Eisenbasierte intermetallische Hartlegierungen für den Verschleißschutz am Beispiel von Einschneckenextrudern

Kamper, Swenja GND

Einschneckenextruder erfahren während ihres Einsatzes hohe Verschleißbeanspruchungen. Dies ist vor allem den stetig steigenden Anforderungen an technische Kunststoffe geschuldet, deren Eigenschaften hauptsächlich durch den Einsatz von Zusatzstoffen verbessert werden können, ebenso wie die Forderung nach höheren Durchsätzen bei der Kunststoffverarbeitung. Diese Beanspruchungen führen dazu, dass insbesondere die Extruderschnecke, als Haupt-verschleißelement, aus verschleißbeständigen Materialien gefertigt werden muss. Bei kleinen Schneckendurchmessern ist der wirtschaftlichste Verschleißschutz der Einsatz von ver-schleißbeständigeren Stählen (z.B. Nitrierstähle), bessere Verschleißbeständigkeit lässt sich mit den wesentlich teureren PM-HIP-Stählen erreichen. Beide Varianten werden in Kombina-tion mit einer Oberflächenmodifikation (bspw. Nitrieren, PVD-Beschichten) verwendet. Bei grö-ßeren Schneckendurchmessern werden die Schneckenstege gepanzert. In der Regel werden dafür die kobaltbasierten Stellitlegierungen verwendet. Anlässlich der aktuellen Diskussionen um den Einsatz von Kobalt in der Elektromobilität, wel-che den Rohstoffpreis in den letzten beiden Jahren stark in die Höhe getrieben haben, und den umstrittenen Abbaubedingungen, ist es erstrebenswert eine Ersatzlegierung für das Pan-zern der Schneckenstege zu entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation sind eisenbasierte intermetallische Hartlegierungen hinsicht-lich ihrer Schweißeignung und Verschleißbeständigkeit für das Einsatzgebiet Extruderschne-cke untersucht worden. Dabei stand vor allem die Beständigkeit gegen Abrasion und Adhäsion im Vordergrund. Intermetallische Hartlegierungen existieren bereits seit den 1970er Jahren auf Kobalt- und Nickelbasis und werden erfolgreich für den Hochtemperaturverschleißbereich eingesetzt. Intermetallische Phasen sind normalerweise unerwünscht, da sie eine geringe Zä-higkeit sowie hohe Sprödbruchgefahr besitzen und dadurch bedingt ein frühzeitiges Versagen eines Werkstoffes hervorrufen können. In Hartlegierungen werden jedoch bevorzugt harte, spröde Phasen ausgebildet, die zum Verschleißschutz eingesetzt werden. Der Werkstoff Eisen besitzt nur eine geringe Warmfestigkeit und eignet sich aus diesem Grund nicht für den Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 400 °C. Im Bereich der Einschnecken-extruder liegen jedoch in der Regel maximale Temperaturen von 300 °C vor. Zu den eisenba-sierten Systemen, die intermetallische Phasen, die sogenannten Laves-Phasen, ausscheiden, gehören die Legierungen Eisen-Titan, Eisen-Molybdän und Eisen-Titan-Molybdän. Diese Le-gierungssysteme sind in Anlehnung an, die bereits kommerziell erhältlichen intermetallischen Hartlegierungen mit Silizium und zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Festig-keitssteigerung mit Chrom und Nickel legiert worden. Die Verschleißunteruntersuchungen werden in Laborversuchen durchgeführt. Die Abrasions-beständigkeit wurde mit Hilfe des nach ASTM genormten Millertests (ASTM G75) mit einem Abrasivgutgemisch aus Edelkorund und Wasser untersucht. Die Adhäsionsbeständigkeit wurde im nicht genormten Stift-Rolle-Test ermittelt. Als Gegenkörper wurde zum einen ein 1.3505 und an ausgewählten Werkstoffen ein nitrierter 1.8550 verwendet. Die Ergebnisse zei-gen, dass es möglich ist eisenbasierte, intermetallische Hartlegierungen herzustellen, die für den Verschleißschutz eingesetzt werden können. Für eine industrielle Anwendbarkeit dieser Legierungen müsste jedoch die Schweißeignung weiter verbessert werden, da beim Schwei-ßen teilweise Kaltrisse aufgetreten sind.

Single-screw extruders are subjected to high wear during operation. This is mainly due to the constantly increasing demands placed on engineering plastics, whose properties can be im-proved primarily through the use of additives, as well as the demand for higher throughput rates in plastics processing. These stresses mean that the extruder screw in particular, as the main wear element, must be made of wear-resistant materials. For small screw diameters, the most economical wear protection is the use of more wear-resistant steels (e.g. nitriding steels), better wear resistance can be achieved with the much more expensive PM-HIP steels. Both variants are used in combination with a surface modification (e.g. nitriding, PVD coating). For larger screw diameters, the lands of the screw are armoured. Usually, cobalt-based stellite alloys are used for this purpose. On the occasion of the current discussions about the use of cobalt in electromobility, which have driven up the price of raw materials in the last two years, and the controversial mining conditions, it is desirable to develop a spare alloy for the armouring of the screw flights. In the context of this thesis, iron-based intermetallic hard alloys have been investigated with regard to their weldability and wear resistance for the application area extruder screw. The main focus was on the resistance against abrasion and adhesion. Intermetallic hard alloys based on cobalt and nickel exist since the 1970s and are successfully used for high tempera-ture wear applications. Intermetallic phases are normally undesirable, as they have low tough-ness and a high risk of brittle fracture and can therefore cause premature failure of a material. In hard alloys, however, hard, brittle phases are preferred and are used for wear protection. The material iron has a low heat resistance and is therefore not suitable for the use at tempe-ratures above 400 °C. In the area of single-screw extruders, however, maximum temperatures of 300 °C are usually present. Iron-based systems that evolve intermetallic phases, the so-called Laves phases, include the alloys iron-titanium, iron-molybdenum and iron-titanium-mo-lybdenum. On the basis of the commercially available intermetallic hard alloys, these alloy systems have been alloyed with silicon and furthermore with chromium and nickel to improve the corrosion resistance and increase the strength The wear tests are carried out using laboratory tests. Abrasion resistance was tested using the Millertest (ASTM G75) standardized by ASTM with a mixture of aluminium oxide and water. The adhesion resistance was determined in the non-standardized pin-on-roll test. As counter-body a 1.3505 was used; on selected materials also a nitrided 1.8550. The results show that it is possible to produce iron-based, intermetallic hard alloys that can be used for wear protec-tion. For an industrial application of these alloys, however, the weldability would have to be further improved, since cold cracks sometimes occurred during welding.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Kamper, Swenja: Eisenbasierte intermetallische Hartlegierungen für den Verschleißschutz am Beispiel von Einschneckenextrudern. 2019.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export