Walze mit Beschichtung

Die Erfindung betrifft eine beheizbare Walze mit einer eine Bahnkontaktseite bereitstellenden Beschichtung, die für eine Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Materialbahn, insbesondere Faserstoffbahn wie bspw. Papier-, Karton- oder Tissuebahn geeignet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beschichtung einer solchen Walze.

Beheizte Walzen, wie bspw. Trockenzylinder oder Kalanderwalzen, kommen in der Regel direkt mit der zu trocknenden und/oder zu glättenden Faserstoffbahn in Kontakt. Hierbei muss ein hoher Wärmeübertrag vom zylindrischen Walzenmantel der beheizten Walze zur Faserstoffbahn gewährleistet sein. Aus diesem Grund ist der Walzenmantel solcher Walzen in der Regel aus einem metallischen Werkstoff wie bspw. Gusseisen oder Stahl. Zur Erhöhung der Abriebbeständigkeit wurde in der Vergangenheit vorgeschlagen die radial äußere Seite des Walzenmantels, d.h. die Seite die eine Bahnkontaktseite bereitstellt, mittels einer abriebbeständigen Beschichtung zu versehen. Solche Beschichtungen wie diese bspw. aus der EP0383466 bekannt sind, haben einen großen Anteil an Nitriden oder Karbiden und sind daher sehr abriebbeständig, haben aber den Nachteil einer geringen Wärmeleitfähigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es beheizte Walze mit einer Beschichtung des Walzenmantels vorzuschlagen, bei der die Beschichtung eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit einer ausreichenden Abriebbeständigkeit hat.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine beheizbare Walze die geeignet ist für eine Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Materialbahn, insbesondere Faserstoffbahn wie bspw. Papier-, Karton- oder Tissuebahn, und die einen Grundkörper mit einem metallischen und zylindrischen Walzenmantel umfasst, der durch geeignete Mittel beheizbar ist und auf dessen radial äußeren Mantelfläche zumindest abschnittweise eine Beschichtung angeordnet ist, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Walze eine mit der Materialbahn in Kontakt bringbare Bahnkontaktseite bereitstellt. Die erfindungsgemäße beheizbare Walze ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest eine metallische oder metall-karbidische Schicht umfasst oder daraus gebildet ist, wobei die zumindest eine metallische oder metall-karbidische Schicht eine erste eine Matrix bereitstellende Schichtkomponente sowie eine zweite in der Matrix verteilt angeordnete Schichtkomponente umfasst oder aus diesen gebildet ist, und die erste Schichtkomponente eine höhere Abriebbeständigkeit als die zweite Schichtkomponente sowie die zweite Schichtkomponente eine größere Wärmeleitfähigkeit als die erste Schichtkomponente hat.

Geeignete Mittel zur Beheizung des Walzenmantels sind allgemein bekannt und schließen Mittel ein, bei denen die Walze mit Dampf und/oder Öl und/oder heißem Wasser und/oder mittels Strahlung und/oder Induktion beheizt wird.

Die Beschichtung stellt zumindest eine Schicht mit einer ersten und einer zweiten Schichtkomponente bereit, wobei die erste Schichtkomponente die Matrix bildet, in der die zweite Schichtkomponente verteilt angeordnet ist, d.h. die beiden Schichtkomponenten liegen getrennt voneinander in der zumindest einen Schicht vor und bilden insbesondere keine Legierung miteinander. Getrennt bedeutet jedoch nicht zwingend, dass diese zwei Schichtkomponenten tatsächlich auch zwei voneinander getrennte, z.B. übereinander liegende Schichten ausbilden müssen. Vielmehr ist im Sinne der vorliegenden Erfindung gemeint, dass die beiden Schichtkomponenten jeweils für sich eine Phase bilden, sodass die Beschichtung (genau) zwei unterschiedliche Phasen aufweist. Die Phasen können daher ineinander gelöst sein, einander durchdringen oder umgeben. Durch die Bereitstellung einer Schicht mit zwei separaten Schichtkomponenten von denen die erste Schichtkomponente eine höhere Abriebbeständigkeit als die zweite Schichtkomponente und die zweite Schichtkomponente eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Schichtkomponente hat, wird für jede der beiden Funktionen, nämlich hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Abriebbeständigkeit, eine optimale Schichtkomponente bereitgestellt, ohne dass Kompromisse eingegangen werden müssen, wie dies bspw. bei Schichten mit nur einer Schichtkomponente der Fall ist, die beide Anforderungen gleichermaßen erfüllen muss.

Eine metallische Schicht ist hierbei eine Schicht, die im Wesentlichen metallische Bestandteile oder nur metallische Bestandteile hat. Eine metall-karbidische Schicht ist ferner eine Schicht, die im Wesentlichen metallische und karbidische Bestandteile oder nur metallische und karbidische Bestandteile hat.

Sofern nicht anders ausgeführt bedeutet der Begriff dass eine Schicht oder die Beschichtung im Wesentlichen einen bestimmten Bestandteil hat, dass dieser Bestsandteil zu mehr als 50 Gewichts-% in der Schicht oder Beschichtung vorliegt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorzugsweise ist die Beschichtung metallische oder metall-karbidische Beschichtung, d.h. alle Schichten der Beschichtung enthalten im Wesentlichen oder nur metallische Bestandteile oder im Wesentlichen oder nur metallische und karbidische Bestandteile. Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie die zweite Schichtkomponente aufgebaut sein kann. So ist es bspw. denkbar, dass die zweite Schichtkomponente im Wesentlichen, insbesondere vollständig, durch eine Vielzahl diskreter Bereiche gebildet ist. Im Wesentlichen bedeutet in dem vorliegenden Zusammenhang zu zumindest 75 Gewichts-%, bevorzugt zu zumindest Gewichts-85%. Die diskreten Bereiche der zweiten Schichtkomponente haben insbesondere eine Größe im Bereich von 5 bis 50 μηη. Aneinander grenzende Bereiche bilden hierbei Korngrenzen zwischen sich aus.

Die zweite Schichtkomponente kann zudem zumindest teilweise ein 3-dimensionales Netzwerk ausbilden. Durch die Ausbildung eines 3-dimensionalen Netzwerks wird die Wärmeleitung in der zumindest einen Schicht deutlich erhöht.

Ist die zweite Schichtkomponente zumindest teilweise aus diskreten Bereichen zusammengesetzt aufgebaut, so kann eine Vielzahl, insbesondere eine Mehrzahl, dieser diskreten Bereiche sich aneinandergrenzend berühren zumindest einen Großteil des 3- dimensionalen Netzwerks oder das 3-dimensionale Netzwerk ausbilden. Ist die zweite Schichtkomponente zumindest teilweise einstückig, d.h. ohne Korngrenzen, aufgebaut, so kann dieser einstückige Abschnitt zumindest einen Großteil des 3-dimensionalen Netzwerks oder das 3-dimensionale Netzwerk ausbilden. Unter dem Großteil des 3-dimensionalen Netzwerks soll mehr als 50%, insbesondere mehr als 70% der räumlichen Ausdehnung des 3-dimensionalen Netzwerks verstanden werden. Denkbar ist, dass die erste Schichtkomponente eine Eisenbasislegierung und/oder ein Cermet umfasst, insbesondere daraus gebildet ist. Ferner kann die Eisenbasislegierung neben Eisen als weitere(n) Bestandteil(e) Chrom und/oder Niob und/oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Silizium und/oder Bor und/oder Wolfram umfassen. Unter einer Eisenbasislegierung ist eine Eisenlegierung zu verstehen, die zu mehr als 50 Gewichts-% aus Eisen besteht. Vorzugsweise handelt es sich bei der Eisenbasislegierung um eine hochlegierte Eisenbasislegierung. Eine hochlegierte Eisenbasislegierung zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Abriebbeständigkeit aus. Als hochlegiert wird die Eisenbasislegierung vorliegend angesehen, wenn der Massenanteil eines seiner Legierungselemente mehr als 5 Gewichts-% beträgt. In diesem Zusammenhang ist insbesondere denkbar, dass die Eisenbasislegierung 3-5 Gewichts-% Tantal, 3-6 Gewichts- % Niob, 19-22 Gewichts-% Chrom und den Rest Eisen enthält.

Die zweite Schichtkomponente umfasst insbesondere Kupfer oder eine Kupferbasislegierung oder ist insbesondere daraus gebildet. Unter einer Kupferbasislegierung ist eine Kupferlegierung zu verstehen, die zu mehr als 50 Gewichts-% aus Kupfer besteht. Durch das duktile Verhalten von Kupfer kann die Anhaftung der zumindest einen Schicht, insbesondere der Beschichtung, an die Mantelfläche der beheizten Walze verbessert werden, wodurch der Wärmeübergang zwischen Beschichtung und Walzenmantel verbessert wird.

Vorzugsweise ist ferner, dass die zumindest eine Schicht durch 60 Gewichts-% oder mehr, bevorzugt mehr als 75%, der ersten Schichtkomponente und durch maximal 40 Gewichts-%, bevorzugt 5-25 Gewichts-%, besonders bevorzugt 10-15 Gewichts-%, der zweiten Schichtkomponente gebildet ist. Durch eine solche Aufteilung zwischen erster und zweiter Schichtkomponente wird eine optimale Einstellung von hoher Abriebbeständigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit der zumindest einen Schicht eingestellt.

Vorzugsweise ist die Beschichtung durch die zumindest eine metallische oder metall- karbidische Schicht gebildet ist, insbesondere ist die Beschichtung durch eine einzige der zumindest einen metallischen oder metall-karbidischen Schicht gebildet.

Des Weiteren hat die zumindest eine Schicht, insbesondere die Beschichtung, eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 15 W/mK oder mehr, bevorzugt im Bereich von 15 W/mK bis 250 W/mK, besonders bevorzugt im Bereich von 15W/mK bis 175 W/mK. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit kann bspw. mit einer Laserflash Apparatur gemessen werden, die von der der Firma NETSCH-Gerätebau GmbH aus D95100 Selb, Deutschland, unter der Bezeichnung„LFA 457 MicroFlash" vertrieben wird.

Ferner hat die zumindest eine Schicht, bevorzugt die die Bahnkontaktseite bereitstellende Schicht, eine Abriebbeständigkeit von weniger als 0,5g, bevorzugt von weniger als 0,2g, gemessen nach ASTM G65-04.

Konkret kann die Walze ein Trockenzylinder, insbesondere ein Trockenzylinder für eine einreihige oder zweireihige Zylindertrockengruppe oder eine Yankee-Trockenzylinder sein. Ferner ist denkbar, dass die beheizte Walze eine beheizte Kalanderwalze ist.

Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass eine ausreichende Stabilität der Beschichtung gekoppelt mit einer guten Wärmeübertragung gewährleistet ist, wenn die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 50μηι bis Ι δΟΟμηη, bevorzugt 100μηι bis Ι ΟΟΟμηη, besonders bevorzugt maximal δθθμηη hat. Konkret kann die Dicke der Beschichtung bei einem Yankee- Trockenzylinder max. δθθμηη betragen, bei einer beheizten Kalanderwalze im Bereich 150- 200μηι und bei einem Trockenzylinder für eine ein- oder zweireihige Zylindertrockengruppe im Bereich zwischen 200 und 350μη"ΐ.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Beschichtung einer beheizbaren Walze, die einen Grundkörper mit einem metallischen und zylindrischen Walzenmantel hat und der durch geeignete Mittel beheizbar ist vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a. Bereitstellen der radial äußeren Seite des Walzenmantels und

b. Aufbringen einer Beschichtung die zumindest eine metallische oder metall- karbidische Schicht umfasst oder daraus gebildet ist, wobei die zumindest eine metallische oder metall-karbidische Schicht derart aufgebracht wird, dass diese eine erste eine Matrix bereitstellende Schichtkomponente sowie eine zweite in der Matrix verteilt angeordnete Schichtkomponente umfasst oder aus diesen gebildet ist, und die erste Schichtkomponente eine höhere Abriebbeständigkeit als die zweite Schichtkomponente sowie die zweite

Schichtkomponente eine größere Wärmeleitfähigkeit als die erste Schichtkomponente hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere für die Wiederbeschichtung von Trockenzylindern verwenden, die aufgrund des regelmäßigen Verschleißes der Bahnkontaktseite solcher Trockenzylinder in regelmäßigen Abständen notwendig sind. Es ist aber grundsätzlich auf für andere, insbesondere stark abrasiv beanspruchte Bauteile der eingangs genannten Maschine anwendbar.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher den Verfahrensschritt, dass die radial äußere Seite des Walzenmantels und/oder eine eventuell vorhandene bestehende Beschichtung vor dem Aufbringen der Beschichtung Oberflächenbehandelt wird, insbesondere teilweise oder vollständig abgeschliffen wird. Durch diese Maßnahme können Riefen aus der Bahnkontaktseite entfernt werden und die Rundheit der beheizten Walze, wie bspw. des Trockenzylinders, wieder hergestellt werden.

Zur Herstellung der zumindest einen Schicht, insbesondere der Beschichtung, kann ein thermisches Spritz-Verfahren, insbesondere ein Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Verfahren (auch HVOF genannt), verwendet werden. In diesem Fall kann bspw. als Ausgangsmaterial zur Herstellung der zumindest einen Schicht ein Pulvergemisch verwendet werden, welches die Ausgangsmaterialien für die erste und zweite Schichtkomponente umfasst. Konkret kann bspw. ein Pulvergemisch verwendet werden, welches ein hoch legiertes Eisen Basis Pulver sowie ein reines Kupfer Pulver umfasst, bzw. aus diesen Pulvern besteht. Alternativ zum thermischen Spritzen kann die zumindest eine Schicht, insbesondere die Beschichtung durch das sog. Lasercladding-Verfahren hergestellt sein.

Zur Erhöhung der Glätte der Bahnkontaktseite und damit zur Reduzierung des Abriebs und zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Bahnmaterial und beheizter Walze ist es sinnvoll, wenn die die Bahnkontaktseite bereitstellende metallische oder metall-karbidische Schicht nach dem thermischen Spritzen geschliffen wird.

Vergleichsversuche haben nun ergeben, dass mit der Erfindung überraschenderweise ein verringerter Verschleiß von Schaberklingen, die im Betrieb der Walze in Kontakt mit der Beschichtung sind, um die Walze zu beschabern, erzielt werden kann. Der Effekt ist besonders beim Einsatz von Kupfer als zweite Schichtkomponente bemerkenswert. Obwohl der Wirkmechanismus nicht vollständig bekannt ist, wird davon ausgegangen, dass die in der als Matrix dienenden Schichtkomponente nach Art einer Phase gebundene zweite Schichtkomponente zusätzlich als Trockenschmierstoff bzw. Festschmierstoff wirkt. Die Schaberklinge trägt dabei im Betrieb sukzessive die Matrix ab, wodurch die zweite Schichtkomponente infolge der Abrasion der Beschichtung durch die Schaberklinge freigelegt wird und an die Oberfläche der Schaberklinge kommt. Die in der Matrix eingelagerte zweite Schichtkomponente "schmiert" also den von Schaberklinge und radial äußerster Oberfläche der Walze begrenzten Spalt. Besonders bevorzugt umfasst die zweite Schichtkomponente ein - insbesondere als Festschmierstoff wirkendes - Weichmetall wie Kupfer, Messing, Rotguss, Aluminium oder Blei, eine Mischung dieser oder entsprechender Legierungen oder ist aus einer/einem solchen (vollständig) hergestellt. Auch andere, entsprechend dem Einsatzzweck geeignete Materialien, insbesondere nicht-metallische Stoffe, wie Graphit, sind denkbar. Dabei kann es für sowohl für den Einsatz in beheizten oder beheizbaren Walzen wie auch in nicht-beheizten Walzen von Vorteil sein, wenn das Weichmetall eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Die vorliegende Erfindung ist daher grundsätzlich auch bei unbeheizten oder nicht beheizbaren Walzen oder allgemein bei abrasiv stark beanspruchten Bauteilen einer eingangs genannten Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Materialbahn verwendbar. Selbiges gilt analog für das Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung. Besonders dann, wenn die zweite Schichtkomponente derart gewählt ist, dass sie als Festschmierstoff Notlaufeigenschaften mit sich bringt. Besonders bevorzugt in einem solchen Fall kann die zweite Schichtkomponente derart gewählt sein, dass sie eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sodass diese im Notlauffall zusätzlich infolge der Abrasion induzierte Wärme von der Oberfläche der Beschichtung ableiten kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine erfindungsgemäße Beschichtung für ein Bauteil einer solchen Maschine, wie z.B. eine (nicht beheizte) Walze oder Schaberklinge sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Beschichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine eingangs genannte Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Materialbahn, umfassend wenigstens ein Bauteil mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung, wie eine Walze. .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, siehe Tabelle 1 und Figur 1 sowie Figuren 2 und 3. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine durch nur eine metallische Schicht gebildete Beschichtung, die auf der radial äußeren Seite der,, Mantelfläche eines Yankee-Trockenzylinders aufgebracht ist und folgende Eigenschaften und folgende Zusammensetzung hat:

Tabelle 1 :

Man erkennt, dass die erfindungsgemäße Lösung eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als aus dem Stand der Technik bekannt bereitstellt, bei vergleichbarer Abriebbeständigkeit.

Die Figur 1 zeigt eine abschnittweise und nicht maßstäbliche Darstellung eines Walzenmantels 1 eines Yankee-Trockenzylinders mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 2 gemäß Tabelle 1. Die Beschichtung 2 ist durch eine metallische Schicht gebildet, die wiederum durch eine erste eine Matrix bereitstellende Schichtkomponente 3 sowie eine zweite in der Matrix 3 verteilt angeordnete Schichtkomponente 4 (schraffiert dargestellt) gebildet ist.

Vorliegend ist die zweite Schichtkomponente 4 reines Kupfer (99,9 Gew.-%) und vollständig durch eine Vielzahl diskreter Bereiche gebildet, die zumindest teilweise aneinander grenzend nebeneinander angeordnet sind. Die diskreten Bereiche der zweiten Schichtkomponente 4 haben eine Größe im Bereich von 5 bis 50 μηη. Ferner bildet die zweite Schichtkomponente 4 zumindest teilweise ein 3-dimensionales Netzwerk aus, wobei eine Mehrzahl, der diskreten Bereiche der zweiten Schichtkomponente 4 aneinandergrenzend sich berührend das 3- dimensionale Netzwerk ausbilden.

Die Schicht 2 und somit die Beschichtung hat eine spezifische Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 32W/mK sowie eine Abriebbeständigkeit im Bereich von 0,2g gemessen nach ASTM G65-04. Die Dicke der Beschichtung 2 beträgt 500pm.