AT411533B - Pelletiermatritze und verfahren zur herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Pelletiermatrize aus martensitischem, rostfreiem Messerstahl mit einer Legierungszusammensetzung von 0,4 - 0,5 % C, 13-17 % Cr sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

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 auf einer Seite der Matrize zugeführt und mithilfe von Presswalzen durch die Pelletierkanäle der Matrize gedrückt. Pelletierfähige Substanzen sind z.B. Polymere, Tierfutter, Brennstoffe, Abfallstoffe, u.ä.. 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 perforiertes metallisches Bauteil ausgeführt. Je nach pelletierter Substanz, Ausführung der Pelletierkanäle und Matrizenwerkstoff unterliegt die Matrize einem mehr oder weniger starken Verschleiß. Der Verschleiß kommt vor allem auf der Laufbahn für die Presswalzen 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 und 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 die Presswalzenlaufbahn im Laufe der Lebenszeit der Pelletiermatrize um mehrere Millimeter abgetragen wird, 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 HRc57 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 einsetzbar. 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 - 1mm - 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 2

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Nitrierschicht nur wenige Mikrometer dick, sodass eine ausreichende Härte und Korrosionsbeständigkeit nur über kurze Zeit und nicht über die gesamte Lebensdauer der Pelletiermatrize gegeben ist.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer und Zähigkeit der Pelletiermatrize zu erhöhen, sodass diese Pelletiermatrize 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 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.

Außerdem entsteht bei dem normalerweise angestrebten interstitiellem Legierungsgehalt (C+N) bei den martensitischen Messerstählen aufgrund deren hohen Chromgehaltes Restaustenit. Dieser kann nur durch Tiefkühlen beseitigt werden. Auch das Tiefkühlen ist kostspielig und kommt daher für Pelletiermatrizen nicht in Frage.

Eine Legierung mit niedrigerem Stickstoffgehalt, wie sie auch unter atmosphärischen Bedingungen herstellbar wäre, ist in der EP 1 052 304 A1 (Böhler Edelstahl) beschrieben. Jedoch stellt die damit erzielbare Härte von HRc 55 nach dem Anlassen keine Verbesserung zur konventionellen Technik dar. Ein Stahl mit derart niedrigem interstitiellem Legierungsgehalt (C+N) ist daher für Pelletiermatrizen nicht geeignet.

Die Erfindung für eine Pelletiermatrize aus martensitischem, rostfreiem Messerstahl mit einer Legierungszusammensetzung von 0,4 - 0,5 % C, 13 -17 % Cr ist daher dadurch gekennzeichnet, dass in der Legierung zusätzlich Stickstoff in einem Gehalt gemäß folgender Formel enthalten ist: [N] < -0,26 [C] + 0,017 [Cr]. mit [N]........ Stickstoffgehalt in Masse-% [C]........ Kohlenstoffgehalt in Masse-% [Cr]....... Chromgehalt in Masse-%

Durch die genaue Abstimmung der Gehalte an Cr, C und N ist es möglich, die Härte zu steigern, ohne den aufwändigen Weg des Druckumschmelzens und Tiefkühlens zu beschreiten. Durch die erfindungsgemäße Abstimmung des Chrom- und Stickstoffgehaltes ist die wirtschaftliche Herstellung einer Pelletiermatrize mit im Vergleich zur konventionellen Technik überlegenen Standzeit und Zähigkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit möglich. Dies wiederum ermöglicht die Verwirklichung von Matrizenausführungen mit maximiertem Durchsatz, welche mit der konventionellen Technik aufgrund der dabei erhöhten Sprödbruchgefahr nicht herstellbar sind.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach dem Härten und Anlassen eine Oberflächenhärte von mehr als 55 HRc, vorteilhaft mehr als 57 HRc aufweist. Dadurch kann eine längere Lebensdauer der Pelletiermatrize erzielt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Pelletiermatrize aus martensitischem, rostfreiem Messerstahl mit einer Legierungszusammensetzung von 0,4 - 0,5 % C, 13 - 17 % Cr. Dieses ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Legierung als weiterer Legierungsbestandteil zusätzlich Stickstoff in einem Gehalt gemäß folgender Formel zugegeben wird: [N] < -0,26 [C] + 0,017 [Cr]. mit [N]........ Stickstoffgehalt in Masse-% [C]........ Kohlenstoffgehalt in Masse-% 3

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[Cr]....... Chromgehalt in Masse-%, wobei der Stahl unter Atmosphärendruck erschmolzen wird.

Durch die erfindungsgemäße Abstimmung des Chrom- und Stickstoffgehaltes ist die wirtschaftliche Herstellung einer Pelletiermatrize mit im Vergleich zur konventionellen Technik überlegenen Standzeit und Zähigkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit möglich und es kann auf das bisher verwendete teure Druckumschmelzen verzichtet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einer mechanischen Bearbeitung, insbesondere zur Herstellung der Bohrungen einem Vordrehen, Tieflochbohren und Senken unterworfen wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach der mechanischen Bearbeitung einer Wärmebehandlung im Vakuum bei einer Temperatur von 1000 - 1200°C unterzogen, danach abgekühlt und vorzugsweise bei einer Temperatur von 180 -220 °C angelassen wird. Dadurch erhält er die nötige Härte von mehr als HRc 56, die eine lange Lebensdauer der Pelletiermatritze ermöglicht.

Beispielhaft seien zwei mögliche Legierungen für Pelletiermatrizen gemäß der Erfindung angeführt: C N Cr Si Mn Legierung 1 0.46 0.1 13 0.3 0.5 Legierung 2 0.4 0.15 15 0.3 0.5

Durch die genaue, erfindungsgemäße Abstimmung der Gehalte an Cr, C und N ist es möglich die Härte zu steigern, ohne den aufwändigen Weg des Druckumschmelzens und Tiefkühlens zu beschreiten: mit steigendem Chromgehalt kann auch der N-Gehalt gesteigert werden. Zur Beibehaltung der Zähigkeit wird der C-Gehalt entsprechend abgesenkt.

Ausführungsbeispiel

Ausgangsmaterial ist eine martensitische, rostfreie Stahllegierung, zusammengesetzt wie Legierung 1. Aus dieser Legierung werden Blöcke abgegossen und diese bei Verwendung als ringförmige Pelletiermatrizen durch Ringwalzen zu Schmiederingen warm umgeformt. Nach dem Warmumformen werden die Schmiederinge bzw. sonst die Blöcke 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, Tiefloch bohren, und Senken. Die Matrizenmaße (Außendurchmesser, Innendurchmesser, Wanddicke, Bohrungsdurchmesser, Bohrungsabstände) variieren je nach Anwendung. Typisch ist z.B. Innendurchmesser 650mm, Außendurchmesser 750mm, Bohrungsdurchmesser 3.5mm, Bohrungsabstand 2.3mm.

Nach der mechanischen Bearbeitung wird die Matrize im Hochtemperaturvakuumofen gehärtet. Dies erfolgt typisch bei einer Temperatur von 1100°C und mit Abkühlung durch erzwungene Konvektion von Stickstoffgas. Anschließend wird die Matrize bei 200°C entspannt. Das Resultat ist eine Pelletiermatrize mit einer Oberflächenhärte von ä HRc 56 und einer Schlagbiegeenergie von ä 85 J. Die Vergleichswerte mit der konventionellen Technik sind aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich.

konventionelle Technik: Legierung 1 X46Cr13 X55CrMo14 Härte nach dem Vakuumhärten und Entspannen bei 200°C HRc 52 HRc 57 HRc 56 Schlagbiegeenergie (ISO-Probe ohne V-Kerbe) 90 J 20 J 85 J 4

Claims (5)

1. AT 411 533 B Man erkennt, dass es mit Legierung 1 wirtschaftlich möglich wird, die Härte - und damit die Lebensdauer - der Matrize fast auf das gleiche Niveau wie bei X55CrMo14 zu heben, ohne im gleichen Maß die Zähigkeit zu beeinträchtigen. Durch die Pelletiermatrizen gemäß der Erfindung wird es möglich, neben der Lebensdauer auch den Durchsatz zu erhöhen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Pelletiermatrize aus martensitischem, rostfreiem Messerstahl mit einer Legierungszusammensetzung von 0,4 - 0,5 % C, 13-17 % Cr, dadurch gekennzeichnet, dass in der Legierung zusätzlich Stickstoff in einem Gehalt gemäß folgender Formel enthalten ist: [N] £ -0,26 [C] + 0,017 [Cr]. mit [N]........ Stickstoffgehalt in Masse-% [C]........ Kohlenstoffgehalt in Masse-% [Cr]....... Chromgehalt in Masse-%
2. 2. Pelletiermatrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach dem Härten und Anlassen eine Oberflächenhärte von mehr als HRc 55, vorteilhaft mehr als HRc 57 aufweist.
3. 3. Verfahren zur Herstellung einer Pelletiermatrize aus martensitischem, rostfreiem Messerstahl mit einer Legierungszusammensetzung von 0,4 - 0,5 % C, 13-17 % Cr, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierung als weiterer Legierungsbestandteil zusätzlich Stickstoff in einem Gehalt gemäß folgender Formel zugegeben wird: [N] £ -0,26 [C] + 0,017 [Cr]. mit [N]........ Stickstoffgehalt in Masse-% [C]........ Kohlenstoffgehalt in Masse-% [Cr]....... Chromgehalt in Masse-%, wobei der Stahl unter Atmosphärendruck erschmolzen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einer mechanischen Bearbeitung, insbesondere zur Herstellung der Bohrungen, einem Vordrehen, Tieflochbohren und Senken unterworfen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der mechanischen Bearbeitung der Stahl einer Wärmebehandlung im Vakuum bei einer Temperatur von 1000 -1200eC unterzogen, danach abgekühlt und vorzugsweise bei einer Temperatur von 180 -220 °C angelassen wird. KEINE ZEICHNUNG 5