DE4135213A1 - Magnetrolle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Magnetrollen, die als Entwicklungsrollen oder -walzen in der Elektro­ photographie oder Elektrostatographie verwendet werden, und betrifft insbesondere Magnetrollen, die so modi­ fiziert sind, daß die Übertragungsfähigkeit eines Ent­ wicklers sowie die Verschleißfestigkeit verbessert sind.

Allgemein weisen Magnetrollen, die als Entwick­ lungsrollen oder -walzen in der Elektrophotographie, Elektrostatographie usw. verwendet werden, einen Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Art auf. Die Bezugszahl 1 be­ zeichnet ein Permanentmagnetteil, das hergestellt wird, indem magnetisches Pulvermaterial wie beispielsweise hartmagnetisches Ferrit, in eine zylindrische Form gebracht wird, oder indem eine Mischung aus ferroma­ gnetischem Material und einem Binder integral in eine zylindrische Form gebracht wird, wobei eine Welle 2 im Zentrum hiervon konzentrisch eingeklebt oder ein­ gebondet wird. Auf der äußeren Umfangsfläche des Permanentmagnetteils sind mehrere (nicht dargestell­ te) Magnetpole vorgesehen, die sich axial erstrecken. Flansche 3 und 4 sind an beiden Enden der Welle 2 über Lager 5, 5 angepaßt, wobei ein hohlzylindrischer Mantel 6 auf den Flansch 3 bzw. den Flansch 4 aufge­ setzt ist. Die Flansche 3 und 4 und der Mantel 6 sind aus nichtmagnetischem Material wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung oder rostfreiem Stahl gefer­ tigt. Die Bezugszahl 7 bezeichnet ein Dichtteil, das zwischen den Flansch 3 und die Welle 2 eingepaßt ist. Das Permanentmagnetteil 1 weist typischerweise einen Durchmesser von 20 bis 60 mm und eine Länge von 200 bis 300 mm auf.

Mit der Rolle des obigen Aufbaus wird eine vor­ bestimmte Entwicklungsfunktion erzielt, wobei die Relativdrehung des Permanentmagnetteils 1 und des Mantels 6 (durch Veranlassung einer Rotation der Welle 8 bei hiermit stationär verbundenem Permanent­ magnetteil 1) dazu führt, daß diese Anordnung als Magnetbürste wirkt, wobei magnetischer Entwickler auf der Außenfläche des Mantels 6 angezogen wird. In der Hauptsache werden als magnetische Entwickler üblicherweise entweder zwei Komponentenentwickler mit magnetischem Träger und Toner oder auch ein Komponen­ tenentwickler, die magnetischen Toner umfassen, verwendet.

Bei Magnetrollen des obigen Aufbaus wird eine Einrichtung zum Aufrauhen der Oberfläche des Mantels 6 verwendet, um die Übertragungsfähigkeit des Ent­ wicklers zu verbessern. In der US-PS 40 30 447 wird eine Oberflächenbehandlung angewandt, die Randrieren oder Rändeln beinhaltet, und in der US-PS 45 97 661 ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren beschrieben, das eine Strahlbehandlung beinhaltet. Die Aufrauhung der Oberfläche des Mantels 6 durch Randrieren führt zu erhöhter Bearbeitungszeit und Anzahl von- Arbeits­ stunden. Insbesondere ist dieses Verfahren für einen Mantel 6 aus einem Material unvorteilhaft, das eine geringe Bearbeitbarkeit wie rostfreier Stahl aufweist. Ein Mantel 6 aus einem weichen Material wie beispiels­ weise einer Aluminiumlegierung (A5056, A6063, A2017 usw.) weist eine geringe Verschleißfestigkeit auf, woraus eine geringere Lebensdauer resultiert. Darüber hinaus konnten Sandstrahlbehandlungen und Strahlputzen der Oberfläche eines Mantels 6 aus rostfreiem Stahl nicht dazu beitragen, die Verschleißfestigkeit der Oberfläche zu verbessern, obwohl die Oberfläche in­ folge der Bearbeitungsverformungen und -Spannungen geringfügig gehärtet wurde. Zusätzlich zu diesen Maß­ nahmen stellt das Verfahren der Ausbildung eines Be­ schichtungsfilms durch anodische Oxydation (wie bei­ spielsweise unter dem japanischen Warenzeichen "Alumite" bekannt) auf der Oberfläche eines Mantels 6 aus einer Aluminiumlegierung eine wohlbekannte Maßnahme zum Er­ höhen der Oberflächenhärte eines Mantels 6 dar. Der Beschichtungsfilm mit anodischer Oxydation, der iso­ lierende Eigenschaften zeigt, kann jedoch keine zufrie­ denstellenden Ergebnisse liefern, wenn zwischen der Ober­ fläche eines Mantels 6 und dem auf den Mantel 6 über­ tragenen magnetischen Entwickler elektrische Leitfähig­ keit erforderlich ist.

Als Maßnahme zur Lösung dieser Probleme wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Schicht, die aus rostfreiem Stahl besteht, mittels eines Bindemittels oder durch eine Metallspritzeinrichtung auf die Oberfläche eines Mantels 6 aufgetragen wurde, der aus einem nicht­ magnetischen Material wie eine Aluminiumlegierung herge­ stellt war (US-PS 32 46 629 und beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift 23 173/1986).

Ein Mantel 6 aus einer Aluminiumlegierung kann jedoch durch Wirbelströme, die im Mantel 6 durch die Relativbewegung des Mantels 6 und Permanentmagnetteils 1 hervorgerufen werden, aufgeheizt werden. Um die Magnet­ rolle auf hohe Drehzahlen (beispielsweise 1000 U/min) zu bringen, damit eine Hochgeschwindigkeitsentwicklung erzielt wird, müßte dann das Antriebsmoment erhöht wer­ den. Dies würde zu einem erhöhten Leistungsverbrauch führen.

Obwohl ein Mantel 6 aus rostfreiem Stahl im Hin­ blick auf eine hohe Drehzahl effektiv ist, ist es darüber hinaus auch effektiv, eine aus einem rostfreien Stahl bestehende Schicht mittels einer Metallspritz­ einrichtung auf die Oberfläche des Mantels 6 aufzutra­ gen. Wird eine Metallspritzschicht, die aus rostfreiem Stahl besteht, auf einem Mantel aus rostfreiem Stahl vorgesehen, so neigt jedoch die Metallspritzschicht dazu, zu rosten. Wird Rost hervorgerufen, so neigt der gebildete Rost dazu, sich abzuschälen und in den Ent­ wickler zu fallen, was zu einer Verschlechterung der Qualität der Kopien führt. Dies ist auf eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der Metallspritzschicht zurückzuführen, wobei diese Änderung aus Effekten re­ sultiert, die durch die während der Metallspritzung einwirkende Wärme hervorgerufen werden, was eine lokale Dispersion von Chrom nach sich zieht. Dies führt wiederum zur Bildung lokaler Zellen zwischen der Metallspritz­ schicht und dem Basismetall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetrolle anzugeben, die für hohe Drehzahlen geeignet ist.

Ferner soll durch die Erfindung eine Magnetrolle angegeben werden, mit der die Übertragungsfähigkeit des Entwicklers verbesserbar ist.

Darüber hinaus soll durch die Erfindung eine Magnet­ rolle angegeben werden, die eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer aufweist.

Schließlich soll durch die Erfindung eine Magnet­ rolle angegeben werden, die die Dispergierung oder Aus­ scheidung von Chrom in einem Metallspritzfilm, der auf der Oberfläche eines hohlzylindrischen Mantels (im folgenden kurz Walze genannt) ausgebildet wird, ver­ hindert.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Danach ist auf der Oberfläche des hohlzylindrischen Mantels (der Walze) der Magnetrolle ein Metallspritzfilm oder eine Metallspritzschicht abgeschieden, die ausgebil­ det worden ist, indem ein rostfreier Stahl als Metall­ spritzmaterial aufgespritzt wurde, der weniger als 20% Chrom enthielt. Wie aus den folgenden Untersuchungen hervorgeht, konnte damit nicht nur die Rostbildung ver­ hindert werden (und damit die Qualität der erzeugbaren Kopien verbessert werden), sondern es konnten auch die Übertragungsfähigkeit des Entwicklers sowie die Ver­ schleißfestigkeit und Lebensdauer der Magnetrolle deut­ lich angehoben werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet. Danach beträgt der Chrom­ gehalt in den Bereichen der ausgebildeten Metallspritz­ schicht mit normalem hohem Chromgehalt mehr als etwa 20 Gew.-%. In den darüber hinaus vorliegenden Bereichen geringen Chromgehalts beträgt dieser mehr als etwa 10 Gew.-%.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt des wesent­ lichen Teils einer Magnetwalze oder -rolle, auf die die Erfindung angewandt ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Elektronenmikroskopbildes, das den Oberflächenzustand einer Walze in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Elektronenmikroskopbildes, das den Oberflächenzustand einer Walze in einem Vergleichsbeispiel zeigt, und

Fig. 4 ein Funktionsdiagramm, das die Änderungen der Oberflächenrauheit einer Walze in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.

Zunächst wurde in einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung eine Walze hergestellt, indem ein hohles Rohr (Außendurchmesser 20 mm, Wandstärke 1 mm) aus SUS304 (Cr: 18,0 bis 20,0%, Ni: 8,0 bis 10,5%) hergestellt wurde und dieses Rohr durch ein Schmelzverfahren im Lichtbogen mit einer 30 µm dicken Metallspritzschicht versehen wurde, wobei das Spritzmetall, das mittels Lichtbogenschmelzung auf die Oberfläche des hohlen Rohrs aufgebracht wurde, aus SUS31OS (Cr: 24,0 bis 26,0%, Ni: 12,0 bis 15%) bestand. Im einem Vergleichsbeispiel wurde ein weiteres Rohr mittels Lichtbogenschmelzung mit einer Spritzmetallschicht versehen, wobei das hierzu benutzte Spritzmetall zur Aufbringung auf das Rohr aus SUS316L (Cr: 16,0 bis 18,0%, Ni: 12,0 bis 15,0%) und SUS202 (Cr: 17,0 bis 19,0%, Ni: 4,0 bis 6,0%) bestand. Diese mit gleichen Metallspritzverfahren mit Metall­ spritzfilmen oder -schichten versehenen Rohre wurden einem Beschleunigungstest unterzogen, indem sie einer Umgebungsatmosphäre mit einer Temperatur von 40°C und relativen Luftfeuchtigkeit von 90% ausgesetzt wurden, um dabei die Oberfläche der Metallspritzfilme zu beob­ achten. Die Beobachtungsergebnisse hinsichtlich der Oberfläche der Filme sind im folgenden dargelegt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen der Elektronenmikroskopaufnahmen, die den Oberflächen­ zustand der Rohre bzw. Walzen in diesem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung und dem Vergleichsbeispiel darstellen. Im Vergleichsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist, ergab sich Rost 12 in Form von einzelnen Sprenkeln oder hirse­ kornförmigen Ausbildungen verstreut innerhalb des Metall­ spritzfilms 11. Infolgedessen wurde bei der Sichtprüfung bräunlicher Rost festgestellt, der sich über die gesamte Oberfläche des Vergleichsbeispiels ausbreitete. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde demgegenüber mit bloßem Auge kein Rost auf der Oberfläche der Walze fest­ gestellt. Sogar bei der Elektronenmikroskopbeobachtung wurde wurde im erfindungsgemäßen Beispiel kein Rost im Metallspritzfilm 11 gefunden, der entsprechend der Dar­ stellung in Fig. 2 auf der Oberfläche der Walze gänzlich gleichförmig dispergiert und verteilt war.

Die folgende Tabelle zeigt die Analyseergebnisse von Chrominhalten, die unter Verwendung eines Abtast­ elektronenmikroskopbildes (SEM) ermittelt wurden.

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, enthalten die normalen Bereiche der SUS316S und SUS202 Metall­ spritzschichten in den Vergleichsbeispielen im wesent­ lichen jeweils den gleichen Chromgehalt wie die Metall­ spritzmaterialien selbst, während die Bereiche mit wenig Cr, d. h. die Bereiche mit geringem Cr-Gehalt, außerordentlich geringe Chromgehalte aufweisen, und es ist eine signifikante Änderung in der chemischen Zusam­ mensetzung zu beobachten, die infolge des Chromverlustes vorliegt, der durch die während des Metallspritzprozesses zugeführte Wärme verursacht wird. Dies führte wahrschein­ lich zu der Bildung von Rost 12, wie aus Fig. 2 hervor­ geht. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwen­ dung von SUS3105 als Metallspritzmaterial liegt demgegen­ über sogar in den Bereichen mit wenig Chrom ein Chrom­ gehalt von nicht weniger als 13% vor. Infolgedessen ist die Metallspritzschicht 11 gemäß Fig. 2 gänzlich dauer­ haft, fest und haltbar, wobei kein Rost darin festge­ stellt werden konnte.

In der Erfindung umfaßt die Metallspritzschicht sowohl Bereiche mit hohem Chromgehalt (normale Bereiche) als auch Bereiche mit wenig Chrom, wobei jedoch die nor­ malen Bereiche vorherrschend bleiben. Um Rostbildung zu verhindern, sollte der Chromgehalt der normalen Bereiche in der Metallspritzschicht vorzugsweise über etwa 20 Gew.-% betragen und die Bereiche mit wenig Chrom in der Metall­ spritzschicht sollten vorzugsweise Chromgehalte von mehr als etwa 10 Gew.-% aufweisen.

Die Fig. 4 zeigt die zeitlichen Änderungen der Oberflächenrauheit behandelter Walzen. Dabei sind die Versuchsergebnisse einer erfindungsgemäß behandelten Walze, bei der SUS31OS auf die Oberfläche der Walze gespritzt wurde, mit a angezeigt, wohingegen das Symbol b jeweils die Ergebnisse eines Vergleichsbeispiels zeigt, in dem die Oberfläche der Walze strahlgeputzt wurde (mittels Sandstrahlgebläse behandelt wurde). Wie aus Fig. 4 hervorgeht, weist die Oberfläche der Walze im Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß dem Funktions­ verlauf a eine Bereichsspanne von 30 bis 40 µm (Ra) auf und ist im Hinblick auf die Übertragungsfähigkeit des Entwicklers im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel mit dem Funktionsverlauf b überlegen, wobei erfindungsgemäß die Oberfläche geringeren zeitlichen Schwankungen der Oberflächenrauheit unterliegt. Dies bedeutet, daß durch die Erfindung eine lang anhaltende stabile und zuverlässige Entwicklung gewährleistet ist.

Die Resultate von Testversuchen mit einer Magnet­ rolle der in Fig. 1 gezeigten Art, die unter Verwendung einer Walze des oben beschriebenen Aufbaus bzw. der oben beschriebenen Zusammensetzung hergestellt wurde, ergab, daß die Magnetrolle eine hohe Haltbarkeit aufwies und 2,5 Mio. Blätter überdauerte, wobei sie sich sowohl hin­ sichtlich der Übertragungsfähigkeit des Entwicklers als auch der Bildqualität als exzellent erwies.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein hohles Rohr, das aus SUS304 hergestellt war, als Basis­ metall der Walze verwendet. Jedoch sind auch andere Zu­ sammensetzungen von rostfreiem Stahl verwendbar, und Außendurchmesser und Wandstärke der hohlzylinderförmigen Walze können in entsprechend abgestimmter, geeigneter Weise abhängig von den jeweiligen Spezifikationen der Kopiermaschine, in die die Magnetrolle einzubauen ist, ausgewählt werden. Als Metallspritzmaterial sind andere Zusammensetzungen des rostfreien Stahls als SUS3105 verwendbar. Die Dicke der Metallspritzschicht kann ferner in einem Bereich von etwa 20 bis 100 µm jeweils den Erfordernissen entsprechend geeignet festgelegt werden. Dabei ist die Ausbildung eines Metallspritzfilms einer Dicke von weniger als 20 µm praktisch außerordentlich schwierig, während die Herstellung einer Metallspritz­ schicht mit einer Dicke von mehr als 100 µm im Hinblick auf die Herstellungskosten nachteilig ist. Darüber hinaus können zusätzlich zum Einsatz von Bogenentladungsheizung auch Plasmastrahlheizung, Hochfrequenzinduktionsheizung sowie direkte Heizung mittels Anlegen eines Entladungs­ stroms angewandt werden. Neben diesen bekannten elek­ trischen Metallspritzeinrichtungen sind auch Gasmetall­ spritzeinrichtungen verwendbar.

Wegen der einfachen Handhabung und Funktionsweise, der hohen Metallspritzkapazität und der Kompaktheit der Systeme sind jedoch Metallspritzverfahren mit Licht­ bogenschmelzung unter diesen Metallspritzeinrichtungen zu bevorzugen. Eine solche Lichtbogenmetallspritzung kann unter Verwendung kommerzell erhältlicher Ausrüstun­ gen (beispielsweise der Metallspritzausrüstung METOCO) bei geringer Gleichspannung von 18 bis 40 V und hohem Strom von 100 bis 800 A durchgeführt werden. Die Metall­ spritzmasse sollte vorzugsweise für die in der Erfindung eingesetzten rostfreien Stahle mit hohem Chromgehalt 3 bis 8 kg/h betragen (100 bis 200 A). Die Metallspritzung auf dem hohlzylindrischen Rohr oder Mantel, der die Walze bildet, wird normalerweise nach einer Vorbehandlung durchgeführt, die beispielsweise ein Entfetten, eine Strahlbehandlung und eine Vorheizung umfaßt.

Die erfindungsgemäße Magnetrolle mit dem zuvor be­ schriebenen Aufbau bzw. der Zusammensetzung erzielt die folgenden Wirkungen.

• 1) Da die Walze aus rostfreiem Stahl gefertigt ist, kann ein Temperaturanstieg infolge von Wirbelströmen minimiert werden. Dies macht die Erfindung insbeson­ dere für Anwendungen geeignet, die hohe Drehzahlen beinhalten.
• 2) Da die Oberfläche der Walze durch Auftragen einer Metallspritzschicht aufgerauht wird, kann die Übertragungsfähigkeit des Entwicklers verbessert werden.
• 3) Da die Oberfläche der Walze mit einer Metallspritz­ schicht aus rostfreiem Stahl versehen wird, können die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Rolle verbessert werden.
• 4) Da sich kein Rost auf der Oberfläche bildet, wie dies oft bei üblichen Rollen angetroffen wird, können qualitativ hochwertige Kopien erzeugt werden.

Claims (3)

1. Magnetrolle, aufweisend ein Permanentmagnetteil mit mehreren Magnetpolen, die sich auf seiner äußeren Umfangs­ fläche axial erstrecken, und einem hohlzylindrischen Mantel, der aus einem nichtmagnetischen Material herge­ stellt ist, wobei beide Teile über einen an ihren beiden Enden vorgesehenen Flansch in gegenüber einander dreh­ barer Weise ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallspritzschicht (11) auf der Oberfläche des Mantels (6) durch Spritzen eines Metallspritzmaterials aus rostfreiem Stahl, der mehr als 20% Chrom enthält, aufgetragen ist.

2. Magnetrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallspritzschicht sowohl normale, hohe Chrom­ gehalte aufweisende Bereiche als auch Bereiche mit geringem Chromgehalt aufweist und daß die Chromgehalte der normalen Bereiche mehr als 20 Gew.-% betragen.

3. Magnetrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromgehalte der Bereiche geringen Chromgehalts in der Metallspritzschicht mehr als 10 Gew.-%, betragen.