AT411531B - Pelletiermatritze - Google Patents

Description

AT 411 531 B

Die Erfindung betrifft eine Pelletiermatrize aus martensitischem Stahl.

Zylindrische Pelletiermatrizen werden in vielen Bereichen der Technik zur Herstellung von Pellets, das ist hinsichtlich Konsistenz, Form und Größe definiertes Stückgut, eingesetzt. Dabei wird eine fließfähige Substanz im Inneren der Matrize zugeführt und mithilfe von Presswalzen durch die Pelletierkanäle der Matrize gedrückt. Pelletierfähige Substanzen sind z.B. Polymere, Tierfutter, Brennstoffe, Abfallstoffe, u.a.. Substanzen werden i.a. pelletiert, um die oben erwähnte Definition hinsichtlich Konsistenz, Form und Größe des Stückgutes zu erreichen, wie auch um die Transportfähigkeit, Lagerfähigkeit, Staubfreiheit u.a. relevante Eigenschaften.

Die Pelletiermatrize ist hinsichtlich ihres Werkstoffes und ihrer Geometrie auf die zu pelletierende Substanz abgestimmt. Sie ist im wesentlichen als perforierter metallischer Ring ausgeführt. Je nach pelletierter Substanz, Ausführung der Pelletierkanäle und Matrizenwerkstoff unterliegt die Matrize einem mehr oder weniger starken Verschleiß. Der Verschleiß kommt vor allem am Innendurchmesser, der als Laufbahn für die Presswalzen dient, aber auch innerhalb der Pelletierkanäle zum Tragen.

Auch unterliegt die Pelletiermatrize stoßartigen Belastungen, die unter den praktischen Arbeitsbedingungen in einer Pelletierfabrik nicht ausgeschlossen werden können. Hinzu kommt die korrosive Beanspruchung der Matrize durch die zu pelletierender Substanz.

Zur Zeit hat sich in vielen Anwendungen der martensitische, rostfreie Messerstahl X46Cr13 (1.4034) als Standard etabliert. Dieser Werkstoff stellt einen mehr oder weniger ausreichenden Kompromiss zwischen Lebensdauer, Sprödbruchanfälligkeit und Korrosionsbeständigkeit dar.

Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl u. Verwendung von Pelletiermatrizen ist deren Beitrag zu den Pelletierkosten pro Masseeinheit pelletierter Substanz. Es gilt also, die Lebensdauer und den Durchsatz der Matrizen zu erhöhen. Da sich der Innendurchmesser im Laufe der Lebenszeit der Pelletiermatrize um bis zu 30 mm aufweitet, also ein beträchtlicher Verschleiß der Presswalzenlaufbahn gegeben ist, besteht die Notwendigkeit der Härtesteigerung des Matrizenwerkstoffes für die Erhöhung der Lebensdauer. Um den Durchsatz zu steigern, ist eine Erhöhung der Anzahl der Pelletierkanäle, oder anders ausgedrückt, des Anteils der offenen Matrizenfläche, notwendig. Letzteres erhöht aber die Sprödbruchgefahr.

Dementsprechend war es bisher nicht möglich, im Vergleich zu X46Cr13, einem an Luft durchhärtenden Messerstahl mit einer Härte nach dem Anlassen von HRc 48-55, die Härte und gleichzeitig die Zähigkeit zu verbessern.

Die Härte konnte z.B. durch Erhöhung des C- und Cr-Gehaltes, wie auch durch Zulegieren von Mo und V auf bis zu HRc 57 verbessert werden, z.B. mit der Stahllegierung X55CrMo14 (1.4110) oder X50CrMoV15 (1.4116). Auch die Korrosionsbeständigkeit konnte dadurch leicht verbessert werden. Jedoch hat diese Ausführung den entscheidenden Nachteil, dass sie eine im Vergleich zu X46Cr13 erheblich höhere Sprödbruchanfälligkeit aufweist. Deswegen kommt sie für viele Anwendungen nicht in Frage und kann auch nicht mit der angestrebten, größeren Anzahl von Pelletierkanälen hergestellt werden.

Außerdem verursacht diese Legierung sowohl in der Herstellung beim Weichglühen, als auch beim Tieflochbohren, wie schon allein durch den höheren Gehalt an teuren Legierungselementen erhebliche Mehrkosten.

Um bei entsprechender Härte die in vielen Anwendungen höheren Zähigkeitsanforderungen zu erfüllen, wird daher teilweise anstelle des durchhärtenden Messerstahls X46Cr13 z.B. der Einsatzstahl 20MnCr5 verwendet. Diese Methode hat aber zwei Nachteile: erstens ist dieser Werkstoff nicht rostbeständig und daher in vielen Fällen nicht ersetzbar. Außerdem führt das Einsatzhärten unter der karburierenden Atmosphäre zu ungünstigen Oberflächeneigenschaften (höhere Reibung) im Vergleich zur metallisch blanken Oberfläche.

Zweitens ist die Lebensdauer einer derartigen, nicht durchgehärteten Matrize von vornherein begrenzt, da die typische Einhärtetiefe von 0.5-1 mm - je nach Lochmuster - meist nicht zu einer durchgehärteten Presswalzenlaufbahn und damit zu schnellem Laufbahnverschleiß führt.

Eine anderer Vorschlag wird in der US 6 053 722 A (Topolski et al.) beschrieben, wo der Einsatz von nitrierten Warmarbeitsstählen nahegelegt wird. Diese Methode weist jedoch prinzipiell dieselben Nachteile wie ein Einsatzstahl auf: die Warmarbeitsstähle sind aufgrund ihres niedrigen Chromgehaltes nicht korrosionsbeständig, und die beschriebene, harte und korrosionsbeständige Nitrierschicht nur wenige Mikrometer dick, sodass eine ausreichende Härte und Korrosionsbestän- 2

AT 411 531 B digkeit nur über kurze Zeit und nicht über die gesamte Lebensdauer der Pelletiermatrize gegeben ist.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, mithilfe eines speziellen Oberflächenhärteverfahrens und Lochmusterdesigns, die Lebensdauer und Zähigkeit der Pelletiermatrize zu erhöhen, sodass diese Pelletiermatrize wegen ihrer höheren Härte bei gleichzeitig höherer Zähigkeit für viele Anwendungen niedrigere Pelletierkosten verursacht als dies gegenwärtig mit Matrizen aus X46Cr13 möglich ist.

Die positiven Auswirkungen des Legierungselementes Stickstoff in rostfreien Stählen wird seit mehreren Jahren untersucht und ist z.B. in der DE 40 33 706 C1 (Berns) oder der EP 1 052 304 A1 (Böhler Edelstahl) beschrieben. Vereinfacht gesagt, ist mit Stickstoff als interstitiell gelöstem Legierungselement - im Gegensatz zu Kohlenstoff - bei konstantem Chromgehalt eine Steigerung von Härte und Korrosionsbeständigkeit möglich. Meist geht damit auch eine homogenere Gefügeausbildung einher. Diese hat eine im Vergleich zu stickstofffreien Stählen höhere Zähigkeit zur Folge.

Die Legierung mit Stickstoff wurde aber bisher hauptsächlich anhand der sogenannten druck-umgeschmolzenen Qualitäten untersucht. Hierbei sind die angestrebten Stickstoffgehalte so hoch (0.2-0-4%), dass der Stickstoff nur durch Überdruck in der Schmelze gelöst und während der Erstarrung im Stahl in Lösung gehalten werden kann. Dieses Verfahren ist aber in der Herstellung teuer und führt zu drei- bis vierfach so hohen Rohmaterialkosten.

Eine Alternative zur Legierung mit Stickstoff stellt daher das Hochtemperaturaufsticken, wie z. B. in der DE 40 33 706 C1 (Berns) beschrieben dar. Ein Nachteil des dort beschriebenen Verfahrens ist allerdings, dass wirtschaftlich nur Aufsticktiefen von wenigen Zehntel bis zu einem Millimeter erreicht werden können. Dies ist für die Anwendung in Pelletiermatrizen zu wenig, da auf der Presswalzenlaufbahn ein Verschleiß von bis zu 15mm auftritt.

Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Randhärte nach dem Randhärten mindestens HRc 56, vorzugsweise mindestens HRc 58 und die Kernhärte höchstens HRc 53, vorzugsweise höchstens HRc 50, beträgt.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Chromgehalt von z 13 % und einen Kohlenstoffgehalt von < 0.4 % aufweist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pelletiermatritze nach dem Tiefloch bohren randgehärtet ist und einen Randstickstoffgehalt von bis zu 0,9 Masse-% aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Pelletiermatrize eine durchgehärtete Presswalzenlaufbahntiefe von > 2mm auf.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Pelletierbohrungen an der Presswalzenlaufbahnfläche z 40 % beträgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pelletiermatrize eine Aufsticktiefe von < 1 mm aufweist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung der Pelletiermatrize und Fig. 2 die Definition der Aufsticktiefe darstellt.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Pelletiermatrize gemäß Fig. 1 besteht aus einem ringförmigen Grundkörper aus einem rostfreien, martensitischen Stahl mit einem Chromgehalt von mindestens 13% und einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,4%. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Matrizenaußendurchmesser, Matrizeninnendurchmesser D, der Bohrungsdurchmesser d, der Bohrungsabstand a und die Aufsticktiefe c so aufeinander abgestimmt werden, dass sich aufgrund dieser geometrischen Konstellation eine durchgehärtete Presswalzenlaufbahntiefe I von mindestens 2 mm ergibt. Als Beispiel sind sinngemäße Ausführungen in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1 3

AT 411 531 B D d a c / Ausführung 1 620 2,5 0,9 0,75 11,5 Ausführung 2 600 3,0 1,05 0,9 15,4 Ausführung 3 580 3,5 1,15 1,0 13,8 alle Maße in mm

Die Abstimmung der geometrischen Parameter erfolgt dabei so, dass eine Aufsticktiefe c von mehr als 1 mm nicht erforderlich ist. Dies ist aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert. Die Definition der Aufsticktiefe ist aus Fig. 2 als jener Punkt im Härteprofil, gemessen in mm, ersichtlich, bei dem der Härtewert auf den Kernhärtewert (typisch ca. HRc 50) abgefallen ist. Die mit diesem Verfahren erzielbaren Randhärtewerte betragen typisch HRc 58-60, erfindungsgemäß ist eine Randhärte von mindestens HRc 55. Durch das Aufsticken ist an der Oberfläche ein Stickstoffgehalt von 0,3 - 0,9 % erreichbar.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung gemäß Fig. 1 wird im Vergleich zur konventionellen Technik erzielt: • eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit für die meisten Pelletieranwendungen (Tierfutter, Kommunalschlamm, Abfall, Holz, chemische Industrie) • eine verbesserte Lebensdauer aufgrund der höheren Randhärte • ein verbesserter Durchsatz, und damit verringerte Kosten pro Tonne pelletierter Substanz, aufgrund des sehr eng ausführbaren Lochabstandes. • eine verringerte Sprödbruchanfälligkeit, da die Pelletiermatrize nicht überall durchgehärtet ist sondern nur auf der Presswalzenlaufbahn. • eine verbesserte Dauerfestigkeit, da das Randhärteverfahren Druckeigenspannungen auf der Oberfläche erzeugt. Dadurch sind Ausführungen mit geringerer Restwandstärke möglich.

Ausführungsbeispiel

Ausgangsmaterial ist ein Schmiedering aus einem martensitischen, rostfreien Stahl, z.B. X20Cr13 (1.4021). Der Schmiedering wird weichgeglüht (typischerweise 900°/5h), sodass eine Härte von nicht mehr als 220 HB für das Tieflochbohren eingestellt wird.

Die Herstellung der Matrize erfolgt durch Vordrehen, Tieflochbohren, und Senken. Die Matrize wird so gebohrt, dass sie Ausführung 3 (D = 580 mm, d = 3,5 mm, a = 1,15 mm) entspricht. Nach der mechanischen Bearbeitung wird die Matrize im Hochtemperaturvakuumofen aufgestickt und gehärtet. Dies erfolgt typisch bei einer Temperatur von 1100 °C und mit einer Stickstoffatmosphäre von pN2 = 1 bar. Um die Aufsticktiefe von 1 mm zu erzielen ist eine Aufstickzeit bei 1100 °C von mehreren Stunden erforderlich. Danach wird die Matrize durch erzwungene Konvektion von Stickstoffgas gehärtet.

Das Resultat ist eine Pelletiermatrize mit einer Oberflächenhärte von HRc 58, einer durchgehärteten Presswalzenlaufbahn bis in eine Tiefe von I = 13,8 mm und einer Schlagbiegeenergie von 110 J. Letzterer Wert ermöglicht die Anbringung der erforderlichen Bohrungsanzahl, sodass auch der Durchsatz im Vergleich zur konventionellen Technik verbessert ist. Die Vergleichswerte mit der konventionellen Technik sind aus Tabelle 2 ersichtlich.

Tabelle 2 4

Claims (6)

1. AT 411 531 B konventionelle Technik: Ausführung X46Cr13 X55CrMo14 Härte der Presswalzenlaufbahn HRc 52 HRc 57 HRc 58 Schlagbiegeenergie (ISO-Probe ohne V-Kerbe) 90 J 20 J 110 J Pelletierkanalfläche in % der Laufbahnfläche (ist proportional dem Durchsatz) 40% 30% 51,4% Die Erfindung ist nicht auf zylindrische oder ringförmige Pelletiermatrizen beschränkt, sie kann vielmehr auch für ebene bzw. plattenförmige Matrizen eingesetzt werden. PATENTANSPRÜCHE: 1. Pelletiermatrize aus martensitischem Messerstahl dadurch gekennzeichnet, dass die Randhärte nach dem Randhärten mindestens HRc 56, vorzugsweise mindestens HRc 58 und die Kemhärte höchstens HRc 53, vorzugsweise höchstens HRc 50, beträgt.
2. 2. Pelletiermatritze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Chromgehalt von > 13 % und einen Kohlenstoffgehalt von < 0.4 % aufweist.
3. 3. Pelletiermatritze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pelletiermatritze nach dem Tiefloch bohren randgehärtet ist und einen Randstickstoffgehalt von bis zu 0,9 Masse-% aufweist.
4. 4. Pelletiermatrize nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pelletiermatrize eine durchgehärtete Presswalzenlaufbahntiefe (I) von > 2 mm aufweist.
5. 5. Pelletiermatrize nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Pelletierbohrungen an der Presswalzenlaufbahnfläche ä 40 % beträgt.
6. 6. Pelletiermatrize nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pelletiermatrize eine Aufsticktiefe (c) von < 1 mm aufweist. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5