Verschleißschutz an Doppelschnecken

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1 Dichtkämmende Doppelschnecken (Bilder: KraussMaffei Berstorff) Oberflächenbeschichtung. Bei gegenläufigen Doppelschneckenextrudern kommt es systembedingt unausweichlich zu Verschleißerscheinungen. Neben dem zu verarbeitenden Material, den Prozessparametern und der Geometrieabstimmung spielt die richtige Auswahl der Reibpartner eine dominierende Rolle in Bezug auf die Lebensdauer der Verfahrenseinheit. Durch Einsatz spezieller Oberflächenbeschichtungen lassen sich die Standzeiten signifikant verlängern. Verschleißschutz an Doppelschnecken HANS-PETER SCHNEIDER JENS LIEBHOLD G egenläufige Doppelschneckenextruder sind prädestiniert für die Verarbeitung von Hart-PVC-Dryblend zu Halbzeugen aller Art. Gesteigerte Durchsätze sowie der zunehmende Einsatz von Füllstoffen (insbesondere Kreide) und Regenerat sind die Hauptursachen dafür, dass Schnecken und Zylinder einer ständig steigenden Verschleißbeanspruchung ausgesetzt sind. Grundsätzlich lassen sich bei den gegenläufigen Doppelschneckenextrudern drei Verschleißarten unterscheiden: Adhäsionsverschleiß, Abrasionsverschleiß und Korrosionsverschleiß. Adhäsionsverschleiß Gegenläufige Doppelschneckenextruder sind bedingt durch das Bewegungsprin- ARTIKEL ALS PDF unter Dokumenten-Nummer KU zip durch nahezu ausschließlich axiale Materialförderung in einem abgeschlossenen Kammersystem gekennzeichnet (Titelbild). Nach Menning [1] entsteht im Auskämmbereich der Schnecken durch die systembedingten Geschwindigkeitsund Druckverhältnisse ein sogenannter Kalandereffekt mit Strömungsverhältnissen, die aus Kalandern mit entsprechenden Walzenpaarungen bekannt sind. Sowohl im Feststoff- als auch im Schmelzeförderbereich führt diese Kalanderströmung unter hohen Flächenpressungen zu adhäsiven Verschleißerscheinungen durch das Auseinanderdrücken der Schneckenwellen, die sich ausschließlich nur an der Zylinderwand abstützen können (Bild 1). Unter adhäsivem Verschleiß wird dabei die Entstehung von atomaren Haftkräften an Oberflächen ohne äußere Grenzschicht verstanden, die die Kohäsionsfähigkeit der unter hohem Flächendruck angenäherten Festkörperoberflächen erreichen können [1]. Abrasionsverschleiß Der Abrasionsverschleiß wird durch abrasive Füllstoffe, insbesondere Kreide, an den Schneckenflanken und am Schneckengrund hervorgerufen. Hier kann es zu starken Auswaschungen der Schneckenoberflächen kommen (Bild 2). In den letzen Jahren hat der Abrasionsverschleiß insbesondere bei den Rohrextrudern stark zugenommen, da die Verarbeiter immer mehr Füllstoffe einsetzen. Neben der Menge des eingesetzten Füllstoffs spielt vor allem die Art und die Korngröße eine entscheidende Rolle in Bezug auf den Verschleiß. Korrosionsverschleiß Korrosionsverschleiß spielt bei den gegenläufigen Doppelschnecken eine eher untergeordnete Rolle. Diese Verschleißart kann vor allem bei der Verarbeitung von zinnstabilisierten Mischungen auftreten. Durch die hohe Klebeneigung kann es zu einer Anhaftung der Schmelze an der 70 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2013

2 Schneckenoberfläche und schließlich zum thermischen Abbau kommen. Bei der Verbrennung des PVC wird Salzsäure abgespaltet. Die Salzsäure wirkt korrosiv, indem sie die Stahloberfläche angreift. Um die Anbackungsneigung des PVC zu reduzieren, werden die Schnecken und die mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile hartverchromt. Bei den verschiedenen Anwendungsbereichen der Hart-PVC-Halbzeug-Herstellung können sehr unterschiedliche Verschleißwerte beobachtet werden. Dies zeigt sich vor allem in der Standzeit bzw. Lebensdauer der Verfahrenseinheiten. Beeinflusst wird diese vor allem von folgenden Parametern: zu verarbeitendes Material, Ausstoßleistung des Extruders, Länge der Verfahrenseinheit, Schneckengeometrieauswahl, Fahrparameter. In der Plattenextrusion werden wie in der Profilextrusion modifizierte Rezepturen eingesetzt. Dadurch weisen die dort verwendeten Schnecken ebenfalls relativ niedrige Kompressionswerte auf. Aufgrund der höheren Ausstoßleistungen gegenüber der Profilextrusion muss allerdings mit höheren Verschleißraten gerechnet werden. In der Granulierung werden ausgehend vom fertig gemischten Dryblend die unterschiedlichsten Granulate hergestellt. Die Palette reicht von Hart-PVC-Profilund Fitting-Rezepturen über Kabelkanalbis hin zu verschiedensten Weich-PVC- Rezepturen für die Schuh- und Kabelindustrie. Durch das weit gefächerte Spektrum an Rezepturen, Schneckengeometrien, Maschinenausführungen und Verfahrensparametern können sich unterschiedlichste Verschleißmechanismen ergeben. Faktoren, die den Verschleiß beeinflussen Das zu verarbeitende Material hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verschleiß. Gegenläufige Doppelschneckenextruder sind prädestiniert für die Verarbeitung von PVC-Dryblend. Der Füllstoffgehalt und die Art des > Charakteristischer Verschleiß bei den verschiedenen Anwendungen In der Profilextrusion werden vorwiegend Fensterhaupt- und Nebenprofile hergestellt. Aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen an die Halbzeuge werden deshalb die Profilextruder mit geringeren Ausstoßleistungen und damit geringeren Schneckendrehzahlen gegenüber den PVC- Rohrextrudern betrieben. Die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Fensterprofile lassen keine hohen Füllstoffgehalte und auch keine groben Füllstoffe zu. Da bei den Profilrezepturen sogenannte Modifier eingesetzt werden, haben die Profilschnecken geringere Kompressionswerte gegenüber den Rohrschnecken. All dies führt im Allgemeinen zu einer deutlich höheren Standzeit der Profilverfahrenseinheiten im Vergleich zur Rohrextrusion. In der Rohrextrusion arbeitet man üblicherweise mit unmodifizierten Rezepturen; daher müssen Geometrien mit relativ hoher Kompression eingesetzt werden. Weiterhin werden die Rohrextruder mit ungefähr der doppelten bis dreifachen Ausstoßleistung gegenüber den Profilextrudern betrieben. Erschwerend kommt hinzu, dass bei Abflussrohren zunehmend Materialien mit sehr hohem Füllstoffgehalt und in manchen Regionen zudem sehr abrasive Füllstoffe verwendet werden. Kunststoffe 4/2013

3 Tribokontakt Schnecke vs. Zylinder Tribokontakt Schnecke vs. Zylinder ω Spreizkräfte Zylinder Kunststoffe Bild 1. Tribokontakt: Schnecken versus Zylinder durch Spreizkraftausbildung Bild 2. Abrasionsverschleiß an Doppelschnecken Füllstoffs spielen eine wesentliche Rolle hinsichtlich des Abrasionsverschleißes. Außer Kreide, die eine kugelförmige, runde Struktur aufweist, werden in einigen Regionen auch Materialien wie beispielsweise gemahlener Kalkstein und Marmor mit einer quaderförmigen, eckigen Struktur eingesetzt (Bild 3). Einen dominierenden Einfluss auf die Höhe des Abrasionsverschleißes hat jedoch die Partikelgröße des Füllstoffs, die durch den sogenannten Top Cut (D98) gekennzeichnet ist. Erfahrungsgemäß sollte dieser einen Wert von 8 µm nicht überschreiten. Neben fertig gemischten Dryblends wird aber auch grobes bis hin zu feingemahlenem PVC-Regenerat und PVC- Granulat auf den Maschinen verarbeitet. Der Einsatz dieser Materialien kann ebenfalls den Verschleiß erhöhen. Als Schutz gegen Abrasionsverschleiß werden auch in diesem Fall die Schnecken in ausgewählten Verfahrenszonen hartverchromt. Bei längeren Verfahrenseinheiten kann der Anteil der Scherenergie an der Gesamtenergie reduziert und der Heizenergieanteil erhöht werden. Damit ist es möglich, Schnecken mit geringerer Kompression einzusetzen. Neben der höheren Flexibilität der Maschine in der Produktion wird somit auch die Standzeit der Verfahrenseinheit erhöht. Die Auswahl der richtigen Schneckengeometrie bzw. die richtige Abstimmung der Geometrie auf das zu verarbeitende Material hat ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf das Verschleißverhalten. Bei optimal auf das Material abgestimmter Geometrie und der richtigen Fahrweise des Extruders ergibt sich ein nahezu gleichmäßiger Verschleiß über die gesamte Schneckenlänge und damit eine längere Lebensdauer der Verfahrenseinheit. Fahrparameter. Der Schneckenfüllgrad, d.h. die spezifische Durchsatzleistung in Verbindung mit der Zylinder- Temperaturführung spielen ebenfalls eine wichtige Rolle in Bezug auf das Verschleißverhalten der Verfahrenseinheit. Verschleißanalyse Genauso wichtig wie die regelmäßige Wartung der Maschinen ist auch eine regelmäßige Verschleißmessung der Verfahrenseinheit. Verschleiß an Extrusionsmaschinen ist bei bestimmten Rezepturen nicht zu vermeiden. KraussMaffei Berstorff bietet deshalb Verschleißmessungen an, bei denen der Kunde nachfolgend Verschleißdiagramme erhält, in denen der tatsächliche Durchmesserverschleiß von Schnecken (Bild 4) und Zylinder sowie der max. mögliche Verschleiß dargestellt sind. Somit ist eine langfristige, rechtzeitige und auch wirtschaftliche Ersatzteilplanung möglich, kostenintensive Maschinenstillstände lassen sich so deutlich reduzieren (Predictive Maintenance). Sollten bei einer der Messungen überdurchschnittliche Verschleißraten bei der Verfahrenseinheit auftreten, müssen die Fahrparameter und die Schneckengeometrie überprüft werden. Somit kann in der Regel ein vorzeitiger Ausfall der Verfahrenseinheit und damit ein größerer technischer sowie finanzieller Schaden vermieden werden. Maßnahmen zur Verschleißreduzierung Bild 3. Beispielhafte Darstellung von Füllstoffarten und Korngrößen Eine Verlängerung der Verfahrenseinheit reduziert deutlich den Verschleiß von Schnecken und Zylindern. Dies gelingt aber nur dann, wenn die Leistung der Ma- 72 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2013

4 EXTRUSION 114,0 Schneckendurchmesser mm 113,0 112,5 linke Schnecke rechte Schnecke 112,0 111,5 111,0 Verschleißgrenze 110,5 110, Schneckenlänge 3000 mm 4000 Kunststoffe Bild 4. Verschleißdiagramm für die Doppelschnecken schine im richtigen Verhältnis zum installierten Schneckendrehmoment und der Verfahrenslänge gewählt wird. Während in der Vergangenheit die Verlängerungen der Verfahrenseinheiten nur dem Ziel der Leistungssteigerung dienten, wird heute ein großes Augenmerk auf die Erhöhung der verfahrenstechnischen Flexibilität der Doppelschneckenextruder gelegt. Ein ausgewogenes Verhältnis von Scherenergie und Heizenergie und die richtige Kunststoffe 4/ Fahrweise des Extruders sind wesentliche Vorraussetzungen für eine möglichst lange Lebensdauer der Verfahrenseinheit. Wie bereits beschrieben kommt es bei jedem gegenläufigen Doppelschneckenextruder systembedingt zu Adhäsionsverschleiß. Neben dem zu verarbeitenden Material, den Fahrparametern und der Geometrieabstimmung spielt die richtige Auswahl der Reibpartner (Schnecken und Zylinder) eine dominierende Rolle in Bezug auf die Lebensdauer der Verfahrenseinheit. Während die Schnecken am gesamten Außendurchmesser verschleißen, unterliegen die Zylinder nur einem einseitigen, partiellen Flächenverschleiß.An eine Verfahrenseinheit werden immer höhere Anforderungen gestellt. Neben Leistungssteigerungen der Extruder unter Beibehaltung des Schneckendurchmessers werden immer höhere Füllstoffgehalte verwendet. Zur weiteren Kostenersparnis steigt auch der Anteil an Regenerat immer mehr an. Bei Hochleistungsextrudern ist deshalb eine Stegbeschichtung der Schnecken heute eine Notwendigkeit. Stegoberkanten auf Basis einer Molybdänlegierung KraussMaffei Berstorff bietet als Standardverschleißschutz eine Plasma-Pulver-Auftragsschweißung (PTA-Beschichtung) der Stegoberkanten bei allen parallelen und konischen Doppelschnecken im Durchmesserbereich von 43 bis 184 mm auf Basis einer Mo-Ni-Fe-Legierung mit einem Molybdänanteil bis zu 50 Gew.-% > 73

5 (Bild 5) an. Als Zylinderwerkstoff und damit tribologischer Reibpartner wird ein spezieller Ni-Stahl, eingesetzt. Die dafür hergestellten Schmiedeteile unterliegen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Korngröße und Umformgrad einer von KraussMaffei Berstorff definierten Norm. Die Innenoberfläche des Zylinders wird mit Nitrierung von 0,5 mm Nht. ausgeführt. Nach umfangreichen Analysen und anschließenden Modifikationen der Schweißparameter, wie beispielsweise der Stromstärke in Abhängigkeit des Außendurchmessers und/oder Spurbreite, sowie eines entsprechenden Wärmeeintrags in das Bauteil bei verschiedenen Arbeitsschritten wird eine nahezu rissfreie PTA-Mo-Beschichtung mit geringer Aufmischung besonders in den Randzonen des Schweißgebiets gefertigt (Bild 6). Mit dieser verbesserten Schweißtechnik Bild 5. Plasma-Pulver-Auftragsschweißanlage Bild 6. Feindisperses, isotropes Gefüge einer Mo-Auftragsschweißung, Oberflächenhärte 52 bis 55 HRC ist eine signifikante Erhöhung der Standzeit festzustellen, die Prozessverfügbarkeit wird erhöht, mögliche partielle Beschädigungen wie lokal begrenzte Ausbrüche werden nahezu eliminiert. Stegoberkanten auf Basis von Wolframcarbid Bild 7. Homogene, isotrope Karbidverteilung einer WC-Auftragsschweißung, Oberflächenhärte ca. 58 HRC Beschichtungen der Stegoberkanten mit Wolframcarbid sind hinlänglich bekannt. Die Qualifikation der PTA-WC-Schweißtechnik erfolgte analog dem Mo-Auftrag: Die Schweißstromstärken für die jeweiligen Außendurchmesser und/oder Spurbreiten wurden ebenso ermittelt wie die Wärmeeinträge innerhalb der Arbeitsschritte und ein geeignetes WC-Schweißpulver. Alle Versuchsreihen wurden metallografisch durch Schliffbilder und Härtemessungen erfasst, ausgewertet und auf Eignung beurteilt. Der WC-Anteil im Schweißgut der Ni-Cr-B-Si-Matrix beträgt dabei bis zu 70 Gew.% (Bild 7). Als tribologischer Reibpartner für die parallelen Doppelschnecken kommt als Zylinder-Innenbeschichtung eine Ausbuchsung auf einer Ni-Cr-Si-Basis mit einer Härte von von 58 bis 66 HRC zum Einsatz. Mit dieser Technologie können parallele Doppelschnecken in einem Durchmesserbereich von 75 bis 164 mm mit einer WC-Beschichtung der Stegoberkanten gefertigt werden. In Verbindung mit der Hochleistungsbeschichtung des Zylinders werden diese Schnecken als hochverschleißfestes tribologisches System besonders bei Applikationen mit hohem Adhäsionsverschleiß beispielsweise der WPC-Verarbeitung bei der Herstellung von Decking-Profilen eingesetzt. Die dabei bekannten Standzeiten mit WC-Ausführung liegen je nach Rezeptur und spezifikationsgerechten Betrieb der Maschinen vorausgesetzt zwischen 6000 bis h. Da Verfahrenseinheiten in Mo-Ausführungen rezepturbedingt ein frühzeitiges Versagen nach teilweise schon wenigen hundert Betriebsstunden aufweisen, ist ein Vergleich bzw. eine Aussage zu Standzeitfaktoren eigentlich nicht möglich, da Mo-Beschichtungen diese Verfahrensaufgabe wirtschaftlich nicht bewältigen können. Auch bei immer häufiger anzutreffenden PVC-Rezepturen mit hohen Füllstoffanteilen >50 phr und mittleren Füllstoff-Korngrößenverteilungen von >10 µm werden zunehmend Doppelschneckenextruder mit WC-Verfahrenseinheiten mit dem Ziel ausgerüstet, geforderte Standzeiten von > bis h sicher zu erreichen. LITERATUR 1 Mennig, G. u.a.: Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung: Phänomene und Schutzmaßnahmen. Carl Hanser Verlag, München 1990 DIE AUTOREN DIPL.-ING. (FH) HANS-PETER SCHNEIDER, geb. 1955, ist Leiter Verfahrenstechnische Entwicklung Doppelschneckenextruder bei KraussMaffei Berstorff; hans-peter.schneider@kraussmaffei.com DR.-ING. JENS LIEBHOLD, geb. 1960, ist Geschäftsbereichsleiter Extrusionstechnik bei Krauss- Maffei Berstorff; jens.liebhold@kraussmaffei.com SUMMARY SCREWS WITH FLIGHT PROTECTION SURFACE COATING. Wear is unavoidable in counter-rotating twin-screw extruder systems. Apart from the material being extruded, the operating parameters and the geometry of the parts, the right choice of friction partners plays a dominant role with respect to the service life of the screw. The use of special surface coatings allows the service lives to be significantly prolonged. Read the complete article in our magazine Kunststoffe international and on 74 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2013