Oberflächentechnik Dicker Panzer

Keramikmantel verlängert die Standzeit von Walzen für die Draht-, Band- und Rohrherstellung. Zur Herstellung von Drähten, Bändern oder Rohren werden gewöhnlich Stahl- und Hartmetallwalzen verwendet....

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Zur Herstellung von Drähten, Bändern oder Rohren werden gewöhnlich Stahl- und Hartmetallwalzen verwendet. Mehr als 5 Mio. t allein an Walzdraht stellt die metallverarbeitende Industrie in Deutschland jedes Jahr her. Ein entscheidender Kostenfaktor ist dabei die Standzeit der Walzwerkzeuge. Um die Produktqualität zu sichern, müssen die teuren Werkzeuge aufgrund des Verschleißes häufig ersetzt oder nachbearbeitet werden. Im Allgemeinen wird die Standzeit dieser Walzen als nicht mehr ausreichend betrachtet ] zumal häufige Walzenwechsel die Produktion aufhalten. Außerdem ist die Adhäsionsneigung bei Stahlwerkzeugen, die mit möglichst wenig Kühlschmierstoffen auskommen müssen, problematisch. In den meisten Fällen reichen übliche Verschleißschutzschichten aufgrund der begrenzten Lebensdauer nicht aus.Walzenkörper, die in Keramik eingebettet sind, sollen diese Nachteile wettmachen. Sie leben länger, ertragen höhere Temperaturen, haften weniger am Walzgut und sind leichter. Seit Anfang 2001 laufen die Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer Instituts für Werkstoffmechanik in Freiburg in Rahmen eines BMBF-Projekts - zusammen mit den Keramikherstellern H.C. Starck Ceramics, Selb, und FCT Ingenieurkeramik, Rauenstein, sowie dem Bearbeitungsspezialisten Te-Ko-We, Bonefeld [1]. Sechs Anwenderfirmen haben die keramischen Bauteile, ihre Effizienz und Qualität in industriellen Anwendungen geprüft. Ergebnis: Die innovative Keramik kann sich in einigen Anwendungen gegen Stahl durchsetzen. Aber jeder Walzprozess ist anders. Um einen Prozess mit solchen Walzen auszurüsten, ist eine konkret auf den Anwendungsfall bezogene Vorarbeit notwendig. In den meisten Fällen lassen sich Metallkonstruktionen ohne Änderung nicht in Keramik ausführen.Der Grund dafür ist, dass die Eigenschaften keramischer Werkstoffe und die Herstellung keramischer Werkzeuge sich grundsätzlich von Stahl unterscheiden. Keramik hat zwar eine hohe thermische Widerstandsfähigkeit, bessere tribologische Eigenschaften und eine geringe Neigung, mit dem zu bearbeiteten Walzgut zu verkleben. Ein gewisses Produktionsrisiko ist jedoch aufgrund der Sprödigkeit vorhanden. Die Keramik muss daher bereits in der Entwicklungsphase genau den Produktionsbedingungen angepasst werden. Nur bei optimiertem Werkzeug-Design kann zum Umformen ein Walzkörper mit Keramikmantel sicher und mit wirtschaftlichem Vorteil zur Anwendung kommen.Keramikgerechte Auslegung minimiert BruchrisikoDass die komplette Herstellung einer Walze aus Keramik extrem schwierig ist, liegt an der Sprödigkeit des Werkstoffs trotz der Fortschritte hinsichtlich der Festigkeit und Risszähigkeit. So kann eine reine Zugbelastung immer noch zu Rissbildung und -wachstum führen. Schlimmstenfalls bricht das gesamte Werkzeug. Eine keramikgerechte Konstruktion ermöglicht jedoch, die für den Werkstoff gefährlichen Zugspannungen während des Einsatzes der Walzen zu minimieren.Anhand der Arbeitswalzen zur Herstellung von Aluminiumbändern, die man bei der Hydro Aluminium Deutschland GmbH, Bonn, für eine Laboranlage konzipierte, wird der Entwicklungsaufwand deutlich: Weil bei dieser Anlage Walzkräfte bis zu 1200 kN auftreten, mussten zur Bruchvermeidung zunächst konstruktive Belange geklärt werden. Dafür wurden Finite-Element-Rechnungen angestellt, um Vorgaben für das Walzen-Design zu ermitteln - mit dem Ergebnis, dass die Konstruktionsvariante „Keramikrohr auf Stahlkern“ funktioniert, falls die Wanddicke des Keramikmantels ein vorgegebenes Maß nicht unterschreitet.Auf diese Weise lassen sich Zugspannungen in der Keramik unterhalb der kritischen Marke von 300 MPa halten. Auch zur Herstellung des keramischen Walzenrohrs - also zum Pressen und Sintern - sind numerische Methoden eine große Hilfe . Weil die Keramik während des Sinterns um etwa 20% schrumpft, können bei Temperatur- oder Dichteunterschieden innerhalb des Rohlings Risse entstehen. Anhand der Simulationsergebnisse war die Anpassung der Sinterprogramme möglich, so dass nun auch dickwandige und großvolumige Walzenrohlinge rissfrei gesintert werden können.Hohe Rundlaufgenauigkeit erfordert präzise WanddickeEin anderer wichtiger Aspekt ist die kostenadäquate Herstellung der relativ großvolumigen Keramikteile. Generell liegt ein hoher Kostenanteil in der Hart- oder Endbearbeitung, weshalb dieser Aufwand möglichst gering zu halten ist. Im Rahmen des Projekts wurde daher eine Grünbearbeitung - vor dem Sintern - vorgenommen. Zur spanabhebenden Bearbeitung der Rohteile entwickelte man Verfahren, die zum Beispiel ein Drehen, Bohren oder Fräsen ermöglichten und somit den Endbearbeitungsaufwand deutlich reduzierten.Um einerseits die Kosten für die Werkzeugherstellung zu senken, andererseits die Festigkeit der Rollen zu erhöhen, wurden bisher entwickelte Stahlwerkzeuge als Keramik-Stahl-Verbund realisiert. Werden jedoch Keramikringe oder Rohre mit einem Stahlträger verbunden, kann ein prozessbedingtes Erwärmen der Walzen aufgrund der höheren Wärmeausdehnung von Stahl zum Bruch führen. Daher sind entweder Werkstoffe mit angepasster thermischer Ausdehnung zu verwenden, oder es muss ein Spalt zwischen Stahlträger und Keramikring vorhanden sein, der sich beim Erwärmen schließt. Dazu sind - als anspruchsvolle Aufgaben - komplexe Schleifprozesse erforderlich, weil für die meisten im Projekt untersuchten Anwendungen Walzen mit sehr hoher Rundlaufgenauigkeit und definierter Oberflächenrauheit gefertigt werden müssen.Inzwischen wurden die Funktionsfähigkeit der Walzen in den meisten Fällen nachgewiesen. Versuche mit keramikummantelten Arbeitswalzen an einem Laborwalzgerüst bei Hydro Aluminium endeten bisher mit einer positiven Bewertung; dabei wurden ähnlich hohe Walzgeschwindigkeiten und Stichabnahmen wie bei reinen Stahlwalzen erreicht. Weitere Arbeiten betreffen primär die Optimierung der Walzengeometrie, wobei die Balligkeit der Walzen aufgrund des höheren Elastizitätsmoduls der Keramik, aber auch die Rauhigkeit anzupassen sind. Das Drücken - auch Drückwalzen genannt - war die erste Anwendung, in der diese Walzen im Rahmen des Projekts erfolgreich getestet wurden. Selbst das Umformen von Aluminiumlegierungen, die in diesem Prozess abrasive Oxidpartikel bilden, ist unproblematisch, so dass sich im Vergleich zu reinen Stahlwalzen eine mehrfach längere Standzeit ohne Risiko erreichen lässt. Kein Formkörperwerkstoff bleibt auf der Keramikoberfläche haften. Vielmehr werden die Oberflächen der Walzen mit der Zeit sehr glatt, was wiederum zur Verbesserung der Produktqualität führt. Auch bei der Herstellung von Automobilfelgen aus Edelstahl kommen Drückwalzen mit Keramikmantel erfolgreich zum Einsatz. Dasselbe gilt für Stauchrollen aus Keramik, die bei der Drahtzug Stein GmbH & Co. KG, Altleiningen, zur Herstellung von Rohren für Fülldrähte verwendet werden. Selbst bei Wasserkühlung korrodieren die Keramikrollen nicht - genau genommen: viel weniger als Stahlrollen. Die Standzeit wurde im Vergleich zu Stahlrollen verdreifacht.Mit Drahtwalzen aus Keramik wurden bei der Böhler Edelstahl GmbH & Co. KG, Kapfenberg/Österreich, und bei der Lacroix und Kress GmbH, Bramsche, Edelstahl- und Kupferdrähte gewalzt. Obwohl sich diese Walzen auch zum Warmumformen eignen, stieß man bei diesen Prozessen auch an die bisherigen Grenzen: Drähte aus schwer umformbaren Nickelbasislegierungen führten zu einer mechanischen Überlastung der Walzen im Kaliber und damit zu Brüchen. Stahldrähte - wie die schwer umformbaren HSS-Qualitäten - konnten dagegen nicht mit erhöhter Oberflächenqualität umgeformt werden. Beim Walzen von Kupferdrähten werden noch Möglichkeiten geprüft, um den Metallauftrag vollständig vermeiden und den Walzenverschleiß weiter verringern zu können. Im Laufe des Projekts wurden nicht nur mit Keramik ummantelte Walzen, sondern auch keramische Führungsrollen für die Herstellung der Edelstahldrähte entwickelt und eingesetzt, wobei sich eine im Vergleich zu Stahlrollen mehrfach längere Standzeit ergab. Bei dieser Anwendung zeichnet sich bereits ein wirtschaftlicher Vorteil ab.Verbessertes Siliziumnitrid verspricht besseren SchutzWeiteres Verbesserungspotenzial, liegt in der Erhöhung der mechanischen Tragfähigkeit und Verschleißbeständigkeit der Walzenoberflächen durch bessere Nutzung des Werkstoffpotenzials. In beide Richtungen wird derzeit geforscht. Eine im Vergleich zu kommerziell erhältlichem Siliziumnitrid wesentlich höhere Verschleißbeständigkeit der neuen Werkstoffentwicklungen bestätigten mittlerweile vergleichende tribologische Labortests. Zur Verbesserung der Tragfähigkeit der Walzen kommt am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik ein Kugelstrahlverfahren für keramische Werkstoffe zur Anwendung, das dort entwickelt wurde und patentiert ist.Durch gezieltes, geringes plastisches Verformen der Oberflächen können hohe Druckeigenspannungen in die Keramik eingebracht werden, um das Entstehen und Wachsen von Rissen zu unterdrücken. Die festigkeitsfördernde Wirkung dieses Verfahrens, das zurzeit auch für die Anwendung auf Keramikwälzlager ertüchtigt wird, lässt sich anhand von Kugeldruckversuchen gut verdeutlichen: Bei kugelgestrahlten Keramikoberflächen ist mehr als die dreifache Kraft erforderlich, um Hertzsche Risse in der Oberfläche zu erzeugen. Eine positive Wirkung der Druckeigenspannungen auf das Verschleißverhalten ist außerdem zu erwarten.Die Tribologie der Keramik im Hinblick auf Umformprozesse ist ein weiteres Arbeitsfeld der Forschung, in dem sich Erfolge in Form von Werkstoffen mit erhöhter Verschleißbeständigkeit abzeichnen. Dabei zeigt sich, dass sich verschiedene Siliziumnitridwerkstoffe aufgrund von Unterschieden hinsichtlich der Zusammensetzung und des Gefüges tribologisch sehr unterschiedlich verhalten können. Auf Basis vergleichender Untersuchungen ist es daher möglich, Werkstoffqualitäten zu definieren, die ein verbessertes tribologisches Verhalten zeigen. Parallel dazu sollten dabei die Rohhstoffkosten möglichst gering bleiben. Insgesamt sind die Arbeiten zur Entwicklung der keramischen Walzen als erfolgreich zu bewerten, weil nicht nur für die bisher untersuchten Anwendungen die Eignung nachgewiesen wurde. Eine Limitierung des Anwendungsspektrums ist lediglich durch eine nach oben hin begrenzte Größe der Keramikrohre gegeben. Mit dem derzeitigen Wissensstand ist das Potenzial zur Entwicklung von Werkzeugen für weitere Walzanwendungen vorhanden. Literatur[1] Kailer, A. und T. Hollstein: Walzen mit Keramik. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag 2004.