Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Rakelelementes Process for the surface treatment of a doctor element
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Rakelelementes, welches aus einer Stahllegierung, insbesondere austenitischem Stahl besteht.The invention relates to a method for surface treatment of a doctor element, which consists of a steel alloy, in particular austenitic steel.
Derartige Rakelelemente werden in Auftrags- und Dosiersystemen von Vorrichtungen zur Beschichtung von Faserstoffbahnen, insbesondere Bahnen aus Papier oder Ka rto n e i n g esetzt.Squeegee elements of this type are used in application and metering systems for devices for coating fibrous webs, in particular webs made of paper or cardboard.
Diese Vorrichtungen sind Bestandteil von Online- oder Offline-Streichmaschinen zur Herstellung der Faserstoffbahn.These devices are part of online or offline coating machines for the production of the fibrous web.
Die Rakelelemente, welche in Form von Rakelstäben, Rakelleisten oder auch als Rakelklingen eingesetzt werden, dienen dazu das im Überschuss auf ein Übertragungselement oder direkt auf die Materialbahn aufgebrachte flüssige oder pastöse Medium, insbesondere Pigmentstreichfarbe auf das gewünschte Strichgewicht abzurakeln oder es nur zu Vergleichmäßigen.The squeegee elements, which are used in the form of squeegee bars, squeegee strips or as squeegee blades, serve to scrape off the liquid or pasty medium, in particular pigment coating ink, applied to the desired coating weight in excess on a transfer element or directly onto the material web, or only to make it more uniform.
Die Rakelelemente weisen heute entsprechend der immer breiter geforderten Maschinen Längen von 10 m und mehr auf.The doctor elements today have lengths of 10 m and more, in accordance with the increasingly widespread machines.
Die Rakelstäbe, Rakelleisten oder Rakelklingen besitzen entweder eine glatte Oberfläche (EP 0654643B1) oder eine gerillte profilierte Oberfläche (DE 3022955).The doctor blades, doctor blades or doctor blades either have a smooth surface (EP 0654643B1) or a grooved profiled surface (DE 3022955).
Da die Rakelelemente insbesondere beim Beschichten von abrasiv wirkenden Pigmentstreichfarben und durch die hohe Laufgeschwindigkeit der Bahn besonders stark auf Verschleiß beansprucht werden, werden gegenwärtig diese Elemente aus einem Grund körper aus Stahl gefertigt und mit einer Hartstoffschicht versehen.
Es ist bekannt, diese Hartstoffschicht aus Chrom (EP 0454643B1) oder Keramik (DE 3937749A1) zu fertigen.Since the doctor elements are particularly subject to wear, particularly when coating abrasive pigment coating colors and due to the high running speed of the web, these elements are currently manufactured from a base body made of steel and provided with a hard material layer. It is known to produce this hard material layer from chrome (EP 0454643B1) or ceramic (DE 3937749A1).
Die Herstellung einer solchen Schicht ist sowohl teuer, als auch sehr zeitaufwendig.The production of such a layer is both expensive and very time-consuming.
Außerdem ist die Standzeit solcher Art „gefestigter Rakelelemente" immer noch zu gering. Deshalb wurde in der DE 19840951 A1 vorgeschlagen, Rakelstangen die eine genannte Hartstoffschicht aufweisen, einem lonen-lmplatationsverfahren zu unterziehen.In addition, the service life of such a type of “fixed doctor blade elements” is still too short. For this reason, DE 19840951 A1 proposed to subject doctor blade rods which have a hard material layer mentioned to an ion implantation process.
Durch eine Reaktion des Hartstoffes (des Chromes oder der Keramik) mit in einem Plasma applizierten Ionen, soll die Härte der Rakelstangen erhöht, vor allem aber Risse in der Oberfläche verschlossen werden.A reaction of the hard material (chrome or ceramic) with ions applied in a plasma is intended to increase the hardness of the doctor rods, but above all to close cracks in the surface.
Aber auch dieses Veredelungsverfahren ist kostenintensiv.But this finishing process is also cost-intensive.
Des weiteren können produktionstypische Fehler, wie Verchromungsfehler oder Ungleichmäßigkeiten - hauptsächlich bei Keramikbeschichtungen auftreten, wodurch die Rakelstange ihrem eigentlichen Ziel - nämlich die Schaffung einer gleichmäßigen Auftragsschicht über die gesamte Breite und Länge der Faserstoffbahn - nicht mehr gerecht werden kann.Furthermore, errors typical of production, such as chrome plating errors or irregularities, can occur mainly with ceramic coatings, as a result of which the doctor rod can no longer meet its actual aim - namely to create a uniform application layer over the entire width and length of the fibrous web.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Rakelelemente bereit zu stellen, die eine hohe Standzeit aufweisen und darüber hinaus kostengünstig und umweltschonend herstellbar sind.The invention is therefore based on the object of providing doctor elements which have a long service life and, moreover, can be produced economically and in an environmentally friendly manner.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruches 1 , einem Rakelelement gemäß dem Anspruch 9 sowie einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.The object is achieved with a method according to the features of claim 1, a doctor element according to claim 9 and a device according to claim 11.
Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass ein an sich bekanntes lonen- Implantationsverfahren im Plasma auch bei austenitischen Stellen anwendbar ist und
zu einer Vergrößerung der Oberflächenhärte (gemessen nach Vikers) führt.Completely surprisingly, it has been shown that a known ion implantation method in plasma can also be used in austenitic areas leads to an increase in surface hardness (measured according to Vikers).
Die Rakelelemente zeigen nach der Behandlung eine Oberflächenhärte von 900 bis 1800 HV, vorzugsweise 1000 bis 1200 HV.After the treatment, the doctor elements have a surface hardness of 900 to 1800 HV, preferably 1000 to 1200 HV.
Das ist umso bedeutender, da man wegen der Versprödungsgefahr in Folge der Bildung von Chromkarbid und der interkristallinen -Korrosion chromhaltige austenitische Stähle für nicht oder nur schlecht härtbar hielt. Da eine Härtung immer mit einer Verschlechterung der Korrosionsfertigkeit einher ging. Diese Nachteile werden mit der vorliegenden vermieden.This is all the more important since, because of the risk of embrittlement as a result of the formation of chromium carbide and the intergranular corrosion, chromium-containing austenitic steels were thought to be non-hardenable or only poorly hardenable. Since hardening was always accompanied by a deterioration in the ability to corrosion. These disadvantages are avoided with the present.
Dadurch, dass man die Einlagerung der Fremdionen transkristallin, d.h. im Metallgitter, erfolgen lässt, können diese vorstehend genannten unerwünschten Effekte vermieden werden und ermöglichen erstmals das erfindungsgemäße Veredelungsverfahren.By making the incorporation of the foreign ions transcrystalline, i.e. in the metal grid, these undesirable effects mentioned above can be avoided and enable the refinement process according to the invention for the first time.
Die Hauptvorteile eines derartig behandelten Rakelelementes liegen in den verbesserten technologischen Eigenschaften sowie in dessen erhöhter Standzeit.The main advantages of a doctor element treated in this way lie in the improved technological properties and in its increased service life.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen enthalten.Further expedient design options are contained in the subclaims.
Nachfolgend sollen Anwendungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben werden.In the following, application examples will be described using the drawing.
Figur 1 zeigt: Einen zylindrischen Rakelstab als Rakelelement.Figure 1 shows: A cylindrical doctor rod as a doctor element.
Figur 2 zeigt: Eine Rakelleiste als Rakelelement.Figure 2 shows: A doctor bar as a doctor element.
Der in Figur 1 dargestellte zylindrische Rakelstab 1 besteht aus austenitischem Stahl. Sein Durchmesser ist abhängig von der Art des Auftragsmediums, von der Art des zu beschichtenden Materials (Feinpapier, Spezialpapier, Rohkarton usw.) und von der Auftragsdicke (Strichgewicht in Gramm pro Quadratmetern). Der Durchmesser
beträgt im allgemeinen 8 mm bis 80 mm. Für eine Behandlung mit dem lonen- Implantationsverfahren haben sich alle Durchmesser als geeignet erwiesen.The cylindrical doctor rod 1 shown in Figure 1 is made of austenitic steel. Its diameter depends on the type of application medium, the type of material to be coated (fine paper, special paper, raw cardboard, etc.) and the thickness of the application (coat weight in grams per square meter). The diameter is generally 8 mm to 80 mm. All diameters have proven suitable for treatment with the ion implantation method.
Je nach Anwendungsfall ist die Mantelfläche 1a glatt ausgebildet oder auch mit Umfangsrillen, die schraubenlinienartig eingebracht sind, versehen. Die genannten Rillen, die in der Figur auch gezeigt sind, dienen der volumetrischen Dosierung des Auftragsmediums. Die Dosiermenge entspricht dabei dem freien Querschnitt der Rillen.Depending on the application, the lateral surface 1a is smooth or also provided with circumferential grooves which are introduced in the manner of a helix. The grooves mentioned, which are also shown in the figure, are used for volumetric metering of the application medium. The dosage corresponds to the free cross-section of the grooves.
Auch die in der Figur 2 dargestellte Rakelleiste besteht wie der Rakelstab 1 , aus austenitischem Stahl und kann eine, wie in Figur 1 beschriebene Oberfläche aufweisen. Im Beispiel ist diese Fläche glatt ausgebildet und mit 1 a' bezeichnet. Darüber hinaus weist die Rakelleiste 2 eine scharfe Abrisskante für ein genaues Abrakeln des Mediums auf. Die Abrisskante ist mit 2a bezeichnet.The squeegee strip shown in FIG. 2, like the squeegee rod 1, is made of austenitic steel and can have a surface as described in FIG. 1. In the example, this surface is smooth and designated 1 a '. In addition, the doctor bar 2 has a sharp tear-off edge for an exact doctoring of the medium. The tear-off edge is designated 2a.
Die in Figur 2 dargestellte und gegen die Materialbahn B angestellte Rakelleiste 2 kann eine ebene, konvexe oder konkav geformte Oberfläche 1a aufweisen. Im Bespiel ist diese konvex geformt. Die Rakelleiste 2 ist an einem nur angedeuteten Tragkörper 3 angeordnet und gegen diesen nachgiebig gestützt. Die Abstützung erfolgt hierbei mit einem Druckschlauch 4.The squeegee strip 2 shown in FIG. 2 and set against the material web B can have a flat, convex or concave surface 1a. In the example, this is convex. The squeegee strip 2 is arranged on a support body 3, which is only indicated, and is resiliently supported against the latter. This is supported with a pressure hose 4.
Beide gezeigten Rakelelemente 1 und 2 werden mit einem lonen- Implantationsverfahren behandelt bzw. veredelt.Both doctor elements 1 and 2 shown are treated or refined with an ion implantation method.
Das geschieht derart, dass ihr austenitischer Stahlkörper direkt mit energiereichen Ionen im Gasplasmazustand beschossen wird.This happens in such a way that its austenitic steel body is bombarded directly with high-energy ions in the gas plasma state.
Das Gasplasma besteht aus Stickstoff- und Kohlenstoffverbindungen sowie mindestens einem Edelgas wie Argon oder Helium.The gas plasma consists of nitrogen and carbon compounds and at least one noble gas such as argon or helium.
Als Fremdionen dienen vor allem Titan, aber auch Molybdän, Wolfram, Vanadium, Chrom und Bor-Ionen. Dabei wird eine auf das jeweilige Substrat und den Verwendundungszweck abgestimmte Auswahl an lonenarten verwendet.
Der Einschuss der Ionen erfolgt bis in eine Tiefe von bis zu 0,15 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,05 mm.Above all, titanium serves as foreign ions, but also molybdenum, tungsten, vanadium, chromium and boron ions. A selection of ion types that is matched to the respective substrate and the intended use is used. The ions are injected to a depth of up to 0.15 mm, preferably 0.02 to 0.05 mm.
Das Behandlungs- bzw. Veredelungsverfahren erfolgt bei Temperaturen von bevorzugt 50 - 650°C und 70° und 400 °C und einer Verweildauer in der Gas- Plasmaphase von bis zu 60 Stunden.The treatment or refinement process is carried out at temperatures of preferably 50-650 ° C. and 70 ° and 400 ° C. and a residence time in the gas plasma phase of up to 60 hours.
Die so behandelten Rakelelemente weisen danach eine Oberflächenhärte von 900 bis 1800 HV vorzugsweise 1000 bis 1200 HV auf.The doctor elements treated in this way then have a surface hardness of 900 to 1800 HV, preferably 1000 to 1200 HV.
Die Oberfläche der Rakelelemente 1 und 2 ist dadurch sehr feinkristallin und kann dadurch das Beschichtungsmaterial gleichmäßiger als bisher auf eine Papier- oder Kartonbahn auftragen.The surface of the doctor elements 1 and 2 is therefore very fine crystalline and can therefore apply the coating material more uniformly than previously to a paper or cardboard web.
Die Standzeit der Rakelelemente ist mindestens so gut, wie Rakelelemente aus dem Stand der Technik, die zusätzlich eine Hartstoffschicht auf dem Stahlkörper aufweisen.The service life of the doctor elements is at least as good as doctor elements from the prior art, which additionally have a hard material layer on the steel body.
Bevorzugt wird das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren veredelte Rakelelement 1 oder 2, wie bereits erwähnt, in einer Beschichtungsvorrichtung zum ein- oder beidseitigen direkten oder indirekten Auftragen eingesetzt. Das Auftragsmedium wird entweder auf im Übertragungselement, beispielsweise eine Auftragswalze aufgebracht von welcher die Papierbahn als Medium in einem Pressnip abnimmt oder das Medium wird direkt auf die Bahn aufgetragen. Im Anschluss daran wird mit dem Dosier System, welches das Rakelelement enthält, das zuvor im Überschuss aufgetragene Medium auf ein gewünschtes Maß abgerakelt oder die aufgetragene Schicht wird nur vergleichmäßigt. Das Auftragsmedium, insbesondere pigmenthaltiges Medium, zum Streichen oder Pigmentieren der Materialbahn, insbesondere aus Papier oder Karton, kann vor dem Rakeln längere Zeit (bei LDTA, d. h. Long Dwell Time Applicator) als auch nur kurze Zeit (bei SDTA, d.h. Short Dwel .) auf die Materialbahn eingewirkt haben. Dabei sind als Auftragsverfahren sogenannte Walzenauftragsverfahren als auch
Düsenauftragsverfahren (z. B. JetFlow, SpeedFlow usw.) möglich.As already mentioned, the doctor element 1 or 2 refined by the method according to the invention is preferably used in a coating device for direct or indirect application on one or both sides. The application medium is either applied to the transfer element, for example an application roller, from which the paper web as the medium in a press nip is removed, or the medium is applied directly to the web. Subsequently, with the metering system, which contains the doctor element, the medium previously applied in excess is scraped to a desired level or the applied layer is only leveled out. The application medium, in particular pigment-containing medium, for painting or pigmenting the material web, in particular made of paper or cardboard, can take a long time (with LDTA, ie Long Dwell Time Applicator) or only a short time (with SDTA, ie Short Dwel.) have acted on the material web. There are so-called roller application methods as well as application methods Nozzle application process (e.g. JetFlow, SpeedFlow etc.) possible.
Derartige Auftragsvorrichtungen sind hinreichend bekannt, weshalb auf eine zeichnerische Darstellung hier verzichtet werden soll.Such application devices are well known, which is why a graphic representation should be omitted here.
Es soll noch erwähnt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei der Neuproduktion der Rakelelemente als auch zur Nachbehandlung der Rakelelemente angewendet werden kann.
It should also be mentioned that the method according to the invention can be used both in the new production of the doctor elements and for the aftertreatment of the doctor elements.