Pulvermetallurgie Kostengünstige Herstellung großer verschleißfester Stahlringe

Im Rahmen eines Verbundprojekts wird an der Ruhr-Universität Bochum ein kostengünstiges Verfahren zur pulvermetallurgischen Beschichtung großer Stahlringe entwickelt. Ziel ist die Herstellung einer verschleißbeständigen Oberfläche aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Aufgrund der großen Ringmaße wird das HIP-Pressen mit Gasdruck durch Walzen ersetzt.

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Ruhr-Universität Bochum

Der mechanische Verschleiß etwa von Walzenoberflächen oder Rollen kostet die deutsche Wirtschaft jährlich etwa 60 Mrd. Euro. Abhilfe schaffen pulvermetallurgische Werkstoffe, die sich durch große Härte bei gleichzeitiger Zähigkeit auszeichnen. Sie sind effizient und haltbar, bislang aber aufwändig und teuer in der Herstellung.

Forscher der Fakultät für Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum entwickeln nun unter der Federführung von Prof. Dr.-Ing. Werner Theisen (Lehrstuhl Werkstofftechnik) ein kostengünstiges Verfahren zur pulvermetallurgischen Beschichtung von großen Stahlringen.

Auf die pulvermetallurgische Beschichtung kommt es an

Die neuen pulvermetallurgisch hergestellten Schichten bestehen aus Hartstoffen, zum Beispiel Keramik, die in eine Umgebung aus weicherem Metall eingebettet sind. Bei Walzen, die etwa in großen Mühlen zum Einsatz kommen, stellen sich die harten Partikel dem Mahlgut in den Weg und verhindern die Bildung von Furchen, während die weichere Umgebung Risse stoppt. „Mit diesen so genannten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen lässt sich die Lebensdauer von Verschleißteilen bis um das Fünfzigfache steigern“, so Prof. Theisen.

Einziger Haken: Die Herstellung der neuen Werkstoffe ist kompliziert und teuer; es bedarf zum „Zusammenbacken“ der Komponenten sehr hoher Temperaturen und Drücke über lange Zeit. Das „Backen“ der Werkstoffe im Ofen beschränkt außerdem die Größe der Stahlringe auf etwa 1,5 m Durchmesser.

Walzen statt Gasdruck verdichtet Pulverschicht

Günstiger und schneller werden soll die Prozedur durch das so genannte Radial-Axial-Ringwalzen: Nach dem Erhitzen auf Temperaturen oberhalb 1100 °C in einer Blechkapsel im Ofen wird der beschichtete Ring gewalzt. Dadurch verdichtet sich die Pulverschicht und wird in Form gebracht. Aus einem Vollmaterialring, der mit 1,5 m Durchmesser aus dem Ofen kommt, kann so eine Walze von bis zu 6 m Durchmesser werden.

Der anschließende Abkühlprozess wird zur Wärmebehandlung genutzt, bei der durch gezielte Abkühlzeiten und Haltestufen sowohl der Grund- als auch der Schichtwerkstoff gehärtet werden.

Simulation des Sinterns und Umformens durch FEM-Analyse

Die Vorgänge beim Sintern, Umformen und die durch Temperaturdifferenzen und Phasenumwandlung generierten Spannungen während der Wärmebehandlung simulieren die Forscher zusätzlich mit Hilfe der Finite-Element-Methode. Dies gelingt im ALE-Verfahren (Arbitrary Lagrangian Eulerian). Sie ermöglicht, im Walzspalt mit einem feinen Netz zu arbeiten, wohingegen an unkritischen Stellen im Bauteil für kurze Rechenzeiten auch vergröbert werden kann.

Die Entwicklung ist auf schnelle industrielle Umsetzung ausgerichtet. Daher steht von Beginn an die Übertragung von Laborergebnissen auf großtechnische Fertigungsprozesse im Vordergrund. Die Industrie ist interessiert.

Volkswagen-Stifung fördert Projekt

Beteiligt am Projekt sind außer Prof. Theisen auch Prof. Dr.-Ing. Stefanie Reese (Numerische Mechanik) und Prof. Dr.-Ing. Horst Meier (Lehrstuhl für Produktionssysteme) von der Ruhr-Universität Bochum. Die in Dortmund ansässige „Thyssen Krupp Rothe Erde“ wie auch die Hattinger Maschinenfabrik Köppern haben bereits Interesse an dem neuen Prozess bekundet und ihre Unterstützung bei dessen industrieller Umsetzung zugesagt.

Die Volkswagen-Stiftung fördert das Verbundprojekt im Rahmen der Initiative „Innovative Methoden zur Herstellung funktionaler Oberflächen“ für drei Jahre mit insgesamt 680000 Euro.

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