WO2014180588A1 - Walze - Google Patents

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Alexander Etschmaier
Franz Grohmann
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Voith Patent Gmbh
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F3/00—Press section of machines for making continuous webs of paper
    • D21F3/02—Wet presses
    • D21F3/08—Pressure rolls
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
    • D21G1/02—Rolls; Their bearings
    • D21G1/0246—Hard rolls

Definitions

  • rollers are available in a variety of positions and with a variety of functions in the above-mentioned machines.
  • rolls with soft cover layers are suitable for pressing and dewatering the fibrous web.
  • rollers with hard surfaces in particular also with a heating device, are mainly used for smoothing and drying.
  • a roller with a coating of a metal oxide is known, for example, from EP 0870867 B1.
  • the ceramic layer has 50 to 95% and preferably 55 to 80% of Cr 2 O 3 and 3 to 50% and preferably 20 to 45% of ⁇ 2 and possibly other metal oxides.
  • the sole input of energy into the material to be applied and a cooling rate of up to 10 6 K / s merely lead to a mechanical connection or clamping of the raw material to the roll core.
  • a careful preparatory surface treatment such as sandblasting and the like is needed, which is complicated and time-consuming.
  • the coating structure is closed in a porous state up to open porosity.
  • the porosity can lead to increased corrosion tendency and adhesion problems. Accordingly, the surface of the sprayed layer must be filled, for example by final sealing with a polymer.
  • the object is achieved by the characterizing features of claim 1 in combination with the generic features.
  • a coating of a metallic, ceramic and / or a cermet material is present or at least partially comprises such, wherein an alloy region is formed between the roll shell and the coating.
  • the alloy region has a thickness of 0.5 to 3%, preferably 1%, of the layer thickness of the coating.
  • a metallurgical bond between the material and the material of the roll shell can exist in the alloy region.
  • the coating may preferably be made using an inductive device, a plasma gun or a laser.
  • the material may be in powder, rod or wire form.
  • the coating may comprise at least one layer produced by a single stroke, or preferably several layers generated by several strokes.
  • Fig. 2 is a highly schematic representation of the order of a coating according to the invention.
  • FIG. 1 for ease of orientation, a thermal spray coating according to the prior art (FIG. 1A) is compared with a coating (FIG. 1B) produced according to the invention by laser cladding.
  • roller coating can range from “only wear-resistant” to “only corrosion-resistant”. Common to all positions, however, is the requirement for good adhesion of the roll coating on the roll core.
  • the above-mentioned disadvantages can be alleviated by an improved adhesion of the coating to the roll core to the effect that the connection of the coating material is not based on a purely mechanical clamping, but on a metallurgical bond.
  • the improved adhesion with a reduced porosity of the coating can also increase the corrosion resistance compared to a conventional thermal spray coating.
  • FIG. 1A a section of a roll 1 with a conventional thermal spray layer 2 is strong shown schematized cut.
  • the spray layer 2 is applied to a roller body 3, which consists of metal, preferably of steel.
  • the sprayed layer 2 of metallic, ceramic or cermet materials may at least partially exist.
  • the connection of the materials to the roll shell 3 is effected only by a mechanical or positive clamping of the molten particles on the material of the correspondingly prepared roll shell 3.
  • the interface 4 thus formed has seen in the radial direction no significant expansion. The attachment is thus limited.
  • corrosion by infiltration of water and punctual mechanical overloads such as the passage of a foreign body through a nip between two rollers 1 is thus to be expected that the sprayed layer 2 partially dissolves the roll shell 3. This can lead to endangerment of the operating personnel and damage to subsequent machine parts.
  • FIG. 1B in the same view as FIG. 1A, a cross-section through a coating 5 produced according to the invention by laser cladding is shown.
  • the connection of the materials which are built up to the coating 5, to the surface of the roll shell 3, is present here to an increased extent, since the energy input is higher overall and not only melted the materials, but also thermal energy in the surface of the roll shell 3 is entered.
  • Characterized the roll shell 3 is melted to a small extent, so that the material which is applied by a suitable applicator, can alloy into the material of the roll shell and thus enters into a metallurgical connection with the material of the roll shell 3.
  • the kinetic energy thus hardly contributes to the coating process, in contrast to thermal spraying.
  • the coating 5 produced by the laser cladding is usually produced in several strokes, wherein an alloy region also arises between the layers of the individual strokes, since each time the underlying region is remelted and alloyed with the further layer lying thereon. This in turn results in increased adhesion and corrosion resistance.
  • the roller 1 is rotatably mounted and is suitably driven so that it rotates away under a preferably axially displaceable along the roller 1 application device 7. Thereby, the entire surface of the roll 1 can be coated in a continuous spiral line in at least one or more strokes.
  • the application device 7 essentially comprises a material supply 8 and an energy source 9, in which the usually powdery material is introduced.
  • energy source 9 inductive and plasma-generating devices and lasers of various types such as CO2 laser, HDPL (High Power Diode Laser) or DDL (Direct Diode Laser) are conceivable.
  • the construction of a coating 5 by means of laser cladding represents the most technologically feasible variant.
  • a major economic advantage of the process is the high separation efficiency compared to thermal coatings with increased layer thickness per stroke ( ⁇ / pass).

Abstract

Es wird eine Walze (1) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Weiterverarbeitung einer Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn beschrieben, welche einen Walzenmantel (3), der zumindest bereichsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht, und eine darauf ausgebildete Beschichtung (5) umfasst. Die Beschichtung (5) besteht aus einem metallischen, keramischen und/oder einem Cermet-Werkstoff oder umfasst einen solchen zumindest bereichsweise, wobei zwischen dem Walzenmantel (3) und der Beschichtung (5) ein Legierungsbereich (6) ausgebildet ist.

Description

Walze
Die Erfindung geht aus von einer Walze insbesondere zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Derartige Walzen sind in einer Vielzahl von Positionen und mit einer Vielzahl von Funktionen in den oben genannten Maschinen vorhanden. So sind Walzen mit weichen Bezugsschichten zum Pressen und Entwässern der Faserstoffbahn geeignet, Walzen mit harten Oberflächen insbesondere auch mit einer Heizvorrichtung kommen vor allem zum Glätten und Trocknen zur Anwendung.
Die letztgenannten Walzen sind dabei früher vielfach aus Granit hergestellt und mit hoher Güte geschliffen worden. Neuere Konzepte sahen Stahlwalzen vor, welche ebenfalls poliert wurden. Da diese Walzen allesamt verschiedene Nachteile wie beispielsweise das hohe Gewicht im Fall der Granitwalzen oder die Anfälligkeit für Korrosion im Fall der Stahlwalzen aufweisen, setzten sich mit der Zeit neue Verfahren zum Beschichten von Walzenkörpern aus Stahl oder aus Verbundwerkstoffen durch, welche eine metallische, keramische oder Cermet-Spritzschicht mittels Verfahren wie HVOF- oder Flammspritzen auf dem Walzenkörper ausbilden. Derartige Walzen sind seit längerer Zeit bekannt und bilden den derzeitigen Stand der Technik beispielsweise bei Zentralpresswalzen, Trockenzylindern und Leitwalzen. Der Prozess des thermischen Beschichtens sieht dabei vor, dass Pulver oder Drähte mittels Eintrags von thermischer Energie erschmolzen und auf den zu beschichtenden Walzenkern kinetisch beschleunigt. Die Eigenschaften und Möglichkeiten der Spritzprozesse sind im Wesentlichen von dem Verhältnis der kinetischen zur thermischen Energie gegeben.
Eine Walze mit einer Beschichtung aus einem Metalloxid ist beispielsweise aus der EP 0870867 B1 bekannt. Dort wird eine Walze für eine Papiermaschine, Kartonmaschine oder eine Finishing-Maschine mit einer keramischen Lage in einer Dicke von 100 bis 2000 μητι beschrieben, die auf die Oberfläche der Walze aufgetragen wird, wobei die Rauhigkeit Ra der Außenfläche der Walze 0,2 bis 2,0 μητι und vorzugsweise 0,4 bis 1 ,5 μητι beträgt. Die keramische Lage weist 50 bis 95 % und vorzugsweise 55 bis 80 % an Cr2O3 und 3 bis 50 % und vorzugsweise 20 bis 45 % an ΤΊΟ2 und möglicherweise andere Metalloxide auf.
Die bekannten Verfahren sowie die dadurch erzeugbaren metallischen, keramischen oder Cermet-Beschichtungen sind dabei mit diversen Nachteilen behaftet.
Einerseits kommt es durch den alleinigen Energieeintrag in das aufzubringende Material und eine Abkühlgeschwindigkeit bis zu 106 K/s lediglich zu einer mechanischen Verbindung bzw. Verklammerung des Rohstoffs auf dem Walzenkern. Um diese Verklammerung so effektiv wie möglich zu gestalten, ist eine sorgfältige vorbereitende Oberflächenbehandlung wie Sandstrahlen und dergleichen vonnöten, welche aufwendig und zeitintensiv ist.
Andererseits ist die Beschichtungsstruktur je nach Material und/oder Herstellungsprozess geschlossen porös bis hin zu offener Porosität. Die Porosität kann zu erhöhter Korrosionsneigung und zu Haftungsproblemen führen. Entsprechend muss die Oberfläche der Spritzschicht beispielsweise durch abschließende Versiegelung mit einem Polymer verfüllt werden.
Des Weiteren ist thermisches Spritzen aufgrund der schlechten Auftragseffizienz des Pulvers hinsichtlich der μιτι pro Hub und dem Prozentanteil des auf der Walze verbleibenden Pulvers kein ökonomisches und auch kein ökologisches Verfahren.
Es ist dementsprechend Aufgabe der Erfindung, eine Walze anzugeben, deren Beschichtung hinsichtlich ihrer Haftung am Walzenkern und ihrer Korrosionsbeständigkeit den Anforderungen genügt, die durch Papier-, Karton- oder Tissuemaschinen hinsichtlich Temperaturen, Feuchtigkeit und Belastung durch Chemikalien gestellt werden. Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 in Kombination mit den gattungsbildenden Merkmalen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine Beschichtung aus einem metallischen, keramischen und/oder einem Cermet-Werkstoff vorhanden ist oder einen solchen zumindest bereichsweise umfasst, wobei zwischen dem Walzenmantel und der Beschichtung ein Legierungsbereich ausgebildet ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten und Aspekte der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Legierungsbereich eine Stärke von 0,5 bis 3%, vorzugsweise von 1 % der Schichtstärke der Beschichtung aufweist.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann in dem Legierungsbereich eine metallurgische Verbindung zwischen dem Werkstoff und dem Material des Walzenmantels bestehen. Die Beschichtung kann bevorzugt unter Verwendung einer induktiven Vorrichtung, einer Plasmakanone oder eines Lasers hergestellt sein.
Vorteilhafterweise kann der Werkstoff in Pulverform, in Stabform oder als Draht vorliegen.
Gemäß vorteilhafter Aspekte der Erfindung kann die Beschichtung zumindest eine Schicht, die durch einen einzelnen Hub erzeugt ist, oder bevorzugt mehrere Schichten, die durch mehrere Hübe erzeugt sind, aufweisen. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ohne Einschränkung der Allgemeinheit näher beschrieben. In den Figuren zeigen: Fig. 1A-1 Beine stark schematisierte geschnittene Ansicht durch eine thermische Spritzschicht und eine erfindungsgemäße Beschichtung, und
Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung des Auftrags einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
In Fig. 1 ist zur leichteren Orientierung eine thermische Spritzschicht gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1A) einer erfindungsgemäß durch Laser Cladding erzeugten Beschichtung (Fig. 1 B) gegenübergestellt.
Die grundsätzliche Aufgabe einer Walzenbeschichtung kann je nach Position in der Papier-, Karton- oder Tissuemaschine von„nur verschleißbeständig" bis hin zu„nur korrosionsbeständig" reichen. Allen Positionen gemein jedoch ist die Forderung nach guter Haftung der Walzenbeschichtung am Walzenkern. Die weiter oben angeführten Nachteile können durch eine verbesserte Haftung der Beschichtung am Walzenkern dahingehend gemildert werden, dass die Anbindung des Beschichtungsmatenals nicht auf einer rein mechanischen Verklammerung, sondern auf einer metallurgischen Bindung beruht. Durch diese „echte" Haftung, die nur in einem Bereich von 0,5 bis 3% der Schichtdicke vorhanden sein muss, kann eine Steigerung der Haftzugfestigkeit um bis zu 80% gegenüber einer thermischen Spritzschicht erzielt werden. Dieser Anstieg in der Haftung bringt vor allem je nach Position im Bereich der Sicherheit bei Bespannungsrissen und anderen auch lokalen Überlastungen eine erhöhte Laufzeit.
In Kombination der verbesserten Haftung mit einer verringerten Porosität der Beschichtung kann zudem die Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer herkömmlichen thermischen Spritzschicht erhöht werden. Betrachtet man Fig. 1 , so ist in der linken Darstellung, Fig. 1A, ein Ausschnitt aus einer Walze 1 mit einer herkömmlichen thermischen Spritzschicht 2 stark schematisiert geschnitten dargestellt. Die Spritzschicht 2 ist auf einem Walzenkörper 3 aufgebracht, der aus Metall, vorzugsweise aus Stahl besteht.
Wie weiter oben erläutert, kann die Spritzschicht 2 aus metallischen, keramischen oder Cermet-Werkstoffen zumindest teilweise bestehen. Die Anbindung der Werkstoffe an den Walzenmantel 3 erfolgt lediglich durch eine mechanische bzw. formschlüssige Verklammerung der erschmolzenen Partikel am Material des entsprechend präparierten Walzenmantels 3. Das so gebildete Interface 4 hat in radialer Richtung gesehen keine signifikante Ausdehnung. Die Anhaftung ist somit begrenzt. Insbesondere bei Korrosion durch Unterwanderung von Wasser und bei punktuellen mechanischen Überbelastungen wie beispielsweise beim Durchgang eines Fremdkörpers durch einen Walzenspalt zwischen zwei Walzen 1 ist somit damit zu rechnen, dass sich die Spritzschicht 2 bereichsweise vom Walzenmantel 3 löst. Dies kann zu Gefährdung des Bedienpersonals und zu Schädigungen nachfolgender Maschinenteile führen.
Demgegenüber ist in Fig. 1 B in gleicher Ansicht wie Fig. 1A ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäß mittels Laser Cladding hergestellten Beschichtung 5 dargestellt. Die Anbindung der Werkstoffe, die zu der Beschichtung 5 aufgebaut werden, an die Oberfläche des Walzenmantels 3, ist hier in einem verstärkten Maße vorhanden, da der Energieeintrag insgesamt höher ist und nicht nur die Werkstoffe erschmolzen, sondern auch thermische Energie in die Oberfläche des Walzenmantels 3 eingetragen wird. Dadurch wird der Walzenmantel 3 in geringem Maße angeschmolzen, so dass der Werkstoff, der durch eine geeignete Auftragsvorrichtung aufgetragen wird, in das Material des Walzenmantels einlegieren kann und somit eine metallurgische Verbindung mit dem Material des Walzenmantels 3 eingeht. Die kinetische Energie trägt hier somit kaum zum Beschichtungsprozess bei, im Gegensatz zum thermischen Spritzen. Dabei ist es ausreichend, wenn ein Legierungsbereich 6 ca. 0,1 bis 3%, bevorzugt 1 % der aufzubauenden Schichtstärke der Beschichtung 5 ausmacht. Dies ist in Hinblick auf das ebenfalls bekannte Verfahren des Auftragsschweißens als positiv zu bewerten. Einerseits ist der Legierungsbereich 6 kleiner, so dass eine feinere Verarbeitung der Werkstoffe möglich ist, was die Oberflächenqualität der Beschichtung 5 verbessert und nachfolgende Arbeitsschritte reduziert.
Andererseits wird die durch das Laser Cladding hergestellte Beschichtung 5 gewöhnlich in mehreren Hüben hergestellt, wobei zwischen den Lagen der einzelnen Hübe ebenfalls wieder ein Legierungsbereich entsteht, da jedes Mal der darunterliegende Bereich erneut angeschmolzen und mit der darauf liegenden weiteren Lage legiert wird. Daraus ergibt sich wiederum erhöhte Haftung und Korrosionsbeständigkeit.
In Fig. 2 ist in stark schematisierter Ansicht der Aufbau einer Beschichtung 5 auf eine Walze 1 dargestellt.
Die Walze 1 ist dabei rotierend gelagert und wird geeignet angetrieben, so dass sie sich unter einer vorzugsweise axial entlang der Walze 1 verschieblichen Auftragsvorrichtung 7 hinwegdreht. Dadurch kann die gesamte Oberfläche der Walze 1 in einer kontinuierlichen Spirallinie in zumindest einem oder mehreren Hüben beschichtet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Beschichtung 5 in anderer Weise aufzubringen, z. B. in radialen Ringen oder axialen Streifen. Die Auftragsvorrichtung 7 umfasst im Wesentlichen eine Werkstoffzufuhr 8 und eine Energiequelle 9, in welche der gewöhnlich pulverförmige Werkstoff eingetragen wird. Als Energiequelle 9 sind induktive sowie plasmaerzeugende Vorrichtungen und Laser verschiedener Typen wie CO2-Laser, HDPL (High Power Diode Laser) oder DDL (Direct Diode Laser) denkbar. Der Aufbau einer Beschichtung 5 mittels Laser Cladding stellt dabei die technologisch am einfachsten zu realisierende Variante dar. Ein großer ökonomischer Vorteil des Verfahrens ist in der hohen Abscheideeffizienz gegenüber thermischen Beschichtungen bei erhöhter Schichtstärke pro Hub (μηη/pass) zu sehen.

Claims

Patentansprüche
1 . Walze (1 ) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Weiterverarbeitung einer Faserstoffbahn wie einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn, umfassend einen Walzenmantel (3), der zumindest bereichsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht, und einer darauf ausgebildeten Beschichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) aus einem metallischen, keramischen und/oder einem Cermet-Werkstoff besteht oder einen solchen zumindest bereichsweise umfasst, wobei zwischen dem Walzenmantel (3) und der Beschichtung (5) ein Legierungsbereich (6) ausgebildet ist.
2. Walze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsbereich (6) eine Stärke von 0,5 bis 3%, vorzugsweise von 1 % der Schichtstärke der
Beschichtung (5) aufweist.
3. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Legierungsbereich (6) eine metallurgische Verbindung zwischen dem Werkstoff und dem Material des Walzenmantels (3) besteht.
4. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (5) unter Verwendung einer induktiven Vorrichtung, einer Plasmakanone oder eines Lasers hergestellt ist.
5. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Werkstoff in Pulverform, als Draht oder in Stangenform vorliegt.
6. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (5) zumindest eine Schicht, die durch einen einzelnen Hub erzeugt ist, bevorzugt mehrere Schichten, die durch mehrere Hübe erzeugt sind, aufweist.
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