DE4226768C2

DE4226768C2 - Vorrichtung zur Förderung und Aufbereitung von Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE4226768C2
Application number: DE4226768A
Authority: DE
Inventors: Herbert Baer
Original assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Current assignee: Battenfeld Extrusionstechnik GmbH
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2012-08-14
Also published as: DE4226768A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur - kontinuierlichen oder diskontinuierlichen - Förderung und Aufbereitung von Kunststoff material mit einem aus mindestens einer Schnecke und einem diese umschließenden Zylinder bestehenden Verarbeitungssystem, insbesonde re Extruder, bei dem die der Einwirkung des Kunststoffmaterials ausgesetzten Flächenbereiche bzw. Randzonen der zueinander relativ beweglichen Systemkomponenten einem korrosiven, erosiven, abrasiven und/oder oder adhesiven Verschleiß unterliegen.

Bei Vorrichtungen bzw. Verarbeitungssystem dieser Art, also vor nehmlich bei Extrudern, wird das beträchtliche Verschleißproblem hauptsächlich durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des zur Verarbeitung gelangenden Kunststoffmaterials hervorgerufen, die sich besonders im Falle hoher mechanischer Beanspruchungen, wie großen Durchsatzes und hohen Drucks schädlich auswirken. Dies gilt besonders dann, wenn Kunststoffmassen mit verschleißfördernden Füllungen verarbeitet werden müssen.

Zur Ausräumung dieser Probleme, also zur Verschleißminderung wird bisher nicht nur eine gezielte Werkstoffauswahl getroffen, sondern es werden vielmehr thermische und thermochemische Verfahren angewen det, um die gesamten Werkstoffeigenschaften oder diejenigen der Randzonen an den zusammenarbeitenden Systemkomponenten zu verbes sern. Als solche Behandlungsverfahren kommen dabei das Härten, das Nitrieren und das Beschichten in Betracht.

Ein gemeinsamer Nachteil aller dieser Behandlungsverfahren sind die negativen Auswirkungen der Temperaturbeeinflussung auf die Geoemtrie des Werkstückes und auf dessen innere Spannungen.

Andererseits führen Beschichtungsverfahren, welche die Wärmeeinbrin gung örtlich begrenzen, bspw. das Kaltspritzen, zu einer verminder ten Haftung des Beschichtungs-Zusatzmaterials auf dem Grundwerkstoff und zu einer vergleichsweise lockeren und porösen Gefügeausbildung der Beschichtung, welche die hieran bezüglich einer Verschleißminde rung gestellten Anforderungen nicht oder nur unzureichend erfüllen kann.

Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen bzw. Verarbeitungssystemen zur kontinuierlichen Förderung und Aufbereitung von Kunststoffmaterial werden im allgemeinen, also bei nicht hoch beanspruchten Maschi neneelementen, alle schmelzeführenden Oberflächen nitriert, ins besondere gasnitriert. Bei höheren mechanischen Beanspruchungen, die allein schon aus der - üblichen - Steigerung von Durchsatz und Druck in der Maschine resultieren und die auch durch Verarbeitung von Kunststoffmassen mit verschleißfördernden Füllungen verursacht werden, reicht diese Behandlungsart jedoch nicht aus. Es müssen dann vielmehr andere - alternative - Oberflächenbehandlungen eingesetzt werden. Unter anderem bei Einschnecken-Verarbeitungssystemen findet deshalb ein sogenanntes Stellitieren der Oberflächen statt, während bei Doppelschnecken-Verarbeitungssystemen der Molybdänbeschichtung der Vorzug gegeben wird. Bei Planetenwalzen-Verarbeitungssystemen, die besonders verschleißgefährdet sind, müssen sogar die verschleiß beanspruchten Teile als sogenannte Durchhärter gefertigt werden.

Wenn bspw. bei Einschnecken-Verarbeitungssystemen oder bei Füll schnecken für Planetwalzen-Verarbeitungssystemen überwiegend adhesi ver Verschleiß auftritt, dem stellitierte Oberflächen keinen genü genden Widerstand entgegensetzen können, dann werden auch dort - ähnlich wie bei Doppelschnecken-Verarbeitungssystemen - die Oberflächen der Schneckenstege mit einer Molybdänbeschichtung versehen.

Da bei Doppelschnecken-Verarbeitungssystemen zwischen den Doppel schnecken typischerweise Spreizkräfte auftreten, welche die beiden Schnecken an die Zylinderwand andrücken und vorwiegend adensiven Verschleiß verursachen, erfolgt in diesem Falle eine Reduzierung der Verschleißerscheinungen vorwiegend durch Molybdänbeschichtung der Stege, und zwar vorwiegend im Bereich ihrer Stegmantelflächen.

Die Aufbringung der Molybdänschicht erfolgt dabei entweder durch ein sogenanntes Kaltspritzverfahren oder aber durch Plattieren bzw. Aufwalzen eines Molaybdänbandes. Molybdän zeichnet sich dabei nicht nur durch seine guten Verschleißeigenschaften aus, sondern ist darüberhinaus auch noch ein hochtemperaturfester Werkstoff.

Zylinder für Ein- und Doppelschnecken-Verarbeitungssysteme werden normalerweise aus hochlegiertem Stahl gefertigt und erhalten dann eine Oberflächenhärtung durch Nitrieren. Hochbeanspruchte Zylinder werden hingegen in einer sogenannten Bimetall-Ausführung herge stellt, in dem der Normalwerkstoff mit einer Verschleißschutzschicht durch ein spezielles Auftragsverfahren belegt wird. Hierbei kommt es auf eine möglichst verzugsarme Bearbeitung und Beschichtung in besonderem Maße an, weil eine aufwendige Nachbearbeitung zur Ferti gungskostenminimierung vermieden werden muß. Durch die DE 37 18 779 C2 ist bereits eine Schnecke oder dergleichen Maschinenteil für Kunststoffverarbeitungsmaschinen, insbesondere einer Extruder schnecke, bekannt, die aus einem Grundmaterial, insbesondere Stahl, gefertigt ist und eine örtlich aufgebrachte Auflage aus einer verschleißmindernden Legierung aufweist, die als eine durch Pulver auftragsschweißen aufgebrachte Schicht ausgebildet und mit dem Grundmaterial verschweißt ist.

Die Besonderheit dieser Schnecke oder dergleichen besteht darin, daß sie mit einer Auflage versehen ist, die einen möglichst hohen Molybdängehalt haben soll, trotzdem aber mit dem Grundwerkstoff verschweißt ist und deshalb eine geringe Ablösung aufweist. Sie zeichnet sich dabei dadurch aus, daß die Auflage einen durch Plasma pulverauftragsschweißen erzeugte Schicht ist und aus einer Legierung besteht, die, abgesehen von beim Schweißen aufgenommenen geringen Anteilen des Grundmaterials, eine ganz bestimmte Legierungszusammen setzung aufweist, die dabei 40 bis 70% Mo enthält, welches auch teilweise durch Mn ersetzt sein kann. Weitere Legierungsbestandteile sind dabei 0 bis 10% Cr, 0,5 bis 5% B, 0,5 bis 5% Si, 0 bis 1 % Zr, 0 bis 1% Ti, während der Rest aus Ni und/oder Co bestehen kann.

Nur durch den Einsatz dieser sehr speziellen Legierungszusammen setzung ist nach dem Stand der Technik eine dauerhaft sichere Verbindung der Verschleißschichtauflage durch Plasmapulverauftrags schweißen mit dem Grundwerkstoff gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung oder ein Verarbei tungssystem zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Förderung und Aufbereitung von Kunststoffmaterial der anfangs genannten Gattung anzugeben, deren bzw. dessen Systemkomponenten an ihrer Oberfläche sowohl zur Gefügeveränderung als auch zum Aufbringen einer Beschichtung mit Hochtemperatur behandelt sind, ohne daß sich hierdurch unerwünschte Gefügeveränderungen im Grundwerkstoff oder Kernmaterial einstellen können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichenden Merkmale des Anspruchs 1, indem nämlich mindestens die einem besonderen Ver schleiß ausgesetzten Flächen bzw. Randzonen der Systemkomponenten, vornehmlich die Schneckenzylinderinnenflächen und/oder die Schnec kenstegbegrenzungsflächen des Extruders, wenigstens partiell laser wärmebehandelte, harte Oberflächenschichten aufweisen.

Der besondere Vorteil einer Laser-Wärmebehandlung liegt darin, daß die Energieübertragung aus dem Laserstrahl auf das Werkstück örtlich stark begrenzt ist und zusätzlich durch einen Schichtüberzug beein flußt werden kann, welcher in der Lage ist, die Lichtenergie zu absorbieren und an den darunterliegenden Werkstoff weiterzuleiten.

Durch Beeinflussung des Aufbaus eines solchen Schichtüberzuges in Verbindung durch die Selbstabschreckung aufgrund des steilen Tempe raturgradienten zum Werkstoffinneren lassen sich Härte und Härtetie fe der laserwärmebehandelten Schichten optimal beeinflussen.

Im einfachsten Falle ist vorgesehen, daß die harten Oberflächen schichten der Schneckenzylinderinnenflächen und/oder Schneckensteg begrenzungsflächen - nach Anspruch 2 - durch Laserstrahl härten oder Laserstrahlumschmelzen gebildet sind. Während im ersteren Falle nach einer Aufheizung der Oberflächenschicht bis auf die Austenitisie rungstemperatur und der darauf folgenden hohen Abkühlungsgeschwin digkeit ein martensitisches Gefüge hoher Härte entsteht, kann durch die zweite Behandlungsart nicht nur ein gleichmäßiges Gefüge erhal ten werden, sondern durch das Aufbringen von Zusatzstoffen ist es auch problemlos möglich, Randschichten zu erzeugen, deren chemische Zusammensetzung vom Grundwerkstoff abweicht. Anspruch 3 sieht deshalb erfindungsgemäß vor, daß die harten Oberflächenschichten aus durch Laserbehandlung mit dem Grundmaterial verbundenen Zusatz materialschichten bestehen.

Die Zusatzmaterialschichten können dabei - nach Anspruch 4 - durch Laserstrahlschweißen, insbesondere Laserstrahlpanzerschweißen, auf das Grundmaterial aufgetragen werden. Dabei sieht Anspruch 5 vor, daß die Zusatzmaterialoberflächenschicht bzw. -panzerung aus Molyb dän, zumindest aber aus einer hochmolybdänhaltigen Legierung be steht.

Besonders bewährt hat es sich nach der Erfindung, wenn gemäß An spruch 6 die Zusatzmaterialoberflächenschicht zumindest auf die Mantel- und/oder Flankenflächen der Extruderschneckenstege durch Laserwärmebehandlung aufgebracht ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch an Ausführungsbei spielen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Gerät zur Laserstrahlbehandlung von Werkstücken,

Fig. 2 die Laserstrahlbehandlung der Schneckenstegmantel flächen an einer Extruderschnecke,

Fig. 3 in größerem Maßstab den in Fig. 2 mit III gekenn zeichneten Ausschnittbereich,

Fig. 4 die Laserstrahlbehandlung der Schneckenstegflanken einer Extruderschnecke,

Fig. 5 in größerem Maßstab den in Fig. 4 mit IV gekenn zeichneten Ausschnittbereich,

Fig. 6 die Laserbehandlung des Innenumfangs eines Schnec kenzylinders für einen Extruder und

Fig. 7 in größerem Maßstab den in Fig. 6 mit VII gekenn zeichneten Ausschnittbereich eines laserbehandelten Schneckenzylinders.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Lasergerät 1 dargestellt, das mit seinem bspw. stahlgeformten Laser 2 auf die Oberfläche 3 eines Werkstücks 4 zur Einwirkung gebracht ist, um dort eine Laserwärme behandlung durchzuführen.

Dabei kommt es darauf an, die Oberflächen 3 des Werkstücks 4 wenig stens partiell, nämlich an den einem besonderen Verschleiß ausge setzten Flächen bzw. Randzonen mit laserwärmebehandelten, harten Oberflächenschichten zu versehen.

Bei dem in Fig. 1 nur rein schematisch angedeuteten Werkstück 4 handelt es sich im vorliegenden Falle um ein funktionswesentliches Bauteil eines Extruders zur kontinuierlichen Förderung und Aufberei tung von Kunststoffmaterial. Bei einem solchen aus mindestens einer Schnecke und einem diese umschließenden Zylinder bestehenden Ver arbeitungssystem unterliegen die der Einwirkung des Kunststoff materials ausgesetzten Flächenbereiche bzw. Randzonen der zueinander relativ beweglichen Systemkomponenten (Schnecke und Zylinder) in erheblichem Maße einem korrosiven, abrasiven und/oder adhesiven Verschleiß.

In den Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist jeweils ein Konturenab schnitt aus einer einzelnen Schnecke eines Doppelschneckenextruders dargestellt. Das wesentliche bzw. typische Kriterium bei einem Doppelschneckenextruder liegt darin, daß zwischen den beiden gleich läufig zusammenarbeitenden Schnecken Spreizkräfte auftreten, welche bestrebt sind, die beiden Schnecken voneinander weg und gegen die Zylinderwand anzudrücken. Die Folge hiervon ist dann ein erheblicher adhesiver Verschleiß zwischen der Schneckenstegmantelfläche 5 und dem ihr benachbarten Bereich der Zylinderinnenfläche 6 des Schnec kenzylinders 7, wobei letzterer nur in den Fig. 6 und 7 voll ständig dargestellt ist. Für die Schneckenstegmantelfläche jeder Schnecke 4 des Schneckenpaares eines Doppelschneckenextruders kommt es also in besonderem Maße auf die Verschleißsicherheit ihrer der Zylinderinnenfläche des Schneckenzylinders 7 zugewendeten Schneckenstegmantelflächen 5 an. Deshalb werden nach Fig. 2 diese Schneckenstegmantelflächen 5 einer Wärmebehandlung durch den Laser strahl 2 unterworfen. Die Verschlußsicherheit der Schneckenflanken wird durch eine Laserstrahlwärmebehandlung nach den Fig. 4 und 5 erhöht. Dabei kann es sich um ein Laserstrahlhärten, ein Laser strahlumschmelzen und/oder um ein Laserstrahlpanzerschweißen han deln.

Beim Laserstrahl-Härten wird die äußere Randschicht der Schnecken stegmantelfläche 5 durch den Laserstrahl 2 bis auf die Austeniti sierungstemperatur aufgeheizt. Durch Selbstabschrecken aufgrund des steilen Temperaturgradienten zum Werkstoffinnneren hin und der dadurch gegebenen hohen Abkühlungsgeschwindigkeit bildet sich dann in der Randschicht 8 ein martensitisches Gefüge hoher Härte aus, wie das in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist. Während der Ein wirkung des Laserstrahls 2 auf die Schneckensteg-Mantelfläche 5 wird die das Werkstück 4 bildende Schnecke vorzugsweise gleichmäßig um ihre Längsachse gedreht und zugleich auch analog bzw. konform der Schneckensteigung axial verlagert. Dabei kann der Laserstrahl 2 so auf das Werkstück bzw. die Schnecke 4 zur Einwirkung gebracht werden, daß seine Wirkbreite unmittelbar die Breite der aufgeheizten Randschicht 8 bestimmt.

Beim Laserstrahlumschmelzen findet hingegen im einfachsten Falle ein Aufschmelzen der Randschicht 8 an der Schneckenstegmantelfläche 5 statt. Bei der anschließenden Erstarrung entsteht wegen des steilen Temperaturgratienten zum Werkstoffinneren und der dadurch gegebenen hohen Abkühlungsgeschwindigkeit ein feinkörniges Gefüge über die gesamte Breite und Dicke der Randschicht 8 hinweg. Hierbei ist aber auch das Aufbringen von Zusatzstoffen möglich, womit sich dann Randschichten erzeugen lassen, deren chemische Zusammensetzung vom Grundwerkstoff abweicht.

Dem Aufbringen von Zusatzstoffen beim Laserstrahlumschmelzen ist das Laserstrahlpanzerschweißen ähnlich. Hierbei wird die Randschicht 8 in einer vorgefertigten Vertiefung an der Schneckensteg-Mantel fläche 5 durch das Einbringen einer entsprechenden Menge von Zusatz stoffen aufgebaut, wobei dann die vorher vorhandene Vertiefung mit der Randschicht 8 aus diesen Zusatzstoffen aufgefüllt ist. Die aus den Zusatzstoffen mit Hilfe des Laserstrahls 2 aufgebauten harten Oberflächenschichten bzw. Randschichten 8 bestehen vorzugsweise aus Molybdän, sind zumindest aber aus einer hochmolybdänhaltigen Legie rung gefertigt.

Bei den Schnecken für den Einbau in Einschneckenextruder kommt es nicht so sehr darauf an, die Schneckenstegumfangsflächen 5 ver schleißfester zu gestalten. Hier ist es wesentlich wichtiger, die Schneckenstegflankenflächen 9 einer Laserstrahlwärmebehandlung zu unterwerfen um dort harte Oberflächen- bzw. Randschichten 10 auf zubauen. Dabei werden die Laser 2 so eingesetzt, daß sie auf den Bereich der Schneckenstegflankenflächen gerichtet sind und dabei einen Laserstrahl härten, einen Laserstrahl umschmelzen oder einen Laserstrahlpanzerschweißen bewirken, wie das bereits vorstehend anhand der Fig. 2 und 3 erläutert wurde.

Bei den Oberflächen- bzw. Randschichten 10 handelt es sich dann entweder um ein Martensitgefüge des vom Werkstück bzw. der Schnecke 4 selbst stammenden Ausgangsmaterials oder aber um einen beim Laserstrahlumschmelzen bzw. Laserstrahlpanzerschweißen aufgebrachten Zusatzstoff. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Werkstückbearbeitung nach den Fig. 2 und 3 und die Werkstückbearbeitung nach den Fig. 4 und 5 gemeinsam vorzusehen, wenn es darauf ankommt, die Schneckenstege der Schnecke 4 insgesamt mit einer harten Oberflä chen- bzw. Randschicht 8/10 zu umschließen.

Die Schneckenzylinder 7 sowohl von Einschneckenextrudern als auch von Doppelschneckenextrudern lassen sich aus jedem geeigneten Werkstoff, insbesondere hochlegiertem Stahl herstellen. Dabei kommt es darauf an, diesen Schneckenzylinder 7 mit einer möglichst ver schleißfesten Zylinderinnenfläche 6 auszustatten. Deshalb wird gemäß Fig. 6 auf die Zylinderinnenfläche 6 des Schneckenzylinders 7 ein Laserstrahl 2, z. B. mit Hilfe eines Umlenkspiegels 11 zur Ein wirkung gebracht. Gleichzeitig wird dabei der Schneckenzylinder 7 um seine Längsachse in Pfeilrichtung 12 gedreht sowie in Pfeil richtung 13 axial verlagert. Der Laserstrahl kommt damit schrauben linienförmig auf die Zylinderinnenfläche 6 des Schneckenzylinders 7 zur Einwirkung und bewirkt dort in der bereits vorstehend be schriebenen Art und Weise entweder ein Laserstrahlhärten oder aber ein Laserstrahlumschmelzen. Im ersteren Falle wird das auf die Austenitisierungstemperatur aufgeheizte Material aufgrund der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit in ein martensitisches Gefüge großer Härte umgewandelt. Im zweiten Falle stellt sich durch die schnelle Er starrung der zuvor aufgeschmolzenen Randschicht ein feinkörniges Gefüge ein. Auch hier wäre es selbstverständlich noch denkbar, durch das Aufbringen von Zusatzstoffen an der Zylinder-Innenfläche 6 eine Oberflächen- bzw. Randschicht zu erzeugen, deren chemische Zusammen setzung vom Grundwerkstoff abweicht.

Liste der Bezugszeichen

1

Lasergerät

2

Laserstrahl

3

Oberfläche

4

Werkstück/Schnecke

5

Schneckenstegmantelfläche

6

Schneckenzylinderinnenfläche

7

Schneckenzylinder

8

Randschicht

9

Schneckenstegflankenfläche

10

Randschicht

11

Umlenkspiegel

12

Pfeilrichtung (Drehung)

13

Pfeilrichtung (Verschiebung)

Claims

1. Vorrichtung zur - kontinuierlichen oder diskontinuierlichen - Förderung und Aufbereitung von Kunststoffmaterial mit einem aus mindestens einer Schnecke und einem diese umschließenden Zylinder bestehenden Verar beitungssystem, insbesondere Extruder, bei dem die der Einwirkung des Kunststoffmaterials ausgesetzten Flächenbereiche bzw. Randzonen der zueinander relativ beweglichen Systemkomponenten einem korrosiven, erosiven, abrasiven und/oder adhesiven Verschleiß unterliegen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die einem besonderen Verschleiß ausgesetzten Flächen (5, 6, 9) bzw. Randzonen (6, 8, 10) der Systemkomponenten (4, 7), vor nehmlich die Schneckenzylinder-Innenflächen (6) und/oder die Schnecken stegbegrenzungsflächen (5, 9) des Extruder, wenigstens partiell laserwär mebehandelte, harte Oberflächenschichten (6, 8, 10) aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Oberflächenschichten (6, 8, 10) der Schneckenzylinder- Innenflächen (6) und/oder der Schneckenstegbegrenzungsflächen (5, 9) durch Laserstrahlhärten oder Laserstrahlumschmelzen gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Oberflächenschichten (6 bzw. 8, 10) der Schneckenzylinder innenflächen (6) und/oder Schneckenstegbegrenzungsflächen (5, 9) aus durch Laserbehandlung mit dem Grundmaterial verbundenen Zusatzmate rialschichten (6 bzw. 8 bzw. 10) bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmaterialschichten (6 bzw. 8 bzw. 10) durch Laserstrahl schweißen, insbesondere Laserstrahlpanzerschweißen auf das Grundmate rial aufgetragen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmaterialoberflächenschicht bzw. -panzerung (6 bzw. 8 bzw. 10) aus Molybdän, zumindest aber aus einer hochmolybdänhaltigen Legie rung, besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmaterialoberflächenschicht (6 bzw. 8 bzw. 10) zumindest auf die Mantelflächen (5) und/oder Flankenflächen (9) der Extruderschnecken stege durch Laserwärmebehandlung aufgebracht ist.