Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckwalzen mit einem Kernzylinder aus Metall und einer plasmagespritzten homogenen, oxidarmen und haftfesten Kupfer- oder Kupferlegierungsauflage aus pulverförmigen Werkstoffen.
Auf dem Gebiet der Drucktechnik sind kupferbeschichtete Metallzylinder von besonderer technischer Bedeutung und finden z.B. als Tiefdruckzylinder Verwendung. Die Kupferschicht läßt sich mechanisch bearbeiten und entweder chemisch, mechanisch oder mit Hilfe der Lasertechnik gravieren.
Für das Aufbringen von Kupfer für den genannten Zweck ist die elektrochemische Abscheidung bekannt. Die Umweltschutzaufwendungen für das dabei anfallende Abwasser verteuern dieses Verfahren aber in zunehmender Form. Die Produktionszeiten für z.B. eine Schichtdicke von 1 mm betragen etwa 8 bis 12 Stunden und sind in Sinne einer flexiblen Fertigung zu verkürzen.
Kupferlegierungen lassen sich galvanisch nur sehr schwer mit konstant gleichbleibender Legierungszusammensetzung auf einem Zylinderkörper abscheiden. Ferner müssen für die einzelnen Legierungsarten unterschiedliche Elektrolytbäder verwendet werden. Unterschiedliche Metalle oder Legierungen des Grundzylinders bedürfen einer getrennten Vorbehandlung vor der galvanischen Auftragung.
Das Aufbringen von Kupfer durch Flamm- oder Plasmaspritzen auf metallische Körper zum Zwecke der Herstellung einer lötbaren Verbindung oder zur Verbesserung des elektrischen Übergangswiderstands sind bekannt. Die bisher erzeugten grobfladigen Schichten sind in ihrer Zusammensetzung inhomogen und für eine hochwertige Gravur für Druckzylinder ungeeignet. Die geeigneteren Spritzprozesse unter Vakuum, Schutzgaskammern und Schutzgasummantelungen sind in technischer Hinsicht sehr aufwendig.
Aus US-A-4 503 769 ist ein Druckzylinder bekannt, bei dem auf einen dünnen Kunststoffhohlzylinder Zink- und Kupferschichten aufgebracht wurden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, daß auf einen metallischen Grundkörper mit einem einzigen Verfahren Kupfer- wie Kupferlegierungsbeschichtungen mit geringeren Entsorgungskosten und hoher Produktivität unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des metallischen Grundkörpers aufgebracht werden können. Die Beschichtung muß homogen und mechanisch so bearbeitbar sein, daß die Oberflächenbeschaffenheit vergleichbar mit galvanischen Kupferbeschichtungen ist. In diese Oberfläche muß es möglich sein, die Gravuren für Druckwalzen ohne Qualitätsverluste einzubringen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, dessen nährere Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben sind. Nach der Beschichtung wird die Schicht zu einer geschlossenen homogenen Oberfläche mechanisch bearbeitet und die Gravuren mit hoher Güte eingebracht.
Der metallische Grundzylinder besteht vorzugsweise aus Stahl. Es können auch andere Metalle und Metall-Legierungen z.B. Aluminium oder hochfeste Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Zusätzlich kann der Grundzylinder auch mit chemisch oder elektrochemisch abgeschiedenen Metallen wie Nickel, Kupfer u.a. beschichtet sein.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche des Druckzylinders zunächst einem Aufrauhprozeß unterzogen. Vorzugsweise kann hierzu eine Aufrauhung der Oberfläche mit Sandstrahlgeräten vorgesehen sein, wobei als Strahlmittel vorzugsweise mineralisches Strahlgut wie Aluminiumoxid, Elektrokorund, Siliciumcarbid, Zirkonkorund u.a. in Frage kommen. Bevorzugte Strahlbedingungen sind dabei ein Strahldruck im Bereich von 2 bis 6 bar, eine Korngröße im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm, bevorzugt 0,5 bis 1,2 mm, ein Abstand der Düse zu der zu behandelnden Oberfläche im Bereich von 90 bis 150 mm und eine Bewegung der Düse über die behandelte Oberfläche hinweg mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 1 m/sec. Die Mikrooberflächenrauheit Ra des auf diese Weise behandelten Grundkörpers liegt im Bereich von 5 bis 15 µm, gemessen nach DIN 4768. Die Makrostruktur bleibt unverändert.
Zweckmäßigerweise folgt dem Aufrauhprozeß ein Reinigungsprozeß durch Druckluft oder in einem Reinigungsbad, gegebenenfalls mit Unterstützung durch Ultraschall. Durch den Reinigungsprozess wird im Rahmen der Erfindung sichergestellt, daß eventuell noch vorhandene Verunreinigungen an der Oberfläche wirksam entfernt werden.
Das Auftragen von Kupfer und Kupferlegierungen erfolgt erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen von pulverförmigem, kugeligem, mikrofeinem Werkstoff mit einem Teilchendurchmesser D50 von 6 bis 12 µm, der nach der Analysenmethode Laserbeugung Cilas bestimmt wird. Der Phosphorgehalt des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt im Bereich von 0,08 bis 0,15 Gew.-% und wird fotometrisch bestimmt, während der Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 0,3 % liegt und durch Heißextraktion im Inertgasstrom bestimmt wird. Überraschend zeigte sich, daß ein Phosphorgehalt von vorzugsweise 0,10 bis 0,12 Gew.-% als Desoxidationsmittel positive Auswirkungen auf das Oxidationsverhalten der aufgetragenen Kupferschicht ausübt. Neben reinem Kupfer können auch Kupferlegierungen verwendet werden, wie z.B. Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Nickel oder Kupfer-Nickel-Zink, die zusätzlich weitere Legierungsbestandteile wie z.B. Eisen, Mangan, Silizium oder Blei enthalten können.
Bei dem Plasmaspritzverfahren wird als Plasmagas ein Inertgas oder eine Inertgasmischung verwendet, vorzugsweise Argon in einer Menge im Bereich von 30 bis 60 l/min. Die Mikrokörnung des Auftragswerkstoffes bewirkt, daß der Plasmabrenner bei niedriger elektrischer Leistung betrieben werden kann. Die bevorzugte elektrische Leistung des Plasmabrenners beträgt 10 bis 15 kW, besonders bevorzugt 12 kW. Der Brenner wird an dem rotationssymmetrischen Grundkörper in einem Abstand im Bereich von 40 bis 100 mm, vorzugsweise von 40 bis 70 mm, mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 100 mm/min vorbeibewegt. Unter derartigen Bedingungen wird eine Auftragsrate im Bereich von 2 bis 8 kg/h erreicht.
Die zur Beschichtung vorgesehenen Druckwalzen werden während des Beschichtungsvorgangs, um die Oxidbildung gering zu halten und um Eigenspannungen sowohl in der Beschichtung, als auch im Grundkörper vorzubeugen, vorzugweise gekühlt. Zu diesem Zweck wird bevorzugt CO2 in fein kristalliner Form bei einem hohen Druck von circa 40 bis 60 bar eingesetzt. Es ist zwar bekannt, daß CO2 zur Kühlung beim thermischen Spritzen Verwendung findet, jedoch ist es für den Fachmann überraschend, daß gleichzeitig ein Strahlen der Oberfläche durch die bei der Entspannung entstehenden feinen CO2-Partikel stattfindet, wodurch erreicht wird, daß eine Einbettung stark oxidierter, störender Kleinstpartikel in die Beschichtung unterbunden wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragene Schichten können in einem einzigen Arbeitsgang eine Schichtdicke im Bereich von 50 bis 2000 µm aufweisen, vorzugsweise von 100 bis 1000 µm, wobei die Dickengleichmäßigkeit nur noch um 5 bis 10 % schwankt. Die Auftragung in einer Lage bewirkt, daß die Schicht keine oxidischen Zwischenlagen aufweist.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung, nach der das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren durchgeführt werden kann. Im einzelnen sind mit Bezugszeichen der Plasmabrenner 1 dargestellt, in den das Plasmagas 2 eingeleitet wird. Das Kupferpulver 3 wird in einer Dosiervorrichtung 4 vorgelegt, mit einem Pulverträgergas 5 in den heißen Gasstrahl eingegeben und schlägt sich dann auf die metallische Oberfläche 6 nieder. Der rotationssymmetrische Körper wird durch eine Vorrichtung 7 in Rotation versetzt. Nach Beginn des Beschichtungsprozesses wird mit Kohlensäure 8 gekühlt und nichthaftende Partikel durch feine Kristalle abgestrahlt. Der Plasmabrenner 1 wird durch eine Bewegungseinrichtung 9 in einem Übergang bezogen auf die Längsachse an dem Beschichtungskörper entlang geführt. Der metallische Körper ist nach diesem Prozeß mit einer Kupferschicht 10 überzogen.
Überraschend zeigte sich, daß sich die nach dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren erhaltenen beschichteten metallischen Zylinder besonders gut zur mechanischen Bearbeitung für die Verwendung als gravierte Druckwalzen eignen, wobei insbesondere die nicht gravierte, polierte, schattenfreie Oberfläche eine Rauheit Ra ≤ 0,1 mm (DIN 4768) aufweist.
Die geschlossene Oberfläche läßt sich galvanisch oder chemisch mit Metallen wie z.B. Nickel, Chrom, Kupfer u.a. sowie mit Metallegierungen versehen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden, ohne aber auf die konkret beschriebene Ausführungsform beschränkt zu sein.
Die Oberfläche eines Druckzylinders aus Stahl mit einem Durchmesser von 113,2 mm und einer Länge von 375 mm wurde zur Auftragung der Kupferschicht durch Sandstrahlen aufgerauht. Als Strahlmittel wurde Elektrokorund verwendet, ein Aluminiumoxidpulver mit einem Anteil von 3 % Titandioxid und einer Korngröße im Bereich von 1 bis 1,2 mm. Der Strahldruck betrug 2,5 bar bei einem Strahlabstand von 120 mm und bei einem Strahldüsendurchmesser von 8 mm. Nach dem Aufrauhen wurde die Oberfläche mit gereinigter Druckluft gereinigt.
Die so behandelte Oberfläche des Grundkörpers wurde durch Plasmaspritzen mit einem Kupferpulver mit einer Korngröße D50 im Bereich von 8 bis 10 µm beschichtet. Als Plasmagas wurde Argon verwendet. Die Brennerleistung betrug 12 kW und der Brenner wurde in einem Abstand von 60 mm mit einer Geschwindigkeit von 22 mm/min über den mit einer Drehzahl von 320 U/min rotierenden Grundkörper hinwegbewegt. Die Oberfläche des Grundkörpers wurde dabei im Bereich der Plasmaflamme mit CO2 unter einem Druck von 60 bar gekühlt und nicht haftendes Material durch Strahlen mit CO2-Partikeln entfernt.
Die so hergestellte Kupferschicht hatte eine Schichtdicke von 1 mm. Die Kupferoberfläche ließ sich mechanisch sehr gut mit polykristallinem Diamant bearbeiten. Nach einer Durchmesserverringerung von 0,15 mm wurde eine porenfreie Oberfläche mit einer Rauheit Ra von 0,3 mm erreicht. Die Oberflächengüte der anschließenden Endbearbeitung durch Diamantfilm-Läppen betrug Ra < 0,04 mm. Die Rauheiten wurden gemessen nach DIN 4768. Die Formabweichung des fertigen Zylinders betrug 0,01 mm, während seine Lageabweichung 0,01 mm betrug, jeweils im Einklang mit DIN ISO 1101.