Zuverlässige Prozesse durch Verschleißschutz
Diese neuen Anforderungen an Kompenenten und Werkstoffe werden getrieben von:
- Wechselnde Qualitäten von Rohstoffen durch erhöhten Rezyklat-Anteil führen zu mehr Feuchtigkeit im Prozess und stärkere Beanspruchung (Ref. 1)
- Biobasierte Polymere oder natürliche Füllmaterialien führen zu mehr Korrosion und/oder Abrasion bei der Bearbeitung (Ref. 2)
Darüber hinaus müssen Hersteller von Kunststoffprodukten ihre Produktion flexibilisieren und deren Effizienz steigern, um im internationalen Umfeld wettbewerbsfähig zu bleiben. Folglich verstärkt sich die Beanspruchung von Verschleißteilen in Verarbeitungsmaschinen:
- Häufige Lastwechsel durch kleinere Batch-Sizes verursachen höhere Beanspruchung von Verarbeitungsmaschinen
- Erhöhung der Schneckendrehzahl, um Durchsatzraten zu steigern birgt die Gefahr des Anlaufens an der Zylinderwand (Ref. 3)
- Zunehmende Anteile von Faserverstärkungen, Füllstoffen und Additiven lösen Korrosion und Abrasion aus.
Die Beanspruchung erhöht sich nicht in allen Teilen des Systems im gleichen Maße. Die Verschleißmechanismen variieren je nach Verarbeitungszone.
Diverse Faktoren spielen beim Verschleiß von Maschinen in der Kunststoffverarbeitung eine Rolle: Polymertyp, Temperatur, Druck, Schneckendrehzahl, Lastwechsel, Anteil an Füllstoffen, Reinigung etc. Studien des Deutschen Kunststoffinstitut haben ergeben, dass ca. 40% aller verschleißbedingten Ausfälle durch adhäsiven Verschleiß verursacht werden. Generell ist Verschleiß meist eine Überlagerung von Abrasion, Adhäsion und Korrosion und beeinträchtigt die Produktivität von Kunststoffverarbeitungsmaschinen erheblich.
Adhäsion
Liegen sich berührende Bauteile fest aufeinander, so haften die Berührungsflächen infolge Adhäsion aneinander. Beim Gleiten werden dann Teilchen abgeschert. Es entstehen so Löcher und schuppenartige Materialteilchen, die oft an der Gleitfläche des härteren Partners haften bleiben. Diesen Verschleißmechanismus nennt man adhäsiven Verschleiß oder Haftverschleiß. Adhäsiver Verschleiß tritt bei mangelnder Schmierung auf. Bei ungeeigneten Paarungen führt dieser schnell zum Fressen und letztendlich zum Ausfall der Bauteile.
Gegenmaßnahmen
Um die Schäden durch adhäsiven Gleitverschleiß möglichst gering zu halten, müssen geeignete Werkstoffe für Schnecke und Zylinder gefunden werden, die unter den spezifischen Umgebungsbedingungen gute Notlaufeigenschaften aufweisen. Legierungen mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur (krz) oder hexagonal dichtester Packung (hdp) eignen sich in der Regel besser als Legierungen mit kubisch-flächenzentrierter Struktur (kfz). Generell sind Kobalt-Legierungen beständiger gegen Adhäsion als Nickel-Legierungen. Empfehlenswerte Legierungen sind unter anderem Stellite™ 6 und Tribaloy™.
Abrasion
Wenn harte Teilchen eines Schmierstoffs oder Rauheitsspitzen eines der Reibungspartner in die Randschicht eindringen, so kommt es zu Ritzung und Mikrozerspanung. In der Kunststoffverarbeitenden Industrie entsteht diese Art von Verschleiß insbesondere durch Zugabe von Füllstoffen, wie Fasern oder auch Farbpigmenten
Gegenmaßnahmen
Grundsätzlich gilt, dass bei metallischen Paarungen ein günstiges Verhältnis (z. B. harte Carbide in zähem Zwischenstoff) zwischen Festigkeit und Zähigkeit angestrebt werden sollte. Die Härte und Volumenanteil an großflächigen Hartphasen sollte möglichst hoch sein. Auch Beschichtungen mit Hartphasen wie Wolfram-Carbid (WC) stellen eine mögliche Lösung dar. Je geringer die Korngröße und Härte nach Mohs, desto geringer ist auch der Verschleißabtrag. Recommended alloys include Stellite™ 20, Deloro™ 60.
Korrosion
Korrosion beschreibt die Zerstörung eines festen Körpers durch eine ungewollte chemische oder elektrochemische Einwirkung, die an seiner Oberfläche beginnt. Polymere die Chloride (z.B. PVC) oder Fluoride (z.B. PTFE) enthalten, können Korrosion an Bauteilen hervorrufen. Das heißt, dass durch ungewünschte chemische oder elektrochemische Reaktionen Schäden an der Oberfläche entstehen. Auch Hersteller von Bio-Kunststoffen (z.B. PLA) empfehlen den Einsatz von korrosionsbeständigen Materialien.
Gegenmaßnahmen
Steht der Korrosionsschutz im Vordergrund, kann die komplette Schecke aus einer Nickelbasislegierung mit Chrom (Cr) und/oder Molybdän (Mo) hergestellt werden. Auch Tribaloy-Legierungen stellen eine mögliche Alternative dar, dieser Werkstoff wurde in den 70er Jahren speziell zur Bearbeitung von PTFE-Kunststoffen entwickelt. Empfehlenswerte Legierungen sind Tribaloy™, Deloro™ 50.
Deloro Wear Solutions bietet ein umfangreiches Spektrum an Bauteilen und Dienstleistungen für die Gummi- und Kunststoffverarbeitung bis hin zu perfekt aufeinander abgestimmte Verschleißschutzsysteme je nach Kundenanforderung. Gerne planen und übernehmen wir für Sie wesentliche Schritte einschließlich Grundmaterialbeschaffung, maschinelle Endbearbeitung und Qualitätskontrolle. Zu unseren beliebtesten Lösungen für die Kunststoffindustrie gehören u.a.:
- Gegossene Extruderschnecken-Rohlinge
- einbaufertige, beschichtete und maschinell bearbeitete Komponenten (Schneckenelemente, Zylinder, Düsen, Extrusionswerkzeuge etc.)
- Düsen für Heißkanalsysteme – Stangen oder fertig bearbeitet
- PTA-Schweißanlagen und Schweißzusatzwerkstoffe, mit denen Kunden vor Ort neue Bauteile beschichten oder Reparaturen an Bauteilen durchführen können
Deloro hat für Kunden durch optimierten Verschleiß- und Korrosionsschutz in vielen Fällen eine deutliche Erhöhung von Standzeiten in anspruchsvollen Bedingungen erzielt und berät und begleitet auch Sie auf dem Weg zu nachhaltiger Produktion mit robusten Komponenten.
References
1. GEISELMANN, B. (2020) Interest grows in extruders designed for recycled plastics and bioplastics
2. JOMIN, T. (2020) A Methodological Outlook on Bioplastics from Renewable Resources
3. RUDSCHUCK, M. et al. (2016) , Deutsches Kunststoff-Institut, Verschleißuntersuchungen an schnelllaufenden Extrudern
4. KAMPER, S. (2019) Eisenbasierte intermetallische Hartlegierungen für den Verschleißschutz am Beispiel von Einschneckenextrudern
5. REINHARD, M. (1986) Untersuchungen zu den Notlaufeigenschaften verschiedener Werkstoffe bei einer Paarung mit Nitrierstahl. Vortrag DKI-Arbeitskreis "Verschleiß"
6. ZUM GAHR, K.-H. (1992) Reibung und Verschleiß: Ursachen - Arten - Mechanismen. In: Reibung und Verschleiß, Oberursel: DGM Informationsgesellschaft mbH,