Metallmatrix-Composites Pulvermetallurgische Verbundwerkstoffe erhöhen den Verschleißschutz bei Walzen

Pulvermetallurgische Verbundwerkstoffe sorgen dafür, dass Walzen beim Zerkleinern von grobem Mahlgut nicht so schnell verschleißen. In Pulverform und auf das Mahlgut abgestimmt, verbessern sie die Leistung und verlängern die Lebensdauer einer Walze. Der Trick: Hartstoffe, zum Beispiel Keramikpartikel, stellen sich dem furchenden Mahlgut in den Weg, die zähere Metallmatrix verhindert Risswachstum.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Maschinenfabrik Köppern GmbH & Co. KG

Ruhr-Universität Bochum

Damit Zementpulver locker aus dem Sack rieselt, wird der Rohstoff ordentlich in die Mangel genommen: Beim Brennen des Rohstoffgemischs aus Kalkstein, Ton, Quarzsand und Eisenerz entstehen zunächst faustgroße Zementklinkerstücke, mit denen auf der Baustelle nichts anzufangen ist. Erst riesige so genannte Gutbett-Walzenmühlen machen Pulver daraus.

Harte Walzen werden bei grobem Mahlgut schnell stumpf

Doch auch die härteste Walze beißt sich an dem groben Mahlgut schnell „die Zähne“ aus: Die kantigen Zementbrocken ritzen Furchen in die Walzenoberfläche und tragen sie so Schritt für Schritt ab (Bild 1). Dieser so genannte abrasive Verschleiß, der in vielen Bereichen der Stahl- und Zementindustrie überall dort auftritt, wo Güter bewegt werden müssen, kostet die Bundesrepublik Deutschland jedes Jahr etwa 60 Mrd. Euro. Das sind rund 3% des Bruttosozialprodukts.

Angesichts dieser enormen Kosten machten sich Wissenschaftler des Lehrstuhls Werkstofftechnik an der Ruhr-Universität Bochum auf die Suche nach neuen Werkstoffen, die den Belastungen besser standhalten. Schließlich entwickelte man Verbundwerkstoffe, bei denen keramische Hartstoffe in ein verhältnismäßig weiches Metall eingelagert sind. Der Trick dabei: Ähnlich wie die Pflugschar durch einen großen Stein daran gehindert wird, im Boden eine Saatfurche zu ziehen, stellen sich die 100 µm großen Hartstoffe dem furchenden Mineral entgegen und erhöhen so den Verschleißwiderstand (Bild 2). Laborversuche und Erfahrungen aus der Anwendung zeigen, dass der Verschleißwiderstand mit dem Volumenanteil an harten Bestandteilen zunimmt, wenn sie härter sind als das angreifende Mineral.

Standardwerkstoffe als Grundlage ungeeignet

Mit den Standardwerkstoffen – weißen Gusseisen oder auftraggeschweißte Schichten – als Grundlage kam man jedoch auch nach dem neuen Konzept nicht weiter. Zwar bilden sich darin wegen des hohen Kohlenstoffgehalts der Legierungen beim Aushärten der Schmelze harte Karbide, doch können mittels schmelzmetallurgischer Herstellungsverfahren die Größe und Anzahl der Karbidteilchen nicht beeinflusst werden. Auch welche Art Karbid sich dabei bildet, muss man weitgehend dem Zufall überlassen.

Am Lehrstuhl Werkstofftechnik hat man sich daher die Pulvermetallurgie (Kastentext - siehe unten) für Anwendungen in der Mahltechnik zunutze gemacht. Pulver ermöglicht, dass die gewünschten Hartstoffe frei nach Typ, Härte und Partikelgröße ausgewählt und in beliebiger Menge ins umgebende Metall – die so genannte Metallmatrix – eingebracht werden können. So wurden am Lehrstuhl durch gezielte Kombinationen von Hartstoffen und Metallen hochverschleißbeständige „Metal Matrix Composits“ (MMC) entwickelt, deren Verschleißwiderstand im Labor zum Teil fünfzig Mal höher liegt als der von herkömmlichen schmelzmetallurgisch hergestellten Werkstoffen.

Heißisostatisches Pressen als Beschichtungsverfahren

Kern des Herstellungsverfahrens ist das so genannte HIP-Cladding: das Beschichten durch heißisostatisches Pressen. Dabei werden die Pulver zunächst gemischt und dann unter hohem Druck bis knapp unter die Schmelztemperatur des Metalles erhitzt. So verbinden sich die beiden Pulver miteinander durch Sintern. Die harten keramischen Pulverpartikel liegen im fertigen Werkstoff verteilt – jedes von Metall umgeben wie Rosinen im Kuchenteig. Durch optimale Abstimmung von Hartstoff- und Metallpulver und geeignete HIP-Parameter bilden sich in der Grenzfläche zwischen beiden Werkstoffen durch Atomaustausch neue Phasen, die für eine gute Verbindung der beiden sorgen.

Bei den Hartstoffen hat sich die Partikelgröße von 150 µm in vielen Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Die Partikelgröße liegt damit über dem Querschnitt möglicher Furchen. Außerdem enthält die Stahlmatrix kleinste Karbide (2 bis 5 µm), die wie die größeren Hartstoffpartikel fein verteilt sind. Sie wirken sich insbesondere in der Mahltechnik positiv aus, weil deren Dichtigkeit das Eindringen feiner Mineralpartikel des Mahlguts erschwert. So verhindern Karbide, dass das Mahlgut die metallische Umgebung der groben Hartstoffe abträgt.

Metallische Werkstoffmatrix stoppt Risswachstum

Bei der Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs kommt es besonders auf das Mischungsverhältnis an: Gibt man zu viel Hartstoff dazu, steigt die Gefahr, dass sich die harten Partikel berühren. Bei starker Verschleißbeanspruchung unter hohem Druck können Risse entstehen, die sich entlang der zusammenhängenden Hartstoffbereiche ausbreiten. Deshalb ist es wichtig, dass die Hartstoffe stets von der Metallmatrix umgeben sind. Das heißt: Bei den pulvermetallurgischen Verbundwerkstoffen handelt es sich quasi um eine Dispersion. Zwar entstehen auch bei diesen Werkstoffen mitunter Risse in den harten Partikeln, die aber vom zähen Metall sofort gestoppt werden.

Die Maschinenfabrik Köppern in Hattingen griff die Entwicklung hochverschleißbeständiger Verbundwerkstoffe auf. Im Rahmen eines gemeinsamen Projekts wurde ein Verschleißschutzkonzept für Zerkleinerungswalzen in Gutbettwalzenmühlen umgesetzt: das Hexadur-Prinzip. Das Herzstück dieser Mühlen, die nicht nur für die Zementzerkleinerung, sondern auch in der Erzaufbereitung verwendet werden, sind zwei gegensinnig drehende Mahlwalzen.

Üblicherweise wird eine gerippte Oberfläche in mehreren Schichten auf die Walzen geschweißt. Zwischen die Walzen fällt das Mahlgut, das bei einem Mahldruck von 450 MPa zerkleinert wird. Bei Walzendurchmessern bis zu 2 m wird ein Mahlgutdurchsatz von 1000 t in der Stunde erreicht.

Aufgeschweißte Walzenoberflächen verschleißen dabei sehr schnell: Nach höchstens 3000 h, also etwa einem halben Jahr, muss die Oberfläche erneuert werden. Beim Zerkleinern von besonders hartem Diamanterz oder speziellen Zementklinkersorten halten geschweißte Walzen sogar nur wenige Wochen. Die Schweißschichten können maximal 15 mm dick sein, denn je dicker die Schicht, desto größer ist die Gefahr der Abplatzung.

HIP-Cladding erlaubt dickere Schutzschichten

Beim HIP-Cladding gilt diese Beschränkung dagegen nicht. So wurden im Rahmen des Projekts bereits Walzen mit einer 35 mm dicken Schutzschicht hergestellt, die allein aufgrund der größeren Schichtdicke langlebiger sind. Weil die riesigen Walzen der Gutbettwalzenmühle mehr als 20 t wiegen können, werden sie nicht ganz in den HIP-Ofen gelegt. Besser ist die Behandlung von Ringen aus Stahl, die man danach wie einen Mantel über die Walzen zieht.

Jeder Ring wird dazu in eine etwas größere Blechkapsel gelegt – wie bei einer Kuchenbackform. Den Raum zwischen Ring und Kapselwand füllt man mit dem Pulvergemisch auf (Kastentext). Die Kapsel wird zugeschweißt, die Luft im Zwischenraum abgepumpt und das ganze unter hohem Druck erhitzt. Der HIP-Vorgang verdichtet die Pulverschicht, die danach sowohl mit dem Stahlring als auch mit der Blechkapsel fest verbunden ist. Die „Backform“ wird mechanisch abgetragen. Der Ring ist montagebereit. Damit er fest auf der Walze sitzt, wird dessen Innendurchmesser von vornherein ein bißchen kleiner als der Walzenquerschnitt bemessen. Daher muss der Ring vor dem Aufziehen erhitzt werden, um sich auszudehnen. Durch Abkühlen klemmt er sich fest.

Mehrere Tausend Sechsecke bilden die Walzenoberfläche

Das pulvermetallurgische Herstellungskonzept für Verbundwerkstoffe aus verschieden harten Komponenten wurde weiterentwickelt. Inzwischen kommt es auch für die makroskopische Oberflächengestaltung zur Anwendung. Nach umfangreichen Analysen verschlissener Walzen wurde im Rahmen des Projekts ein Verfahren entwickelt, das auf der Kombination verschiedener Werkstoffe und deren besonderer geometrischer Anordnung beruht: Wie im Kleinen wird damit ein hochverschleißbeständiger Werkstoff von einer zäheren Komponente mit einem geringeren Verschleißwiderstand umgeben (Bild 3a).

Bei der Anordnung galt es, Zwischenräume zu vermeiden, die in Umfangslaufrichtung der Walze verlaufen. Solche Ritzen, die genau in Richtung potenzieller Furchen liegen, werden besonders schnell ausgewaschen.

Um das zu vermeiden, hat man sich der Natur bedient: Wie Facettenaugen von Insekten ist die Walzenoberfläche aus vielen kleinen Sechsecken zusammengebaut, woraus sich auch die Bezeichnung Hexadur ableitet. In einem mehrschrittigen Verfahren – das genaue Vorgehen ist ein Betriebsgeheimnis – werden mehrere Tausend Sechsecke und der umgebende Werkstoff im HIP-Ofen auf einen Trägerring aufgebracht. Beide Komponenten bestehen aus härtbaren Eisenbasiswerkstoffen.

Kennzeichnend für die harte Komponente, aus der die Sechsecke bestehen, ist ein maximaler Hartphasengehalt. Bei der umgebenden Werkstoffkomponente ist der Hartphasengehalt deutlich niedriger. Die Zwischenräume verhindern so die Ausbreitung von Rissen. Die Walzenoberfläche ist damit resistent gegen Ausbrechen und Abplatzen größerer Oberflächenbereiche.

Widerstand ist 25-mal höher als bei geschweißten Walzen

Zusätzlich verbessert die Hexadur-Oberfläche die Einzugsbedingungen in den Walzspalt: Die Komponente in den Zwischenräumen wird wegen des niedrigeren Verschleißwiderstands schon nach kurzer Laufzeit von etwa 50 bis 100 h einige Millimeter tief ausgewaschen. Die Zwischenräume füllen sich aber unter dem hohen Mahldruck sofort wieder mit gepresstem Mahlgut (Bild 3 - rechts). Die so angefüllten Walzenbereiche sind wesentlich rauer als die übrige Oberfläche, so dass die Walze griffiger wird: Sie verbessert sich selbst bei der Arbeit. Allein dieser Effekt hat beim Mahlen von Kupfererz den Durchsatz um 50% gesteigert.

Der deutlichste Entwicklungssprung zeigte sich aber beim Verschleißwiderstand (Bild 4): Bei optimierter Komponentenabstimmung liegt der Widerstand um das 25-fache über dem einer Walze mit aufgeschweißter Schicht. Eine Walze mit Hexadur-Oberfläche müsste rund 30 000 h lang arbeiten. Das entspricht etwa fünf Jahren – sie hält also zehnmal so lange wie herkömmliche Walzen. Die teurere Herstellung der Hexadur-Walze wird also aufgrund der längeren Lebensdauer mehr als kompensiert.

Weil die Zusammensetzung der beiden Komponenten variabel ist, können Hexadur-Oberflächen dem Mahlgut angepasst werden. Mathematische Optimierungsanalysen ermöglichen, die Flächenverhältnisse genau so zu wählen, dass sowohl ein stabiler Selbstschutz der Zwischenräume als auch gute Einzugsbedingungen entstehen. Nachdem die erste Generation pulvermetallurgisch beschichteter Walzen inzwischen eine überzeugende Lebensdauer in verschiedenen Anwendungen erwarten lässt, kann davon ausgegangen werden, dass diese Oberflächentechnik in weitere Anwendungsbereiche der Aufbereitungstechnik Einzug halten wird.

Finite-Elemente-Methode zur Werkstoffoptimierung

Aktuelle Forschungsprojekte am Lehrstuhl Werkstofftechnik an der Ruhr-Universität Bochum klären zurzeit weitere grundlegende Fragen der neuen Fertigungstechnik. So erfordert die Komplexität der Oberfläche eine besonders ausgeklügelte Wärmebehandlung, die alle drei beteiligten Werkstoffe (Grundwerkstoff, zwei Oberflächen-Werkstoffkomponenten) in den optimalen Eigenschaftszustand versetzt.

Die bei verschiedenen Temperaturen stark unterschiedliche Ausdehnung der Komponenten, die zeitlich versetzten Phasenumwandlungen und das schnelle Abkühlen beim Härten erzeugen Wärme- und Umwandlungsspannungen in der Oberfläche. Sie können so hoch werden, dass akute Rissgefahr besteht.

Diese Problematiken wurden im Rahmen des vom Bundesland Nordrhein-Westfalen geförderten Transferprojekts TIP in Kooperation mit der Maschinenfabrik Köppern gelöst. Dazu kommt die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Anwendung, mit der sich die Spannungen an jedem Ort im Bauteil vorhersagen lassen. Die Resultate werden sowohl bei der Auswahl der Werkstoffe als auch bei der Optimierung der Wärmebehandlung für mehrkomponentige Verschleißbauteile helfen. MM

Prof. Dr.-Ing. Werner Theisen ist Inhaber des Lehrstuhls Werkstofftechnik am Institut für Werkstoffe der Fakultät Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum (RUB)

(ID:222203)