschichtung sicherzustellen.
  • Thermisch aufgespritzte Hartmetallbeschichtungen zeichnen sich durch gute Korrosionsschutzwirkung und hohe Abriebbeständigkeit aus. Die Haftung von während einer Papierproduktion anfallenden Verunreinigungen ist auf Hartmetalloberflächen vergleichsweise gering, so dass diese verhältnismäßig leicht durch Beschaberung zu reinigen sind. Allerdings ist die Herstellung von thermischen Hartmetallspritzschichten im Vergleich zur Verchromung sehr kostenintensiv.
  • An minderkritischen Positionen einer Papiermaschine wie z. B. Leitwalzen für Siebe oder Filze, bei denen die Korrosionsschutzbeschichtung nicht mit der Papieroberfläche in Kontakt kommt, wird daher gegenwärtig die kostengünstigere aber mit einer höheren Umweltbelastung verbundene galvanische Hartverchromung bevorzugt. Allerdings können diese Hartchrombeschichtungen nicht beschabt werden.
  • Es ist daher wünschenswert einen kostengünstigen und gegenüber einer galvanischen Hartverchromung weniger umweltbelastenderen und dennoch effektiven Korrosionsschutz für Leitwalzen zum Leiten von Sieben oder Filzen in Papiermaschinen anzugeben.
  • Ein entsprechender Korrosionsschutz kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 erzielt werden, dass Schritte aufweist zum Bereitstellen einer Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten, zum Bereitstellen eines Edelstahlmaterials, zum Beschichten von zumindest einem Teil der Oberfläche der Leitwalze durch Aufbringen des Edelstahlmaterials unter Verwendung der Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten, und zum Versiegeln der aufgebrachten Beschichtung mit einem polymeren Werkstoff, der ein Epoxidharz umfasst.
  • Eine kostengünstig und umweltverträglich hergestellte korrosionsgeschützte Leitwalze gemäß Anspruch 16, weist einen metallischen Grundkörper, eine, wenigstens einen Teil der Oberfläche des metallischen Grundkörpers bedeckende, thermische Spritzbeschichtung aus einem Edelstahlmaterial und eine auf die Oberfläche der thermischen Edelstahlspritzbeschichtung aufgebrachte polymere Versiegelungsschicht auf, wobei das Material der polymeren Versiegelungsschicht ein Epoxidharz umfasst.
  • Da Edelstahlmaterialien für thermische Spritzbeschichtungen wesentlich preiswerter als spritzbeschichtbare Cermetmaterialien wie z. B. Hartmetalle sind, sind damit hergestellte Korrosionsschutzbeschichtungen auch kostengünstiger. Die Versiegelung der Edelstahlspritzbeschichtung mit einem Polymer verhindert ein Angreifen von Elektrolyten an Störstellen des Beschichtungsmaterials und beugt so einer Korrosion der Spritzbeschichtung und einem Vordringen der Korrosion verursachenden Elektrolyte zum Grundmaterial wirksam vor.
  • Bei Ausführungsformen des Verfahrens ist die bereitgestellte Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten zur Durchführung von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Laserspritzen ausgebildet. Diese thermischen Spritzverfahren führen zu keiner signifikanten metallurgischen Veränderung des Spritzwerkstoffs, so dass die metallurgische Zusammensetzung von mit diesen Verfahren hergestellten thermischen Spritzbeschichtungen der des zur Beschichtung verwendeten Ausgangsmaterials entspricht. Vorteilhaft wird das als Ausgangsmaterial zur Beschichtung verwendete Edelstahlmaterial in Form von Feinpulver bereitgestellt, dessen Partikel sich beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche plastisch verformen, wodurch auf einfache Weise sehr dichte Schichten geringer Porosität hergestellt werden können.
  • Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens ist die bereitgestellte Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten zur Durchführung von Lichtbogenspritzen ausgebildet, bei dem das Beschichtungsausgangsmaterial in einem Lichtbogen abgeschmolzen und mithilfe eines Trägergases auf das zu beschichtende Werkstück überführt wird. Lichtbogenspritzen eignet sich insbesondere zum Auftragen von sehr gut haftenden Schichten mit Dicken von mehr als 200µm bis einigen Millimetern auf großen Oberflächen. Bei Verwendung thermischer Beschichtungsverfahren bei denen das Beschichtungsausgangsmaterial zum Auftrag durch Zufuhr elektrischer Energie aufgeschmolzen wird, wie beispielsweise beim Lichtbogenspritzen, wird das Edelstahlmaterial zur Vereinfachung der Zuführung vorzugsweise in Drahtform bereitgestellt.
  • Zum Erzielen einer hoch Korrosionsbeständigen thermischen Spritzschicht wird vorzugsweise ein Edelstahlmaterial verwendet, das von einem Chrom-Nickel-Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß einer der Werkstoffnummern 1.4401, 1.4404, 1.4406, 1.4435, 1.44036 oder 1.4440 gebildet ist. Edelstähle dieser Werkstoffnummern erfüllen auch die Norm 316 L bzw. 316 des American Iron and Steel Institutes (AISI).
  • Sehr dichte, gering poröse Beschichtungen werden vorteilhaft durch Aufbringen des Edelstahlmaterials auf eine Oberfläche der Walzenkomponente in mehreren Hüben, d. h. mittels mehrerer, sukzessive aufeinander abgeschiedener Teilschichten erzielt. Dichte thermische Beschichtungen mit Dicken von etwa 50 bis 200 µm lassen sich bereits mit 4 bis 6 Hüben erzielen.
  • Für die Anwendung in hochbelasteten Positionen kann es vorteilhaft sein, eine weitere Beschichtung aus einem weiteren Material aufzubringen, welche wenigstens einen Teil der Oberfläche der thermischen Spritzbeschichtung aus Edelstahl bedeckt, wobei das weitere Material ein Carbid, Borid oder Nitrid oder eine Mischung daraus oder eine Mischung mit einem Metall der 4., 5. oder 6. Nebengruppe sein kann. Die Beschichtung kann mit den gleichen Beschichtungsverfahren wie die Edelstahlschicht aufgebracht sein, wobei die Dicke weitere 1 bis 3 Hübe betragen kann. Hierdurch wird eine zwar nicht geschlossene, aber zumindest einem verdichtenden Zweck dienende Beschichtung auf dem Edelstahl gebildet, welche für eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit sorgt.
  • Der polymere Werkstoff zur Versiegelung der Spritzbeschichtung umfasst ein Epoxidharz, das eine Edelstahloberfläche im nichtvernetzten wie im teilvernetzten Zustand gut benetzt und somit eine feste stoffschlüssige Verbindung garantiert. Ferner stellt die gute Benetzbarkeit auch sicher, dass das Harz in die Vertiefungen der Oberfläche eindringt und diese vollständig ausfüllt, so dass sich an der Grenzfläche der Spritzbeschichtung zur polymeren Versiegelungsschicht keine Hohlräume ausbilden. Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der polymere Werkstoff zur Versiegelung der Spritzbeschichtung ein Silicon-Polyesterharz, das eine gute Benetzung von Edelstahlspritzschichten mit einer Antihaft- und schmutzabweisenden Wirkung verbindet.
  • Generell können in das polymere Material der Versiegelungsschicht auch Füllstoffe eingebettet werden, um eine Verbesserung der Antihaft- und schmutzabweisenden Eigenschaften deren Oberfläche zu erzielen. Bei bevorzugten Ausführungsformen hiervon werden für die Füllstoffe vorzugsweise Materialien verwendet, die Polyfluorethylen und insbesondere Polytetrafluorethylen enthalten. Zweckmäßigerweise werden die Füllstoffe in Form von Partikeln und insbesondere in Form von Partikeln mit mittleren Durchmessern aus dem Bereich von 0,1 bis 5 µm in das polymere Grundmaterial der Versiegelung eingebettet.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den beiliegenden Figuren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist.
  • Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegende Figuren Bezug genommen, von denen
    • Figur 1A
    die eine von einer versiegelten Spritzbeschichtung auf einer Walzenkomponente gebildete Korrosionsschutzschicht in einer stark schematisierten Darstellung veranschaulicht,
    Figur 1B
    ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer zusätzlichen Beschichtung zur Verdichtung,
    Figur 2A
    die wesentlichen Schritte zur Herstellung einer versiegelten Spritzbeschichtung als Korrosionsschutz für eine Walzenkomponente, und
    Figur 2B
    die wesentlichen Schritte zur Herstellung einer versiegelten Spritzschicht gemäß der Ausführungsform der Figur 1B zeigt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Figuren 1A und 1B lediglich illustrativen Zwecken dient und keine Wiedergabe eines realen Bauteils darstellt. Größen wie Verhältnisse der einzelnen Komponenten sind daher im Hinblick auf eine klare Darstellung der Gegebenheiten gewählt und weichen von denen einer tatsächlichen Ausführungsform ab.
  • Die stark schematisierte Querschnittsdarstellung von Figur 1A zeigt einen Ausschnitt einer mit einer korrosionsgeschützten Oberfläche versehenen Walzenkomponente 10. Die dargestellte Ausführungsform einer Walzenkomponente weist einen Walzenkern 1 auf, auf deren Oberfläche eine von einer Spritzbeschichtung 4 und einer darauf aufgebrachten Versiegelung 3 gebildete Korrosionsschutzschicht 5 angeordnet ist. Die Korrosionsschutzschicht 5 bedeckt vorzugsweise alle Oberflächenbereiche der Walzenkomponente 10, die den beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Walze auftretenden korrosiven Medien ausgesetzt sind. Die Spritzbeschichtung 4 ist bei der veranschaulichten Ausführungsform aus einzelnen Edelstahlpartikeln 2 aufgebaut, die zur Ausbildung einer geschlossenen und damit dichten Schicht formschlüssig aneinander angrenzen. Eine entsprechend korrosionsgeschützte Walze eignet sich für einen Einsatz als Leitwalze für Siebe oder Filze in Maschinen zur Papierherstellung.
  • Als Edelstahlmaterial der Spritzbeschichtung 4 wird vorzugsweise ein nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß einer der Werkstoffnummern 1.4401 (Kurzname: X5CrNiMo17-12-2), 1.4404 (Kurzname: X2CrNiMo17-12-2), 1.4406 (Kurzname: X2CrNiMoN17-11-2), 1.4435 (Kurzname: X2CrNiMo18-14-3), 1.4436 (Kurzname: X3CrNiMo17-13-3) oder 1.4440 (Kurzname: X2CrNiMo19-12) verwendet, die sich durch ihre hohe Beständigkeit gegen Korrosion und Säuren auszeichnen. Die genannten Stahlsorten erfüllen auch die Normen 316 bzw. 316 L des American Iron and Steel Institutes (AISI).
  • Zum Auftrag des Beschichtungsmaterials 2 auf den Grundkörper 1 des von einer Walzenkomponente gebildeten Werkstücks 10 wird vorzugsweise ein thermisches Spritzverfahren verwendet, dessen grundsätzliche Schritte in Figur 2A vorgestellt sind.
  • Das Verfahren beginnt in Schritt S1 mit dem Bereitstellen einer Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten. Unter thermischem Spritzbeschichten ist ein Oberflächenbeschichtungsverfahren zu verstehen, bei denen das Beschichtungsmaterial ab-, an- oder aufgeschmolzen und als Spritzpartikel vermittelt über einen Gasstrom in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche beschleunigt wird. Die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks wird dabei nur in geringem Maße thermisch belastet. Beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche werden die Spritzpartikel in der Regel abgeflacht und verbinden sich durch mechanische Verklammerung. Hierdurch lassen sich rissfreie Beschichtungen mit homogener Mikrostruktur, geringer Porosität und guter Anbindung an das Werkstück erzielen. Beim Lichtbogenspritzen erfolgt das Aufschmelzen des drahtförmigen Spritz- bzw. Beschichtungswerkstoffs mit einem elektrischen Lichtbogen, beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen erfolgt das Anschmelzen der Spritzwerkstoffpartikel in der Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme und beim Laserspritzen mit dem Laserstrahl. Selbstverständlich können auch andere als die beispielhaft angeführten thermischen Spritzbeschichtungsverfahren verwendet werden.
  • In Schritt S2 des in Figur 2A illustrierten Verfahrens zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf eine Walzenkomponente wird der Spritzwerkstoff in Form eines Edelstahlmaterials bereitgestellt, wobei vorzugsweise nichtrostende Edelstähle verwendet werden, wie beispielsweise Chrom-Nickel-Stähle der AISI-Norm 316 L bzw. 316, die auch mit den Werkstoffnummern 1.4401, 1.4404, 1.4406, 1.4435, 1.44036 oder 1.4440 bezeichnet werden. Die Form in der der Spritzwerkstoff bereitgestellt wird richtet sich nach der zum Beschichten jeweils verwendeten Vorrichtung. Beim Lichtbogenspritzen wird der Beschichtungswerkstoff beispielsweise in Drahtform, beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen in Pulverform bereitgestellt. Die Größenordnung der mittleren Partikelgrößen solcher Pulver wird in Abhängigkeit der gewünschten Beschichtungsdicke gewählt und kann, da die Partikel beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche verflacht werden, für Beschichtungsdicken von knapp 100 bis einige 100 µm beispielsweise um etwa 50 µm betragen.
  • Nach dem Bereitstellen von Beschichtungsapparatur und Beschichtungswerkstoff sowie dem Einrichten des Werkstücks wird in Schritt S3 eine Oberfläche oder ein Teil einer Oberfläche des Werkstücks 10 mit dem Spritzwerkstoff unter Verwendung der Apparatur beschichtet. Zum Erzielen einer praktisch porenfreien bzw. vollständig dichten Beschichtung wird das Auftragen des Spritzwerkstoffs vorzugsweise in mehreren Hüben vorgenommen. Die Anzahl der Hübe richtete sich nach den jeweils an der Beschichtungsapparatur eingestellten Prozessparametern, eventuell der Größe der Pulverpartikel, dem Abstand zwischen Werkstück und dem den Spritzwerkstoff emittierenden Teil der Apparatur und der gewünschten Beschichtungsdicke. Üblicherweise wird die Anzahl der Hübe experimentell ermittelt. Die Porosität der Spritzbeschichtung kann ebenfalls über die Prozessparameter des Beschichtungsvorgangs beeinflusst werden, wobei insbesondere mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen Porositäten von weniger als 0,5 % erzielt werden können. Unter Porosität ist hierbei der Flächenanteil zu verstehen, der in einem das untersuchte Material durchsetzenden Querschliff von den darin enthaltenen Hohlräumen eingenommen wird.
  • Die in Schritt S3 aufgetragene Edelstahl-Spritzbeschichtung wird schließlich in Schritt S4 durch Auftragen eines polymeren Werkstoffs versiegelt wonach das Korrosionsschutz-Beschichtungsverfahren in Schritt S5 abgesehen von eventuellen Nachbearbeitungen der Oberfläche abgeschlossen ist.
  • Thermische Spritzbeschichtungsverfahren zeichnen sich durch die Möglichkeit aus, Beschichtungslagen mit sehr niedriger Porosität, d.h. mit wenigen im Beschichtungsmaterial ausgebildeten Hohlräumen herzustellen. Die einzelnen Hohlräume sind dabei in der Regel nicht miteinander verbunden, so dass die Poren keine Durchgänge von der Oberfläche der Beschichtung zur Oberfläche des Grundwerkstoffs schaffen, über die eine Penetration elektrolytisch wirkender Stoffe erfolgen könnte. Entsprechend hergestellt Beschichtungen sind daher für die mit der Papierherstellung verbundenen Prozesswasser und Dämpfe dicht.
  • Allerdings kann unter den Betriebsbedingungen einer Papiermaschine langfristig eine Korrosion der Spritzbeschichtung über Störstellen des Beschichtungsmaterials wie z.B. Korngrenzen und vor allem die inneren Oberflächen der Beschichtung erfolgen, die von den Grenzflächen gebildet werden, and denen die einzelnen Beschichtungspartikel aneinandergrenzen. Um einem Angriff mit nachfolgendem Vordringen der Korrosion über solche Grenzflächen vorzubeugen, wird die Beschichtungsoberfläche nach Abschluss der thermischen Spritzbeschichtung mit einem polymeren Werkstoff versiegelt. Die Versiegelungswirkung wird dabei durch einen eventuellen Verschleiß der Versiegelungsschicht 3 bis zur Freilegung der oberen Bereiche der Spritzbeschichtung 4 nicht aufgehoben, das die Oberfläche der Spritzbeschichtung nicht ideal eben ist, sondern eine räumliche Konturierung aufweist, bei der die Grenzflächen aneinandergefügter Beschichtungspartikel nahezu ausschließlich in Vertiefungen angeordnet sind.
  • Als Polymere eignen sich Epoxidharze und Epoxidharze mit darin eingebetteten Füllstoffpartikeln, beispielsweise aus einem Polyfluorethylen (PFE) und insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Da Epoxidharz im nichtvernetzten bzw. teilvernetzten Zustand eine gute Benetzung des Beschichtungsgrundmaterials zeigt, kann es auch in Vertiefungen der Beschichtungsoberfläche mit ungünstigen Aspektverhältnis vordringen. Die Viskosität des Epoxidharzes kann durch die Zugabe von Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Alkoholen oder Ketonen, verringert werden, um die Benetzung an die Oberflächenkontur der Beschichtung 4 anzupassen. Der Versiegelungsvorgang kann mithilfe eines Tauchbads, durch Aufspritzen, oder mithilfe von Streichwerkzeugen wie z. B. Pinseln oder Spachteln erfolgen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Ausbildung einer etwa 90 µm dicken Spritzbeschichtung mithilfe einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzvorrichtung "Diamond Jet Hybrid®" (DJ2600) ein von einem der AISI-Norm 316 L entsprechenden Stahl gebildeter Spritzwerkstoff in 4 Hüben auf die Oberfläche eines Stahlwalzenkerns aufgebracht. Sie so erstellte thermische Spritzbeschichtung wird anschließend mit einem farblosen Zweikomponentensystem auf Epoxidharzbasis versiegelt.
  • In Figur 1B ist in gleicher Ansicht wie in Figur 1A eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gegenüber der in Figur 1A dargestellten Ausführungsvariante ist hier eine zusätzliche zweite Beschichtung 6 vorgesehen, welche auf der Spritzbeschichtung 4 angeordnet ist und die Funktion des Verdichtens der Edelstahlpartikel 2 versieht. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für die Verwendung in hochbelasteten Positionen zweckmäßig.
  • Hierbei werden in einem in Figur 2B dargestellten Prozess in einem zusätzlichen Verfahrensschritt S6 weitere 1 bis 3 Hübe Hartmetall aufgebracht. Als Auftragsverfahren bieten sich die gleichen Verfahren wie für die Aufbringung der Spritzbeschichtung 4 an, weshalb auf eine wiederholende Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
  • Es finden insbesondere Carbide, Nitride oder Boride sowie Mischungen davon sowie Mischungen mit anderen Metallen der 4., 5. oder 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente Anwendung. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist Wolframcarbid zu nennen.
  • Diese Hartmetallschicht stellt zwar keine dichte, geschlossene Schicht dar, verdichtet jedoch durch die hohe Dichte beispielsweise des Wolframs die darunterliegende Schicht derart, dass von einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit ausgegangen werden kann.
  • Die beschriebene Erfindung ermöglicht einen effektiven, langanhaltenden und kostengünstigen Korrosionsschutz von Leitwalzen zur Verwendung in Papiermaschinen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf eine Leitwalze zum Leiten von Sieben oder Filzen in einer Machine zur Herstellung einer zelluloschaltizen Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Vliesbahn, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    - Bereitstellen einer Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten (S1),
    - Bereitstellen eines Edelstahlmaterials (S2),
    - Beschichten von zumindest einem Teil der Oberfläche der Leitwalze durch Aufbringen des Edelstahlmaterials unter Verwendung der Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten (S3),
    - Versiegeln der aufgebrachten Beschichtung (4) mit einem polymeren Werkstoff (S4), wobei der polymere Werkstoff ein Epoxidharz umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin auf dem Edelstahlmaterial eine weitere Beschichtung (6) aus einem weiteren Material aufgebracht wird (S6).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das weitere Material ein Carbid, Nitrid oder Borid oder eine Mischung daraus oder eine Mischung mit einem Metall der 4., 5. oder 6. Nebengruppe ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die bereitgestellte Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten zur Durchführung von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Laserspritzen ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Edelstahlmaterial in Form von Feinpulver bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die bereitgestellte Vorrichtung zum thermischen Spritzbeschichten zur Durchführung von Lichtbogenspritzen ausgebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, worin das Edelstahlmaterial in Drahtform bereitgestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Edelstahlmaterial von einem Chrom-Nickel-Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß einer der Werkstoffnummern 1.4401, 1.4404, 1.4406, 1.4435, 1.4436 oder 1.4440 gebildet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Beschichten einer Oberfläche der Leitwalze durch Aufbringen des Edelstahlmaterials (S3) sowie des weiteren Materials (S6) in mehreren Hüben erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Anzahl der Hübe für das Aufbringen des Edelstahlmaterials minimal 4 und maximal 6 beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, worin die Anzahl der Hübe für das Aufbringen des weiteren Materials zumindest 1 und maximal 3 beträgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der polymere Werkstoff zur Versiegelung der Spritzbeschichtung (4) ein Silicon-Polyesterharz umfasst.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der polymere Werkstoff zur Versiegelung der Spritzbeschichtung (4) ein Polymer mit darin eingebetteten Füllstoffen umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, worin als Füllstoffe Polyfluorethylen und insbesondere Polytetrafluorethylen enthaltende Füllstoffe verwendet werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, worin die Füllstoffe in Form von Partikeln und insbesondere in Form von Partikeln mit mittleren Durchmessern aus dem Bereich von 0,1 bis 5 µm verwendet werden.
  16. Leitwalze zum Leiten von Sieben oder Filzen in einer Maschine zur Herstellung einer zelluloschaltigen Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Vliesbahn, wobei die Leitwalze einen metallischen Grundkörper (1), eine wenigstens einen Teil der Oberfläche des metallischen Grundkörpers bedeckende thermische Spritzbeschichtung (4) aus einem Edelstahlmaterial und eine auf die Oberfläche der thermischen Edelstahlspritzbeschichtung aufgebrachte polymere Versiegelungsschicht (3) aufweist, wobei das Material der polymeren Versiezelungsschicht (3) ein Epoxidharz umfasst.
  17. Leitwalze nach Anspruch 16, worin eine wenigstens einen Teil der Oberfläche der thermischen Spritzbeschichtung aus Edelstahl bedeckende Beschichtung (6) mit einem weiteren Material vorgesehen ist.
  18. Leitwalze nach Anspruch 17, worin das weitere Material ein Carbid, Borid oder Nitrid oder eine Mischung daraus oder eine Mischung mit einem Metall der 4., 5. oder 6. Nebengruppe ist.
  19. Leitwalze nach einem der Ansprüche 16 bis 18, worin das Edelstahlmaterial von einem Chrom-Nickel-Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß einer der Werkstoffnummern 1.4401, 1.4404, 1.4440 oder 1.4435 gebildet ist.
  20. Leitwalze nach einem der Ansprüche 17 bis 19, worin das Material der polymeren Versiegelungsschicht (3) Silicon-Polyesterharz umfasst.
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