Texturierung von Arbeitswalzen

Fokus

Die vom gleichnamigen Unternehmen zusammen mit dem Stuttgarter Fraunhofer-Institut entwickelte Hartchrom-Beschichtung Topocrom erlaubt mit ihren erstaunlichen Eigenschaften neuartige Lösungen in der Industrie.

27. August 2010

Die Oberflächenfeingestalt des Feinbleches ist ein wesentliches, qualitätsrelevantes Produktmerkmal. Es beeinflusst maßgeblich das Umformverhalten sowie die Haftung und optischen Eigenschaften der Automobillackierung. Die definierte, den Kundenanforderungen entsprechende Oberflächenstruktur des Feinblechs wird beim Nachwalzen im Dressiergerüst erzeugt. Hierbei wird die Oberflächenstruktur der texturierten Arbeitswalze auf die Oberfläche des unbeschichteten oder oberflächenveredelten Feinbleches übertragen.

Strukturierte Hartchromschicht auf Arbeitswalzen

Bei der Topocrom-Texturierung der Oberflächen von Arbeitswalzen handelt es sich um eine stochastische galvanische Abscheidung von strukturierten Chromschichten auf der Stahloberfläche der Arbeitswalze. Der Aufbau der Topocrom-Schicht erfolgt direkt auf die fein geschliffene und gereinigte Oberfläche des Walzenballens der Arbeitswalzen. Herkömmliche Walzentexturierverfahren verformen die Walzenoberfläche entweder plastisch durch Beschuss mit feinkörnigem metallischen Strahlkorn (SBT) oder schmelzen sie partiell auf (EDT, EBT, LT).

Die Rauheit der Chromschichten kann nach dem patentierten Topocrom-Verfahren durch Verändern der rechnergesteuerten Abläufe bei der Hartchrom-Abscheidung in dem Bereich von Ra 0,5 µm bis Ra 12,0 µm definiert, eingestellt und exakt reproduziert werden. Auch die Spitzenzahl RPc lässt sich bei gegebener Rauheit gezielt verändern. Im Vergleich zu üblichen Strukturierungstechniken können auch Spitzenzahlen von RPc > 100 1/cm definiert eingestellt werden.

Einstellbare Rauheit und Spitzenzahl

Die wesentlichen Merkmale der Topocrom Strukturchromschichten:

- halbkugelförmige Oberflächenstruktur mit absolut stochastischer Verteilung

- hohe Variabilität bei Rautiefe, Spitzenzahl und bei der Strukturgestaltung

- hohe Spitzenzahlen auch bei hohen Rauheitswerten.

Eine Anlage zur Beschichtung von Arbeitswalzen basiert auf einer patentierten Reaktortechnik. Das Verfahren hat Topocrom Systems, Weinfelden (Schweiz), in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, entwickelt.

Die geschliffenen, entfetteten Arbeitswalzen werden mit dem Kran in die Beschichtungsreaktoren abgesenkt. Nach dem Verschließen mit dem aufgesetzten Reaktorkopf wird der computergestützte Prozess mit automatisiertem Ablauf in Gang gesetzt. Dazu gehören die Hydrodynamik der Elektrolyte, das Wärmen und Kühlen, die Elektrolytüberwachung und vieles mehr. Die Prozessparameter einer Beschichtung werden gespeichert und können bei einer Folgeproduktion wieder aktiviert werden. So lässt sich die vom Kunden gewünschte Oberfläche immer wieder exakt reproduzieren.

Betriebssicher, umweltgerecht und gesetzeskonform

Die Anlage erfüllt sowohl die strengen gesetzlichen Vorgaben unterschiedlicher Länder als auch höchste Ansprüche bezüglich Umwelt- und Arbeitsschutz. Topocrom-Anlagen stehen unter anderem in den Stahlwerken Salzgitter, bei Posco (Südkorea) und bei Erdemir (Türkei).

Schichtaufbau und Härte der Topocrom-Schicht beim Texturieren, selbst hochfester Stähle, erlauben extrem hohe Walzenstandzeiten. Praxisbeispiel: Mit einem Topocrom-texturierten Walzenpaar werden in kontinuierlichen Feuerverzinkungsanlagen bis zu 40000 Tonnen Feinbleche ohne Walzenwechsel strukturiert.

Während des Einsatzes im Dressiergerüst ist nur eine geringe Rauheitsabnahme der Topocrom-Topografie festzustellen. Die Kalottenform der Topocrom-Schicht wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität der Oberfläche aus. Die besonderen Belastungen an den Spitzen der Topografie, ein Nachteil anderer Topografieformen, treten bei Topocrom nicht auf.

Die Härte der Chromschicht ist offensichtlich ein Vorteil der ›aufbauenden‹ Strukturierung. So trägt nicht das im Vergleich ›weiche‹ Grundmaterial die Hauptlast des Walzvorgangs, sondern die extrem verschleißfeste Chromschicht (Schichtdicke etwa 60 µm). Der geringe Verschleiß ermöglicht auch eine breitenunabhängige Produktion. Die Rauheitsänderung kann vernachlässigt werden, sodass Breitensprünge zu größeren Breiten ohne Qualitätseinbußen möglich sind. Die Ansprüche – etwa der Automobilindustrie – an die Wirtschaftlichkeit und Qualität steigen weiter. Die Topocrom-Technik erfüllt diese Anforderung: hohe Fertigungssicherheit mit konstanter Qualität der Oberfläche bei sehr langen Standzeiten der Arbeitswalzen. Relevant sind zudem die günstigen Herstellungskosten im Vergleich zu EDT/Hartchrom. Ein Kostenvergleich des Stahlwerks Posco ergibt einen Kostenvorteil von 37 Prozent zugunsten von Topocrom.

Signifikante Verbesserungen konnten dank der spezifischen Oberflächenstruktur beim Umformen und Lackieren von Feinblech in führenden Automobilunternehmen nachgewiesen werden.

Topocrom-strukturierte Feinbleche werden unter den Handelsnamen ›Pretex‹ (Salzgitter AG) und ›Postex‹ (Posco) erfolgreich an die Automobilindustrie vertrieben, sowohl für Innen- und Außenhautteile. Diese Blechoberflächen lassen sich geradezu maßschneidern für die nachfolgenden Verarbeitungsprozesse. Sie bieten:

- Verbesserung von Umform- und Lackierbarkeit

- hohe Anzahl geschlossener Schmiertaschen verbessert Umformbarkeit und reduziert den Verschleiß von Umformwerkzeugen

- hohe Spitzenzahlen auch bei höheren Rauheitswerten sowie geringe Kurz- und Langwelligkeit verbessern das Lackerscheinungsbild.

Einen neuartigen Ansatz zur Charakterisierung von Oberflächenfeinstrukturen bieten dreidimensionale Oberflächenkenngrößen. Dazu wird die beim Umformen vom Werkzeug auf das Werkstück übertragene Kraft über drei Traganteile (Materialtraganteil und die Traganteile der offenen sowie geschlossenen Leerflächen) aufgeteilt. Unter den ›offenen Leerflächen‹ versteht man Vertiefungen in der Oberflächenstruktur, aus denen ein Schmierstoff unter Druckbelastung entweichen kann. Hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften sind jedoch die ›geschlossenen Leerflächen‹ von größerem Interesse.

Die ›abgeschlossenen‹ Schmiertaschen liegen bei der Texturierung mit Topocrom relativ hoch im Raugebirge, sodass sie schon frühzeitig aktiviert werden und die Reibkräfte über den gesamten Umformvorgang hinweg verringern. Mit zunehmender Anzahl geschlossener Leerflächen und Leerflächenanteilen verbessern sich die tribologischen Eigenschaften der Oberflächenstruktur. Aufgrund der hohen Anzahl geschlossener Leerflächen und Leerflächenanteilen der Topocrom-Struktur im Vergleich zu anderen Texturierverfahren wurden besonders gute tribologische Eigenschaften in Abpressversuchen von Automobilherstellern eindrucksvoll bestätigt.

Glänzendes Erscheinungsbild durch ›zackiges‹ Raugebirge

Die Pretex- und Postex-Oberflächen sind im Vergleich zu EDT in der Regel deutlich feingliedriger. Das Raugebirge von Pretex und Postex weist deutlich mehr Spitzen auf als das der EDT-Oberflächen. Diese Eigenschaften sorgen für ein glänzendes Lackerscheinungsbild. Demgegenüber wirken langwellige Erscheinungen störend. Im Vergleich zur gestrahlten und zur funkenerosiv aufgerauten Oberfläche weisen Pretex- und Postex-Oberflächen in der Regel eine verringerte Welligkeit auf, was dem Lackerscheinungsbild zugute kommt. Durch den Einsatz einer mit Topocrom beschichteten Walze im letzten Gerüst der Tandemstraße kann dieses Ergebnis verbessert werden.

Prof. Dipl.-Ing. Stephanus Faller - Hochschule Ulm - Direktor Salzgitter Flachstahl GmbH

CEO Topocrom GmbH, Stockach

Hintergrund

Merkmale der Strukturchromschichten:

- halbkugelförmige Oberflächenstruktur mit absolut stochastischer Verteilung

- hohe Variabilität bei Rautiefe, Spitzenzahl und bei der Strukturgestaltung (offen bis geschlossen)

- hohe Spitzenzahlen auch bei hohen Rauheitswerten

Eigenschaften in der Topocrom-Blechtexturierung:

- sehr hohe Standzeiten der Arbeitswalzen

- hohe Fertigungssicherheit mit konstanter Qualität der Blechoberfläche

- um 30 bis 40 Prozent günstigere Herstellung der Topocrom-Texturierung im Vergleich zu EDT/Hartchrom (Quelle: Posco)

Erschienen in Ausgabe: 01/2010