DE1948576A1 - Stromkontaktwalze und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Stromkontaktwalze und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Stromkontaktwalze und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Stromzuführungs- oder Kontaktwalze zur kontinuierlichen Zuführung von elektrischem Strom in ein
metallisches Material bei der kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser
Walze.
Eine Stromkontaktwalze, die bei der Elektroplattierung von Zinn auf die Oberfläche eines kontinuierlichen Stahlbandes verwendet
wird, ist folgendermaßen aufgebaut: die Welle und der Trommelteil der Walze bestehen aus Stahl, ein Kupferüberzug beträchtlicher
Dicke ist auf die Oberfläche beider Teile aufgebracht, und eine Oberschicht eines Chrom- oder Nickelüberzugs ist auf
die entsprechende Oberfläche des kupferumhüllten Trommelteils der Walze aufgebracht.
Die Kupferumhüllung der inneren Schicht hat die Punktion,als
Strompfad für einen über die Walzenwellen fließenden Strom und als Zwischenschicht zu dienen, um die Haftfähigkeit der
Chromüberzugsschicht in der obersten Schicht des Stahlwalzen— körpers zu verbessern. Die äußere Chromschicht soll zur Ver-
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• . - 2 .- ■ ■
längerung· der Lebensdauer der Walze die Abnutzungsfestigkeit
dieser Kontaktwalze bewirken.
Eine solche Kontaktwalze kann in jeder für kontinuierlichen Betrieb geeigneten Plattierungsvorrichtung unabhängig von den
zu plattierenden Metallplatten oder Metallbändern oder auch unabhängig davon, ob die Plattierung in horizontal/er oder
vertikaler Arbeitsweise erfolgt, verwendet werden und bildet ein vorteilhaftes Element zur Stromübertragung bei der elektrochemischen
Behandlung einer Metalloberfläche·
Wird eine solche bekannte Kontaktwalze zur elektrolytischen
Behandlung mit einem Chromsäurebad verwendet, wie es heute für zinnfreien Stahl empfohlen und üblich ist, so treten bei der
elektrolytischen Behandlung verschiedene Schwierigkeiten auf.
Eine bekannte Kontaktwalze dieser Art ist vor allem mit einer harten Chromplattierung in der oberen Schicht versehen, bei der
feinste Löcher und Risse in der Chromschicht unvermeidlich sind. Dadurch wird der Kupfermantel in der unteren Schicht durch die
starken Oxydationseigenschaften der Chromsäure beträchtlich korrodiert,
wenn das Chromsäurebad in Berührung mit dem Kupfermantel kommt.
Da der Kupfermantel in der unteren Schicht die beträchtliche Dicke von etwa 10 mm aufweist, so zeigen sich bei einmal einsetzender
Korrosion Poren und Vertiefungen, die so groß werden, daß die Stromverteilung auf der Oberfläche der Kontaktwalze ungleichmäßig
wird, so daß die Dicke des metallischen Chrom- oder Chromatüberzugs über die Breite einer zu behandelnden Stahlplatte
beträchtlich schwankt und bogenartige ungleichmäßige Flecken auftreten.
Ist die Korrosion einmal so weit fortgeschritten, so kann als einzige Maßnahme nur noch die Kontaktwalze ersetzt werden. Im
allgemeinen ist es jedoch schwierig, solche bereits in dem Kupfermantel der inneren Schicht entstandenen Korrosionslöcher
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durch Inaugenscheinnahme der Kontaktwalze zu entdecken. Werden diese Fehlstellen übersehen, so blättert der Chromüberzug auf
der Außenfläche der Walze ab, wodurch die plattierte Oberfläche beschädigt wird, und es treten so schwere Störungen auf, daß der
Betrieb der elektrolytischen Behandlung unterbrochen werden muß. Die Korrosion des Kupfers ist im allgemeinen bereits so tief
fortgeschritten, daß das Kupfer vollständig entfernt werden muß. In diesem Fall jedoch ist die Erneuerung der Walze durch Erneuerung
des Kupfermantels so unwirtschaftlich, daß dieses Verfahren
sich für die Praxis als weitgehend unbrauchbar erwiesen hat.
Im allgemeinen werden mehrere solcher Kontaktwalzen in einer Reihe bei einer Elektroplattierbehandlung verwendet, so daß es
einen großen wirtschaftlichen Nachteil bedeutet, daß diese Kontaktwalzen innerhalb kurzer Zeit korrodieren und ersetzt werden
müssen. Bei einer kathodischen Elektrolytbehandlung beispielsweise in einer Badzusammensetzung von 50 g/l CrO^ und 0,5 g/l
H-SO. wird eine bekannte Kontaktwalze mit einer inneren Kupferummantelung
und einem äußeren Chromüberzug innerhalb von etwa 10 Monaten unbrauchbar. Die Kosten solcher Walzen liegen in der
Größenordnung von 10 000.— Dollar. Daher stellt es einen beträchtlichen wirtschaftlichen Verlust dar, wenn mehrere solcher
Walzen innerhalb von 10 Monaten unbrauchbar werden.
Durch Experimemte einer Untersuchungsreihe über die Korrosion
einer Kupferummantelung durch eine Chromsäure enthaltende Behandlung
slösung wurde ermittelt, daß die Korrosion nicht nur, wie allgemein angenommen wurde, durch eine chemische Wirksamkeit
der Chromsäure mit starken Oxydationseigenschaften verursacht wird, sondern auch dadurch, daß zwischen der Kupferunterlage
und einer Chromschicht im Elektrolyten ein elektrisches Element ausgebildet wird, wobei die Chromplattierung als
Kathode wirkt.
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Aus der obigen Beschreibung ergibt sich daher, daß bei der elektrolytischen Behandlung metallischen Materials unter Zuführung
einer wäßrigen Lösung einer stark oxydierenden Säure durch bekannte Kontaktwalzen kein wirtschaftlicher Betrieb erzielt
werden kann.
Ziel der Erfindung ist es, eine neue Stromzuführungs- oder Kontaktwalze
und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die die obengenannten Nachteile nicht aufweisen.
Anders ausgedrückt, soll eine erfindungsgemäß ausgebildete Kontaktwalze
so beschaffen sein, daß selbst bei der Verwendung in einer elektrolytischen Behandlungslösung (etwa einer Lösung zur
Elektroplattierung, elektrolytisch-chemischen Behandlung, zum elektrolytischen Waschen, zur Aufbringung elektrophoretischer
Anstriche oder zur anodischen Behandlung und dergleichen), die als Hauptbestandteil eine Säure mit starker Oxydationseigenschaft,
wie etwa Chromsäure, enthält, nur schwer eine Korrosion
auftreten kann* Diese Walze soll hohe Leitfähigkeit und lange Lebensdauer miteinander verbinden. Ziel der Erfindung ist es
auch, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Walze anzugeben.
In der Zeichnung ist im Axialschnitt eine vorzugsweise, als Beispiel anzusehende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromzuführungswalze
in beträchtlicher Vereinfachung dargestellt.
Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Überzugsschicht oder Ummantelung aus Kupfer oder Kupferlegierung, die die Oberfläche des
Walzenteils, beide Seiten und Wellenenden einer Kontaktwalze umgibt. Die Kupferlegierung wird aus Materialien hoher elektrischer
und thermischer Leitfähigkeit ausgewählt. Kennzeichen 2 bezeichnet/Welle bzw. Wellenenden, die im allgemeinen aus Stahl
hergestellt sind. 3 sind Träger oder Stützteile, die die Walzenwelle 2 und eine Walze oder Trommel la, die aus einem Kupferoder
Kupferlegierungsmantel besteht, miteinander verbinden und
ebenfalls aus Stahl hergestellt sind.
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Eine soweit beschriebene Walze, die aus einer Trommel la, WeI-lenstumpfen
2,Stützteilen 3 besteht und mit einem Mantel 1 aus Kupfer oder Kupferlegierung versehen ist, der die übrigen Teile
umgibt, wird gewöhnlich als Kupferwalze bezeichnet. Walzen mit Chrom- oder Nickelplattierung auf der Oberfläche der aus Kupfer
hergestellten Walzentrommel la wurden ebenfalls als Kontaktwalzen benützt.
Als konventionelle Kontaktwalze wird daher im Rahmen der Erfindung
eine soweit beschriebene Walze bezeichnet, bei der die Oberfläche der erwähnten Kupferwalze chrom- oder nickelüberzogen
ist.
Dazu im Gegensatz bestehen die Merkmale der erfindungsgemäßen Kontaktwalze darin, daß die bekannte Ummantelung aus Kupfer
oder Kupferlegierung nicht direkt, sondern indirekt kupfer- oder nickelüberzogen ist und daß ein in der Behandlungslösung
nicht rostendes oder nicht korrodierendes Material zwischen der Schicht der ummantelung aus Kupfer oder Kupferlegierung
und der Chrom- oder Nickelüberzugsschicht vorgesehen wird.
Gemäß der Erfindung ist auf die oben beschriebene Walzentrommel la aus einer Ummantelung aus Kupfer oder Kupferlegierung eine
zylinderartige Hülse 4 aus korrosionsfestem Metall, wie etwa weichem Stahl, nicht-rostendem Stahl oder legiertem Stahl eng
anliegend aufgezogen.
Für diese metallische Hülse 4 sollte das für die elektrolytische Behandlungslösung oder das zu behandelnde Metall am geeignetsten
metallische Material ausgewählt werden. Für die elektrolytische Behandlung beispielsweise eines Stahlbandes mit Phosphat
oder Chromsäure ist es am vorteilhaftesten, die Hülse 4 aus einem Material herzustellen, das eine gute Antikorrosionseigenschaft
gegen solche elektrolytische Behandlungslösungen aufweist. Wird in einem solchen Fall rostfreier Stahl verwendet,
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so braucht die Oberfläche nicht chrom- oder nickelplattiert zu
werden.
Auf die Oberfläche der Stahlhülse 4 ist eine metallische Chromoder
Nickelüberzugsschicht 5 aufgebracht, die die äußerdte Schicht der Kontaktwalze bildet. Es ist möglich, solche gegen
Abnützung widerstandsfähigen Überzüge nicht nur durch Elektroplattierung, sondern auch durch Tauchplattierung,eindringende
Diffusionsplattierung, Metallaufsprühverfahren oder Abscheidung
aus der Dampfphase herzustellen.
Wird die Stahlhülse 4 aufschrumpft, so werden jegliche Schwierigkeiten
bei der elektrischen Kontaktgabe von der Walzentrommel la zur Stahlhülse 4 vermieden, wenn eine Überzugsschicht
aus Kupfer oder Kupferlegierung zuvor auf die Innenfläche der Hülse 4 aufgebracht wird,- die sich während des Aufschrumpfens
gleichzeitig eng mit der Mantelung der Walzentrommel la aus Kupfer oder Kupferlegierung verbindet.
Falls erforderlich, kann die Temperatur beim Aufschrumpfen erhöht
werden, so daß die Kupferplattierung auf der Innenfläche der Stahlhülse 4 und die Kupferummantelung auf der Walzentrommel
la thermisch miteinander verschweißt werden.
Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Kühlwassereintrittskanal, um
dem hohlen Abschnitt 7 in der Walze Kühlwasser zuzuführen, um zu verhindern, daß der elektrische Widerstand durch Joule1sehe
Wärmeentwicklung zur Zeit der Kontaktgabe ansteigt.
Ob die Walze als Hohlkörper ausgeführt werden soll und/oder ein Kühlwasserkanal vorgesehen werden soll, muß auf Grund der für
die Walze beabsichtigten Stromdichte,der Badtemperatur/ der
Spannung, des Wirkungsgrads der Elektroabscheidung und anderer Bedingungen bei der elektrolytischen Behandlung entschieden
werden.
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Bei der oben beschriebenen Kontaktwalze besteht die Grundidee gemäß der Erfindung darin, eine Hülse aus Stahl durch Aufschrumpfen
zwischen der Walzentrommel la und der Überzugsschicht 5 aus Chrom oder Nickel, die die äußerste Schicht
bildet, vorzusehen.
Selbst wenn die erfindungsgemäße Kontaktwalze beispielsweise
in einer zinnfreien Stahlfertigungsstraße, bei der hauptsächlich ein Chromsäure-Schwefelsäure-Elektrolytbad verwendet wird,
kathodisch geschaltet ist oder als Kontaktwalze in einer Chromatbehandlungsstraße bei Verwendung eines Chromsäure und
andere Katalysatorradikale enthaltenden Elektrolytbades eingesetzt
wird, so wird die Stahlhülse durch die Chromsäure doch nicht wesentlich angegriffen (ihre Korrodierung durch Chromsäure
ist kleiner als 1/10 der von Köpfer). Daher werden die bekannten Kontaktwalzen anhaftenden Nachteile, wie kurze Lebensdauer
der Walze, Ungleichmäßigkeit der elektrolytisch abgeschiedenen Filmdicke auf der elektrolytisch behandelten
Stahlplattenoberfläche und Unterbrech/ung des elektrolytischen
Behandlungsprozesses durch Auswechseln der Walzen erfolgreich vermieden.
Ein sehr billiges gewalztes Stahlmaterial von 10 mm Dicke für allgemeine bauliche Verwendungszwecke wurde zu einem Rohr geformt.
Die Innenfläche dieses Rohres wurde mit Kupfer etwa 1/100 mm dick plattiert. Daraufhin wurde das Rohr auf etwa
2000C erwärmt und, während es auf hoher Temperatur gehalten
wurde, auf die Außenseite einer Walzentrommel la aus Kupfer aufgeschrumpft, bei der die Schichtdicke des Kupfers etwa
12 mm betrug und die auf Raumtemperatur gehalten wurde. Dann wurde das Rohr aus gewöhnlichem gewalzten Baustahl auf etwa
5 mm Dicke geschliffen, um so die Stahlhülse 4 herzustellen. Die Stahlhülse 4 wurde dann unmittelbar auf ihrer Außenfläche
hart verchromt mit einer Dicke der Schicht 5 von etwa 0,3 mm, um so eine Kontaktwalze für eine Chromsäure-Schwefelsäure-Lösung
einer Galvanisierstraße zu erhalten.
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Die erhaltene Kontaktwalze wurde praktisch erprobt. (Nebenbei erwähnt, kann die Chromplattierung in der äußersten Schicht
auch eingespart werden, wenn ausreichende Vorsorge gegen Rosten getroffen ist.)
Die elektrolytische Behändlungslösung wies eine Zusammensetzung
von 50 g/l CrO3 und etwa 0,5 g/l H3SO4 auf. Selbst beim kontinuierlichen
Betrieb über mehr als ein Jahr konnten keine bogenärtig verteilten Fleckeh und keine Ungleichmäßigkeiten in der
abgeschiedenen Filmdicke der Innenschicht metallischen Chroms auf der Stahloberfläche und ebenso auf der äußeren Überzugsschicht festgestellt werden, die aus hydratisiertem Chromoxyd
besteht. Es konnte keine Korrosion durch Chromoxyd auf der Oberfläche
der Stahlhülse 4 festgestellt werden.
Der Versuch wird bis zum heutigen Tag fortgeführt. In Anbetracht der bis jetzt erzielten Ergebnisse kann für die erfindungsgemäße
Kontaktwalze eine mindestens mehr als zweimal so lange Standfestigkeit als bei irgendeiner der bekannten Kontaktwalzen erwartet
werden.
Selbst wenn die Stahlhülse 4 bei sehr langem Gebrauch nicht mehr ganz den Anforderungen entsprechen sollte, ist es auf einfache
Weise möglich, die korrodierte Stahlhülse durch Schleifen und anschließendes Neuverchromen zu regenerieren,im Unterschied zu
Walzenkörpern, die nur aus Kupfer oder Kupferlegierung bestehen,
da bei einer Stahlhülse niemals so tiefe Korrosionslöcher auftreten
können.Da es für die äußerste Chrom- oder Nickelüberzugsschicht ausreichend ist, eine Schichtdicke von nur etwa 0,3 mm
vorzusehen, sind "die Kosten im Vergleich zu den für eine Kontaktwalze
erforderlichen-Ausgaben vernachlässigbar klein, obwohl die,.
Regenerierung der Walze einen gewissen Aufwand beim Schleifen und erneuten Chromplattieren erfordert. Daher ist der Einsatz einer
erfindungsgemäßen Kontaktwalze offensichtlich sehr wirtschaftlich.
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Auch weist das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Kontaktwalze eine Anzahl Vorteile auf, die neue Verfahrensschritte beinhalten, die bei keiner der Methoden zur Herstellung
konventioneller Kontaktrollen bisher bedacht wurden, beispielsweise das Aufschrumpfen eines Rohres aus einem billigen
dicken Stahlblech zur Ausbildung einer Stahlhülse um die Walzentrommel. Ein solches billiges Stahlblech ist leicht überall
erhältlich,und gleichzeitig ist die zur Herstellung der Kontaktwalzen
erforderliche Zeit beträchtlich verkürzt.
Schließlich muß auch ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Kontaktwalze besondere Beachtung verdienen, das hauptsächlich
in der gleichbleibenden guten Leitfähigkeit besteht. Es zeigte sich, daß der Stromübergang beim Eintritt des Stahlmaterials
im Hauptkanal(des Bades) besonders gut war. Entgegen der Annahme, daß gewisse Schwierigkeiten bei der Stromübertragung bzw.
Leitfähigkeit durch die erfindungsgemäßen Kontaktwalzen auftreten könnten, ergaben sich tatsächlich sehr befriedigende
Ergebnisse dadurch, daß die Stahlhülse verhältnismäßig dünn ausgebildet ist. Damit ergaben sich beim Einsatz der erfindungsgemäßen
Kontaktwalze ganz beträchtliche Vorteile.
Es soll noch besonders betont werden, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Stromzufuhr- oder Kontaktwalze nicht auf die
Verwendung in Verbindung mit wäßrigen-Chromsäurebädern beschränkt
ist.
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Claims (6)
1. JStromzuführungswalze, gekennzeichnet durch eine in einer
elektro Iy ti sehen Behandlungslösung nicht rostende oder korrodierende
umkleidende Hülse (4), die auf die Oberfläche einer Walzentrommel (3) eng anliegend aufgezogen ist, und durch eine
unter der Metallhülse (4) vorgesehene Ummantelung (1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegen Abnutzung widerstandsfähige Metallüberzugsschicht (5) über
der Metallhülse (4) angebracht ist.
3. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhülse (4) aus Stahl hergestellt ist und die über der
Stahlhülse liegende Überzugsschicht (5) aus Chrom oder Nickel besteht und daß die Ummantelung (1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung
bis zu den Enden der Walzenwelle (2) vorgezogen ist.
4. Stromzuführungswalze zur Verwendung bei elektrolytischen Behandlungen mit Chromsäurebädern nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlhülsenwandung etwa 5 mm und die darauf aufgebrachte Chromplattierung etwa
0,3 mm und die Kupferummantelung etwa 12 mm stark sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführungswalze, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche eines Stahlzylinders
so mit Kupfer oder einer Kupferlegierung plattiert bzw. überzogen wird, daß der Innendurchmesser im wesentlichen gleiqh dem
Außendurchmesser einer auf die Oberfläche einer trommelartigen
Walze aufgebrachten Kupfer- oder Kupferlegierungsschicht ist
und daß der Zylinder auf die Walzentrommel so aufgeschrumpft wird, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung auf der Innenfläche
des Stahlzylinders und auf der Außenseite der Walzentrommel festsitzend miteinander verbunden werden.
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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlzylinder vor dem Aufschrumpfen auf 200 C erwärmt wird und
daß seine Oberfläche nach dem Aufschrumpfen geschliffen und
chrom- oder nickelplattiert wird.
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