DE1948576A1

DE1948576A1 - Stromkontaktwalze und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1948576A1
Application number: DE19691948576
Authority: DE
Inventors: Tamotu Hinami; Michiaki Nisida; Masaharu Ueoka
Original assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1968-09-25
Filing date: 1969-09-25
Publication date: 1970-04-09
Also published as: BE739350A; DE1948576B2; NL6914573A; GB1286826A

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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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

- ίο - Patentansprüche

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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- ii -

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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