CH656149A5

CH656149A5 - Fadenfuehrendes bauteil fuer streckeinrichtungen zur herstellung hochpolymerer spinnfaeden und verfahren zur herstellung eines solchen bauteils.

Info

Publication number: CH656149A5
Application number: CH1962/83A
Authority: CH
Inventors: Wilhelm Sprick
Original assignee: Davy Mckee Ag
Priority date: 1982-05-15
Filing date: 1983-04-12
Publication date: 1986-06-13
Also published as: DE3218402A1; DE3218402C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fadenführendes Bauteil (z.B. Galette, Streckstift) für Streckeinrichtungen zur Herstellung hochpolymerer Spinnfäden sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Hochpolymere Spinnfäden erhalten ihre endgültigen Eigenschaften erst durch einen Streckprozess, durch den der Faden bzw. das Fadenkabel unter Molekülorientierung auf ein Vielfaches seiner ursprünglichen Länge plastisch gedehnt wird. Übliche Streckgrade liegen zwischen > 1 und 4. Die Verstreckung findet dabei üblicherweise auf oder zwischen mit Verlegerollen ausgerüsteten Walzen oder Walzenpaaren statt, die von den Fäden mehrfach umschlungen werden, wobei das Verhältnis der Unterschiede der Umfangsgeschwindigkeiten zueinander das Verstreckverhältnis bestimmt. Die betreffenden Walzen werden auch regelmässig als Galetten bezeichnet. Die räumliche Lage der Streckpunkte wird dabei bevorzugt festgelegt, und zwar entweder auf besonderen Galetten oder Streckstiften, relativ zu welchen die Fäden Gleitbewegungen ausführen. Die betreffenden Galetten und/oder Streckstifte haben dabei fadenführende Eigenschaften. Die

Gleitbewegung führt sowohl zu einer Beeinflussung der Oberflächen der fadenführenden Bauteile als auch der Fäden selbst.

So ist es bereits bekannt, fadenführende Bauteile mit Oberflächenbeschichtungen aus Hartchrom, Nickel oder rein keramischen Werkstoffen auszuführen. In dem zuletzt genannten Fall bestehen die Oberflächenschichten beispielsweise aus einem Gemisch aus Aluminiumoxid und Titandioxid, welches durch Plasmaspritzen aufgetragen wird. Es ist auch bereits bekannt, Hartchromschichten auf Galetten durch Sandstrahlen aufzurauhen.

Je nach der Beschaffenheit der Oberflächenschichten zeigen sich in den Laufeigenschaften erhebliche Unterschiede. Als Kriterien sind hierbei Anzahl und Umfang folgender Vorgänge zu werten: Fadenbrüche bzw. Kabelbrüche, Kapillarbrüche, Schlingenbildung, Wickelbildung und Fadenhaftung.

Da hierbei die Oberflächenbeschaffenheit der fadenführenden Bauteile eine besondere Rolle spielt, wurden zur Beurteilung der Oberflächenstruktur die Rauhtiefe gemessen und Reibungskoeffizienten mittels der hierfür üblichen Messmethoden bestimmt.

Zur Messung der Rautiefe wurde das Messgerät «Perth-O-METER», Typ Universal 34bd/4 eingesetzt, bei dem es sich um ein elektronisches Oberflächenmessgerät handelt, das zur Kategorie der Tastschnittgeräte zählt. Hierbei wird das Oberflächenprofil durch eine Tastspitze mechanisch abgetastet und die Tastspitzenbewegung über einen elektro-mecha-nischen Wandler in die Beschriftung eines Schreibstreifens umgesetzt. Die Tastspitze besteht dabei aus einer Diamantnadel mit einem Spitzenradius von etwa 10 Mikrometer.

Durch Messungen wurde festgestellt, dass eine hochglanzpolierte Hartchromoberfläche eine Rauhtiefe von 0,5 \i be-sass. Da bei einer geringen Rauhtiefe zu erwarten ist, dass der Faden über seine gesamte Breite eine grosse Auflagefläche auf der Galettenoberfläche hat, ergab sich zwangsläufig eine hohe Haftreibung bzw. eine grosse Gleitreibung.

Wird eine Hartchromschicht sandgestrahlt, so erhöht sich die Rauhtiefe auf etwa 9 Mikrometer. Zusätzlich treten in unregelmässigen Abständen verstärkt positive sowie negative Spitzen in Erscheinung, wobei die positiven Spitzen von grösserer Bedeutung sind. So wurden beispielsweise maximale Spitzenhöhen von ca. 5 Mikrometer gemessen, so dass bei einem Kapillardurchmesser der Fäden von ca. 30 Mikrometer eine Beschädigung oder Deformierung der Kapillarien nicht ausgeschlossen werden kann. Die gemessenen Gleitreibungswerte sind von der Fadenabzugsgeschwindigkeit v abhängig. Sie belaufen sich bei v = 1 m/min auf f = 0,123; bei v = 25 m/min auf f = 0,166 und bei v = 100 m/min auf f = 0,227. Eine grosse Rauhtiefe hat einen niedrigen Reibungsbeiwert zur Folge, was mit der geringen Oberflächenberührung zu erklären ist, die der Faden erfahrt.

Bei einer Galette, die mit einer chemisch abgeschiedenen Nickelschicht versehen war, ergab die Rauhtiefenmessung einen Wert von 5 bis 6 Mikrometer. Dabei zeigten sich positive und negative Spitzen, von denen die positiven Spitzen eine Maximalhöhe von etwa 2 Mikrometer aufwiesen. Die Reibungsbeiwerte lagen zwischen f = 0,210 bei v = 1 m/min und f = 0,257 bei v = 100 m/min.

Das Plasmaspritzen ist ein bei der Oberflächenbeschich-tung von Werkstoffen häufig angewandtes Beschichtungsver-fahren. Hierzu wird in der Regel ein sogenannter Plasmabrenner verwendet, bei dem ein Lichtbogen entweder zwischen einer zentralen Elektrode und einer Ringelektrode gezogen wird, oder zwischen einer zentralen Elektrode und dem Werkstück. Durch Einspeisen pulverförmiger Beschichtungswerkstoffe mittels eines geeigneten zur Plasmabildung beitragenden Gases werden feinste Tröpfchen des Beschichtungsmate-rials erzeugt und auf die zu beschichtende Oberfläche aufge5

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spritzt, wo sie unter Wärmeabfuhr an das Werkstück zu einer Oberflächenschicht erstarren.

Rauhtiefenmessungen an durch Plasmaspritzen hergestellten Oberflächenschichten aus rein keramischen Werkstoffen haben zu Rauhtiefen von 4,5 bis 5 Mikrometer geführt. Die Zahl positiver Spitzen ist gering und bewegt sich in einer Grössenordnung, die vernachlässigbar ist.

Bei sämtlichen bekannten Oberflächenschichten wurden nachteilige Wechselwirkungen zwischen den Schichten und den Fäden festgestellt. So ruft beispielsweise ein Faden, der über eine hartverchromte Galette oder einen hartverchromten Streckstift läuft, eine ständige Oberflächenveränderung hervor, wodurch sich zwangsläufig Fadenspannung und Fadenlaufeigenschaften ändern. Es wurden an einem Streckstift bereits deutlich sichtbare Oberflächenveränderungen festgestellt, nachdem 10 000 m Fadenmaterial über ihn gelaufen waren. Bei einer durch Sandstrahlen aufgerauhten Hartchromoberfläche zeigten sich Kapillarbeschädigungen an den Kontaktflächen durch Adhäsionskräfte.

Bessere Eigenschaften zeigte die chemisch abgeschiedene Oberflächenschicht aus Nickel, jedoch nur beim Einsatz für Fixier- und Auslaufgaletten. Bei Verwendung einer solchen Oberflächenschicht für Streck- und Reibgaletten konnten hingegen keine zufriedenstellenden Ergebnisse erreicht werden. Die Standzeit war entsprechend gering, da sich bereits nach kurzer Zeit deutliche Schleifspuren zeigten.

Noch relativ günstig hat sich das Verhalten der durch Plasmaspritzen aufgebrachten Keramikschicht gezeigt. Diese Schicht wirkt offensichtlich reibungsmindernd und gewährleistet einen guten Fadenlauf. Kapillarbrüche und -beschädi-gungen wurden ebenfalls nicht beobachtet, solange die betreffenden Galetten als Fixier- oder Auslaufgaletten verwendet wurden. Beim Einsatz im Spinn-Streck-Prozess als Streckbzw. als Fixiergaletten konnte hingegen kein zufriedenstellender Lauf erzielt werden.

Als weiteres Kriterium für die Beurteilung der Oberflä-cheneigenschaften sind noch die Auswirkungen auf die statische elektrische Aufladung der Fäden bzw. Fadenkabel zu berücksichtigen. Zur Untersuchung des Einflusses wurde eine Messapparatur verwendet, die nachfolgend noch näher beschrieben wird.

Das elektrostatische Verhalten von Synthesefasern ist von grosser Bedeutung für alle Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse. Die Ursachen und Folgen einer elektrostatischen Aufladung sind dabei sehr komplexer Natur, wobei jedoch gesagt werden kann, dass eine möglichst geringe elektrostatische Aufladung der Fäden anzustreben ist.

Bei Versuchen mit den bekannten Oberflächenschichten wurde festgestellt, dass bei Verwendung reiner Oxidschichten elektrische Spannungen zwischen 560 und 1 000 V/cm auftraten. Selbst bei Verwendung einer Oberflächenschicht aus chemisch niedergeschlagenem Nickel wurden noch Spannungen zwischen 530 und 730 V/cm gemessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fadenführendes Bauteil für Streckeinrichtungen zur Herstellung hochpolymerer Spinnfaden und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben, welche zu Oberflächeneigenschaften führen, die eine möglichst geringe Zahl von Fadenbrüchen, Kapillarbrüchen, Schlingen und Wicklern zur Folge hat und zu einer geringen Fadenhaftung in Verbindung mit einer geringen elektrostatischen Aufladung führt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete fadenführende Bauteil (wobei in den Ansprüchen 2,3 und 4 besonders vorteilhafte Ausführungsformen dieses Bauteils gekennzeichnet sind) und durch das im Anspruch 5 gekennzeichnete Verfahren (wobei in den Ansprüchen 6,7,8,9 und 10 besonders vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens gekennzeichnet sind).

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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man auf die Oberfläche ein Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromkarbid als Keramikanteil aufspritzt.

Dabei ist es wiederum von besonderem Vorteil, wenn man auf die Oberfläche ein Gemisch aus 10 bis 30% einer Nickel-Chrom-Legierung mit 50 bis 90% Nickelanteil, Rest Chromkarbid, aufspritzt.

Optimale Verhältnisse haben sich dadurch eingestellt,

dass man auf die Oberfläche ein Gemisch aus 20% einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung und 80% Cr2C3 aufspritzt.

Sämtliche Prozentangaben sind Gewichtsprozente.

Im Hinblick auf die anzuwendende Beschichtungstechno-logie ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn man das Ausgangsmaterial der Oberflächenschicht durch die an sich bekannten Verfahren des Plasmaspritzens oder der Detona-tionsbeschichtung aufbringt.

Das Plasmaspritzen ist eine bereits weit verbreitete Be-schichtungstechnologie, während das Detonationsverfahren erst in letzter Zeit eine zunehmende Verbreitung gefunden hat. Bei dem zuletzt genannten Verfahren wird zur Beschich-tung eine Detonationskanone verwendet, die im wesentlichen aus einer rohrförmig verlängerten Reaktionskammer besteht, die Geschütz-ähnlich aus einem Steuerblock für Gase, Werkstoffpulver und Elektronik herausragt. Genau dosierte Gemische von Sauerstoff, Acetylen und pulverisiertem Spritzwerkstoff werden in der Reaktionskammer durch einen elektrischen Zündfunken zur Detonation gebracht. Der so erzeugte heisse Gasstrahl schmilzt die Materialpartikel leicht an und beschleunigt sie in der rohrförmigen Austrittsöffnung auf eine Geschwindigkeit von > 800 m/sec. Beim Auftreffen dieser mit Überschallgeschwindigkeit in die Werkstoffoberfläche einschlagenden Partikel tritt eine Mikroverschweissung ein, die zu einer zähen Verbindung mit dem Grundstoff führt. Dadurch werden extrem verschleissfeste Schichten von überdurchschnittlicher Haftfestigkeit und Dichte erzeugt.

Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhältliche Oberflächenschicht hat vorteilhaft eine Struktur, bei deren Oberfläche es sich um eine punktförmige, gewellte Oberfläche handelt, die man auch als Runzeln oder Orangenhaut bezeichnen kann. Der Reibungskoeffizient beim Gleiten eines Fadens auf der betreffenden Oberfläche liegt zwischen f = 0,148 bei v = 1 m/min und f = 0,238 bei v = 100 m/min. Die Rauhtiefe liegt zwischen 21 und 24 Mikrometer. Die betreffenden fadenführenden Bauteile konnten ohne weiteres als Streck- und Fixiergaletten sowie als Streckstifte eingesetzt werden. Es ergaben sich keinerlei Faden- oder Kapillarbrüche, Schlingen oder Wickel. Auch eine Fadenhaftung wurde nicht beobachtet. Die gemessene elektrostatische Aufladung lagen zwischen 330 und 445 V/cm bei Kordfäden ohne Stabilisator und zwischen 380 und 510 V/min bei Kordfäden mit Stabilisator, wobei gesagt werden muss, dass die Messwerte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Präparationen (unbekannter Zusammensetzung) Schwankungen unterlagen. Dies hat jedoch im Hinblick auf die durchgeführten Vergleichsversuche mit anderen Galettenbeschichtungen, jedoch mit gleichen Präparationen, keinen Einfluss auf die Aussagekraft der Messwerte, die beim Erfindungsgegenstand deutlich niedriger als bei den bekannten Oberflächenbeschichtungen liegen.

Über einen erfindungsgemässen Streckstift wurden versuchsweise ca. 100 000 m eines Fadenkabels gezogen, ohne dass Schleifspuren sichtbar wurden.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand der Tabellen I und II sowie der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Die Tabelle I zeigt Versuchsergebnisse, die mit Galetten mit verschiedenen Oberflächenschichten gewonnen wurden. Die Zahlenwerte sprechen für sich selbst. Die Galette mit rein metallischer Nickelschicht hat einen Oberflächenwiderstand von 0,075 n/cm, während die erfindungsgemässe Galette, de3

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ren Schicht aus 20% metallischer und 80% keramischer Substanz besteht, einen Oberflächenwiderstand von 0,12 Q/cm aufweist. Damit liegen die Oberflächenwiderstände der damit beschichteten Galetten in der gleichen Grössenordnung. Über die metallischen Oberflächen der Galetten können elektrostatische Aufladungen gut abfliessen.

Die keramischen Schichten haben Oberflächenwider-stände von 4,4 x 103 Q/cm bzw. 5 x 105 Q/cm. Die Oberfläche wirkt als Isolator, so dass elektrostatische Aufladungen nur schlecht abgeleitet werden können. Die Tabelle I enthält Versuchsergebnisse, die im Produktionsmassstab an einem Streckgaletten-Duo gewonnen wurden.

Die Tabelle II enthält Versuchsergebnisse mit den gleichen Galetten, die jedoch in einer Versuchsanordnung gemäss Figur 2 betrieben wurden, um vergleichbare quantitative Aussagen über die elektrostatische Aufladung zu erhalten. Die Versuchsnummern beziehen sich jeweils auf Spulen mit den gleichen Fäden. In den verschiedenen Versuchen 1 bis 13 wurden sowohl die Präparationen als auch die Additive variiert. Einzelheiten bezüglich der Präparationen und Additive sind hier von untergeordneter Bedeutung, da sich in praktisch allen Fällen Vorteile zugunsten der erfindungsgemässen Oberflächenschicht zeigen.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemässe Galette 1 dargestellt, die aus einem Grundkörper 2 und einer erfindungsge-mäss aufgebrachten Oberflächenschicht 3 besteht.

In Figur 2 ist die bereits erwähnte Versuchsanordnung zur

Bestimmung der elektrostatischen Aufladung dargestellt. Der zu untersuchende Faden 4 kommt von einer Spinnspule 5 und läuft zunächst über eine Fadenbremse 6 mit einer eingestellten Fadenspannung von 0,5 cN/dtex auf die Galette 1 mit einem s Umschlingungswinkel von 540 Grad.

Nach dem Verlassen der Galette 1 wird der Faden 4 über zwei Fadenführer 7 und 8 geführt, die einen definierten und während der Versuche konstant bleibenden Abstand zu einer Messonde 9 aufwiesen. So betrug der Abstand zwischen dem io Fadenführer 7 und der Messonde 9 70 cm und der Abstand zwischen der Messonde 9 und dem Fadenführer 8 10 cm, die gesamte Messstrecke zwischen den beiden Fadenführern betrug also 80 cm. Der Faden 4 wurde schliesslich von einer Abzugseinrichtung 10 aufgenommen, die eine Fadenabzugs-15 geschwindigkeit von 100 m/min gewährleistet. Für einen jeden Versuch betrug die Messdauer 5 Minuten.

Die Messonde 9 bestand aus einem Alpha-Strahler (Ra) mit einer Aktivität von ca. 80 n Ci, durch den ein elekrisches Feld erzeugt wurde. Der mit unterschiedlicher elektrostati-20 scher Aufladung ankommende Faden bewirkte eine Änderung dieses Feldes, die als Messergebnis festgehalten wurde (Tabellen).

Der Faden wurde dabei in einem Abstand von 1 cm an der Sonde vorbeigeführt. Das eigentliche Messfeld war der 25 unmittelbare Bereich einer Öffnung von 4,5 mm Durchmesser in der Sonde. Die Messung erfolgte kontinuierlich über die gesamte Fadenbreite.

Tabelle I

Versuche mit verschiedenen Galetten-Oberflächen, durchgeführt an einem Streckgaletten-Duo.

Oberflächenschicht

Volle Spulen

Kapillarbruch

Oberflächen

Elektrostati

zählung mit widerstand sche Aufladung

Stroboskop

(%)

(Anzahl/Spulen)

(Ohm/cm)

qualitativ

Nickel, chemisch

40,0

0/4

0,075

keine abgeschieden

Keramik

65,0

1,3/4

4,5 x 103

gering

60% A1203 + 40% Ti02

Keramik

45,5

0,5/20

5 x 105

grösser als

87% A1203 + 13% Ti02

vorangegangene

Zeile erfindungsgemäss

67,5

0/4

0,12

keine

20% 80/20-NiCr

+ 80% Cr3C2

Tabelle II

Versuche mit verschiedenen Galetten-Oberflächen, durchgeführt an einer Versuchseinrichtung gemäss Fig. 2

Oberflächenschicht Versuchs-Nr.+)

(V/cm)

1

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Nickel, chemisch

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700-

400-

480-

230-

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abgeschieden

600

800

900

800

700

900

600

580

500

300

Keramik

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700-

600-

500-

400-

850-

280-

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60% A1203 + 40% Ti02

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850

800

850

900

800

700

550

950

360

300

Keramik

900-

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800-

1000—

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900-

1000 —

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700-

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120—

87% A1203 + 13% Ti02

1100

1200

1100

1000

1300

1200

1100

1200

1000

900

280

220

erfindungsgemäss

20% 80/20-NiCr

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600-

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400-

380-

250-

220-

240-

220-

+ 80% Cr3C2

380

280

450

380

800

370

600

480

450

350

260

280

260

+) = die Versuchs-Nummern beziehen sich aufSpulen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Fadenführendes Bauteil für Streckeinrichtungen zur Herstellung hochpolymerer Spinnfaden, gekennzeichnet durch eine Oberflächenschicht (3) aus einem Metall mit 50 bis 90% Keramikanteilen.

2. Fadenführendes Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Oberflächenschicht (3) aus einem Gemisch aus a) einer Nickel-Chrom-Legierung und b) Chromkarbid.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Fadenführendes Bauteil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Oberflächenschicht (3) aus einem Gemisch aus a) 10 bis 30% einer Nickel-Chrom-Legierung mit 50 bis 90% Nickelanteil und b) Rest Chromkarbid.

4. Fadenführendes Bauteil nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Oberflächenschicht (3) aus einem Gemisch aus a) 20% einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung und b) 80% Chromkarbid.

5. Verfahren zum Herstellen eines fadenführenden Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberfläche eines Grundkörpers (2) durch Spritzen aus der flüssigen Phase mit einer Oberflächenschicht (3) aus einem Gemisch Metall/Keramik mit 50 bis 90% Keramikanteilen überzieht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Oberfläche des Grundkörpers (2) ein Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromkarbid als Keramikanteil aufspritzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Oberfläche des Grundkörpers (2) ein Gemisch aus 10 bis 30% einer Nickel-Chrom-Legierung mit 50 bis 90% Nickelanteil, Rest Chromkarbid, aufspritzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Oberfläche des Grundkörpers ein Gemisch aus 20% einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung und 80% Cr2C3 aufspritzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Ausgangsmaterial der Oberflächenschicht durch Plasmaspritzen aufbringt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Ausgangsmaterial der Oberflä-chenschicht durch ein Detonationsverfahren aufbringt.