Statisches und dynamisches Verhalten von Materialien für Walzenbeschichtungen in der Papierindustrie

Abstract

Von der Papierindustrie werden an keramische und metallische Walzenbeschichtungen einerseits Anforderungen bezüglich der Verschleißbeständigkeit und des Blattabgabeverhaltens der Beschichtungsoberflächen gestellt. Andererseits müssen diese Beschichtungen auch den mechanischen Beanspruchungen standhalten und Schutz gegen korrosiven Angriff bieten. In der vorliegenden Arbeit wurden lichtbogen-, HVOF- und APS-gespritzte metallische und keramische Einzelschichten und Schichtsysteme mit dem Ziel der Optimierung dieser Beschichtungen untersucht.<br />Salzsprühnebeltests entsprechend DIN 50021-SS und ASTM B 117 wurden für die Bestimmung der zur Gewährleistung ausreichenden Korrosionsschutzes benötigten Schichtdicken sowohl an Einzelschichten als auch an Schichtsystemen durchgeführt. Anhand dieser Analysen können die erforderlichen Beschichtungsdicken in Abhängigkeit der Spritzverfahren, der Materialzusammensetzung, der Pulveraufbereitung und der Nachbearbeitung der Beschichtungen bestimmt werden.<br />Um die Korrosionsbeständigkeit von thermisch gespritzten Schichten zu verbessern, werden üblicherweise Poren und Risse in diesen Beschichtungen mit Sieglern verschlossen. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Versiegelungsfähigkeit einzelner Siegler auf Stahlblechen und die Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung von Schichtsystemen durch Versiegelungen mittels Salzsprühnebeltests untersucht. Die Eindringtiefen verschiedener Siegler in Beschichtungen konnten mit Hilfe eines Fluoreszenzmittels bestimmt werden. Die Eindringtiefe und Versiegelungsgüte beeinflussende Parameter konnten definiert werden. Die Auswirkungen der Verwendung verschiedener Spritzverfahren und -parameter auf die Haftzugfestigkeiten der Beschichtungen und auf die Oberflächenbenetzung einiger Beschichtungsmaterialien konnten gezeigt werden. Trotz mikrostruktureller Abweichungen waren an Schichten aus Ni-Basislegierungen keine Unterschiede im Korrosionsschutzverhalten und in der Mikrohärte erkennbar. Da die Korrosionsbeständigkeiten und die Haftzugfestigkeiten von Beschichtungen stark durch innere Spannungen beeinflusst werden, wurden in Beschichtungen verschiedener Dicken und Materialien die Eigenspannungsverläufe mit Hilfe der Bohrlochmethode analysiert. Diese Untersuchungen zeigten, dass innere Spannungen in keramischen Beschichtungen bereits während des Abkühlens nach dem Spritzen und auch durch die mechanische Beanspruchung der Schichten während der Untersuchungen durch Rissbildungen und Abplatzungen abgebaut werden.<br />Ein Prüfstand, an dem beschichtete Walzen gleichzeitig unter zyklisch mechanischer Beanspruchung und unter korrosiven Bedingungen getestet werden können, wurde aufgebaut. Die Optimierung der für die mechanische aber auch für die korrosive Beanspruchung der Testwalzen erforderlichen Betriebsparameter wurde durchgeführt.

The paper industry has two major demands on metallic and ceramic coatings. Firstly the coating surfaces have to resist against abrasion and also have to assure the required paper release properties. Secondly the coatings have to bear the mechanical loads and have to provide sufficient protection against corrosion In the present work metallic and ceramic coatings and coating systems sprayed with arc wire, HVOF and APS systems were investigated in order to optimise these coatings. Salt fog corrosion test according to DIN 50021-SS and ASTM B 117 were accomplished with these coatings to determine the appropriate coating thickness needed for effectual corrosion protection. By means of these analyses the dependency of the corrosion behaviour of single and multi-layered coatings on the used spraying system, on the material's composition, on the type of powder processing as well as on the type of surface finishing is shown. To improve the corrosion protection of coatings pores and cracks are commonly closed with sealers. Salt fog corrosion tests with different sealers on steel plates were conducted to check their ability to seal surfaces. Some of these sealers were used on coatings to verify improvements of the corrosion protection performance. With a fluorescence agent the penetration depths of the sealers into the coatings were defined. Parameters influencing the penetration depths and sealing quality were stated. The adhesive tensile strengths and the wetting behaviour of the coatings were analysed in respect of the used spraying systems and parameters.<br />Even though micro-structural differences in coatings made of nickel-base alloys were detected, these coatings showed no definite variations in microhardness and corrosion behaviour. The corrosion behaviour and the adhesive strengths of coatings are highly influenced by residual stresses. Therefore coatings made of different materials and with different thicknesses were tested with the hole drilling method. The results indicate that stresses in ceramic coatings are already reduced during cooling after the spraying processes and during the tests due to the forces caused by the drill by crack formation. A test facility for coated rolls was built. By means of this asset the coated rolls could be mechanically as well as corrosively loaded at the same time. The optimisation of the test parameters was accomplished, so that coatings are mechanically and corrosively deteriorated equally.