MASCHINENTEILE, INSBESONDERE PELLETIERMATRIZEN

Die Erfindung betrifft einen Chromstahl, insbesondere einen nichtrostenden, korrosionsbeständigen Chromstahl mit einem Gehalt von 12 bis 15 Gew.-% Chrom. Die Erfin- dung betrifft insbesondere einen solchen Stahl für die Herstellung von Pelletiermatrizen. Weiter betrifft die Erfindung einen weichgeglühten Rohling aus einem Chromstahl, insbesondere einen Rohling zur Herstellung eines Matrizenrings für eine Pelletierpresse, sowie einen Matrizenring für eine Pelletierpresse, der aus einem solchen Stahl hergestellt ist.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe wird als zu verpressende Masse (Pressmasse) in Pelletierpressen zu Massenprodukten in Form von Pellets geformt, beispielsweise Tierfutter, Holz, Biomasse oder Müll. Dabei wird das zu Pellets zu formende Pressmaterial in einem Walzenspalt zwischen einer Pelletiermatrize und einer Presswalze in Öffnungen in der Pelletiermatrize gepresst. Die Öffnungen sind gebildet durch Durchbrechungen, insbesondere durchgehende Bohrungen, durch die die Pressmasse hindurchgepresst (verpresst) wird und ihre Querschnittsform entsprechend dem Formquerschnitt der Durchbrechung erhält.

Ringförmige Pelletiermatrizen werden im folgenden auch als Pelletier-Matrizenringe, Pressmatrizenringe oder Matrizenringe bezeichnet. Es sind zwei Grundformen von Ma- trizenringen bekannt: Ein gewöhnlich vertikal anzuordnender Matrizenring mit von einer radial inneren Ringfläche durch den Ring zu einer radial äußeren Ringfläche verlaufenden Bohrungen wirkt im Einsatz mit Walzen, als Kollerrollen bezeichnet, zusammen, die an der umlaufenden Innenfläche des Matrizenrings abrollen. Die Bohrungen können beispielsweise radial durch den Ring verlaufen. Eine flache, ringförmige Press- matrize mit Bohrungen, die von einer Ringscheibenfläche zu einer in Ringachsenrichtung gegenüberliegenden Ringscheibenfläche durch den Ring verlaufen, wirkt im Einsatz mit Walzen (Kollerrollen) zusammen, die an einer der Ringscheibenflächen der Pressmatrize abrollen. Die Bohrungen können beispielsweise achsparallel zur gedachten Ringachse (Rotationsachse oder Symmetrieachse) durch den Ring verlaufen. Pelletiermatrizen unterliegen einer hohen abrasiven Verschleißbeanspruchung und müssen regelmäßig ersetzt werden. Die Lebensdauer oder Standzeit üblicher Matrizen kann beispielsweise wenige Tage bis wenige Monate betragen, abhängig vom zu verarbeitenden Material und der Produktionsleistung. Die Anforderungen sind hoch hinsichtlich der Druckbelastbarkeit und der Verschleißbeständigkeit insbesondere am Öffnungsrand der Durchbrechungen.

Weitere, konkurrierende Anforderungen ergeben sich daraus, dass bei der Herstellung der Pelletiermatrize eine hohe Anzahl von Durchbrechungen in die Pelletiermatrize eingebracht werden muss. Hier ist eine gute Bearbeitbarkeit des Matrizenmaterials zur Erhöhung der Standzeiten der Werkzeuge von hoher Bedeutung.

Als Werkstoff für Matrizenringe für Pelletiermaschinen ist ein korrosionsbeständiger, martensitischer Chromstahl unter der Bezeichnung X46Crl3, Werkstoffnummer 1.4034, bekannt. Ein nichtrostender Stahl mit dieser Bezeichnung hat eine Zusammensetzung (in Gew.-%) aus 0,43 bis 0,50 C, max. 1,00 Si, bis zu 1,00 Mn, max. 0,040 P, bis zu 0,030 S, 12,5 bis 14,5 Cr, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Für spanend zu bearbeitende Erzeugnisse wird für diesen Stahl ein Anteil von Schwefel (S) von 0,015 bis 0,030 Gew.-% empfohlen.

Weiter ist als Werkstoff für Pelletiermatrizen ein Stahl mit der Bezeichnung 51CrV4 bekannt. Ein Einsatzstahl mit dieser Bezeichnung hat eine Zusammensetzung (in Gew.- %) aus 0,47 bis 0,55 C, max. 0,40 Si, 0,70 bis 1,10 Mn, max. 0,025 P, bis zu 0,025 S, 0,90 bis 1,20 Cr, 0,10 bis 0,25 V, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Weiter ist als Werkstoff für Pelletiermatrizen ein Stahl mit der Bezeichnung 20MnCr5 bekannt. Ein Vergütungsstahl mit dieser Bezeichnung hat eine Zusammensetzung (in Gew.-%) aus 0,17 bis 0,22 C, max. 0,40 Si, 1,10 bis 1,40 Mn, max. 0,025 P, bis zu 0,035 S, 1,00 bis 1,30 Cr, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. EP 1 052 304 AI beschreibt einen martensitischen Chromstahl für Glasformteile oder Kunststoffformen, mit einer Zusammensetzung (in Gew.-%) aus 0,2 bis 0,4 C, 0,15 bis 0,5 Si, 0,15 bis 0,6 Mn, 12,0 bis 15,0 Cr, max. 0,28 Ni, 0,05 bis 0,19 N, Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei das Verhältnis C/N über einem Wert von 2,0 liegt. Dadurch soll bei einer mit 17%igen Cr-Stählen vergleichbaren Korrosionsbeständigkeit des wärmebehandelten Werkstoffes die Härte erhöht sein und das Langzeit- Anlaßverhalten verbessert sein, und es soll eine homogene Mikrostruktur und eine besonders gute Po- lierbarkeit gegeben sein. Besonders günstige Eigenschaften sollen erreicht werden, wenn die Konzentration an Kohlenstoff 0,25 bis 0,30 Gew.-% beträgt. Der beschriebene Chromstahl ist auf hohe Arbeitstemperaturen eines Formteils, jedoch nicht auf eine hohe Beständigkeit gegen abrasive Verschleißbeanspruchung ausgerichtet.

EP 0 721 995 A2 beschreibt eine chromhaltige, martensitische Eisenbasislegierung für thermisch vergütete Kunststoffformen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und/oder Hochglanzpolierbarkeit, bestehend aus (in Gew.-%) 0,25 bis 1,0 C, bis 1,0 Si, bis 1,6 Mn, 0,10 bis 0,35 N, bis 1,0 AI, bis 2,8 Co, 14,0 bis 25,0 Cr, 0,5 bis 3,0 Mo, bis 3,9 Ni, 0,04 bis 0,4 V, bis 3,0 W, bis 0,18 Nb, bis 0,20 Ti, wobei die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff einen Wert von 0,5 bis 1,2 ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Die Konzentration von Chrom beträgt vorzugsweise 16,0 bis 19,0 Gew.-%, die Konzentration von Molybdän beträgt vorzugswei- se 0,8 bis 1,5 Gew.-%. Die Eisenbasislegierung enthält beispielsweise 0,02 bis 0,45 Gew.-%, vorzugsweise 0,20 bis 0,30 Gew.-% Schwefel. Die beschriebene Eisenbasislegierung ist darauf ausgerichtet, eine weitgehend isometrische Maßänderung bei einer Wärmebehandlung eines Formteils zu erreichen, und sie enthält Mindestanteile von 0,5 Gew.-% Molybdän und 0,04 Gew.-% Vanadium. JP H 07 278 758 A beschreibt einen rostfreien Stahl für Motordichtungen, enthaltend (in Gew.-%) 0,1 - 0,5 % C, bis 2 % Si, bis 5 % Mn, 11 - 18 % Cr, bis 0,01 % S, bis 0,01 % O, 0,01 - 0,2 % N, und bis 0,0005 % H.

Bei der Herstellung von Pelletiermatrizen für Massenprodukte ist eine hohe Wirtschaftlichkeit in zweierlei Hinsicht wichtig: Zum einen ist eine verbesserte Standzeit der Pel- letiermatrizen wünschenswert. Zum anderen ist eine wirtschaftliche Herstellung der Pelletiermatrizen wünschenswert, und somit insbesondere eine hohe Standzeit der Werkzeuge zur Herstellung der Pelletiermatrizen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stahl zur Verfügung zu stellen, der eine ver- besserte Eignung für einer starken abrasiven Verschleißbeanspruchung ausgesetzte ringförmige Maschinenteile hat und dabei dennoch eine gute Bearbeitbarkeit während der Herstellung der Maschinenteile aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Chromstahl, bestehend aus einer Legierung in Gew.-% von:

0,42 % bis 0,7 % Kohlenstoff (C),

wahlweise bis zu 1,0 % Silizium (Si),

wahlweise bis zu 2,0% Mangan (Mn),

12 % bis 15 % Chrom (Cr),

wahlweise bis zu 0,5 % Nickel (Ni),

wahlweise bis zu 0,25 % Molybdän (Mo),

0,08 % bis 0,20 % Stickstoff (N),

wahlweise bis zu 0,05 % Aluminium (AI),

wahlweise bis zu 0,05 % Niob (Nb),

wahlweise bis zu 0,05 % Titan (Ti),

wahlweise bis zu 0,10 % Vanadium (V),

0,015 % bis 0,050 % Schwefel (S),

Rest Eisen (Fe) und erschmelzungsbedingte, d.h. unvermeidbare, Verunreinigungen.

Somit können beispielsweise Silizium, Mangan, Nickel, Molybdän, Aluminium, Niob, Titan und Vanadium jeweils optional enthalten sein, insbesondere als unvermeidbare Verunreinigung, mit der jeweiligen Maßgabe, dass der jeweilige Gehalt auf den jeweils angegebenen maximalen Gehalt beschränkt ist. Der Stahl mit der beanspruchten Zusammensetzung hat im weichgeglühten Zustand eine geringe Härte und damit eine gute Eignung für die spanende Bearbeitung, und er hat nach Härten oder Vergüten eine hohe Härte und Zähigkeit.

Gegenüber dem Stahl 51CrV4 zeichnet sich der hier beanspruchte Werkstoff durch sei- ne Korrosionsbeständigkeit insbesondere bei der Verwendung für Pelletiermatrizen aus.

Gegenüber dem Stahl 20MnCr5 zeichnet sich der hier beanspruchte Werkstoff durch seine Korrosionsbeständigkeit und seine höhere Härte insbesondere bei der Verwendung für Pelletiermatrizen aus.

Gegenüber dem Stahl X46Crl3 wird der Vergütungsprozess bei der angegebenen Zusammensetzung im wesentlichen nicht beeinträchtigt und führt bei gleicher Anlasstemperatur zu einer Steigerung sowohl der Härte als auch der Zähigkeit.

Eine hohe Härte und zugleich eine hohe Zähigkeit des Matrizenmaterials nach Vergüten ist in Kombination insbesondere für eine gute Verschleißbeständigkeit vorteilhaft, auch als Verschleißfestigkeit bezeichnet. Die Verschleißbeanspruchung einer Pelletiermatrize ist sowohl durch Abrasion als auch durch starke Scherkräfte gekennzeichnet. Während der Widerstand gegen Abrasion durch eine erhöhte Härte gesteigert werden kann, verbessern erhöhte Zähigkeitswerte den Widerstand gegen Abscheren bei Pressvorgängen. Die Standzeiten einer Pelletiermatrize können somit erhöht werden. Zugleich ist eine gute Bearbeitbarkeit des Matrizenmaterials im weichgeglühten Zustand, insbesondere eine geringe Härte, zur Erhöhung der Standzeiten der Werkzeuge bei der Herstellung der Pelletiermatrizen von großem Vorteil.

Außerdem ist eine gute Bearbeitbarkeit für die erzielbaren Gleiteigenschaften der Seitenwand der Durchbrechungen vorteilhaft. Eine verminderte Reibung in den Durchbrechungen führt bei der Pelletierung zu einer geringeren Erzeugung unerwünschter Wär- me und zu einer Verringerung des Energieaufwands.

Schließlich trägt der Stickstoffgehalt auch, wenngleich in geringem Maße, zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit durch Passivierung der Oberflächenschicht bei. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung hat den besonderen Vorteil, dass die miteinander konkurrierenden, für die Herstellung von Pelletiermatrizen gewünschten verbesserten Eigenschaften ohne Zulegierung kostenintensiver Legierungselemente, wie Molybdän oder Vanadium, erzielt werden können, und damit bei einem Gehalt an Molyb- dän von 0 bis 0,25 Gew.-%, und einem Gehalt an Vanadium, der vorzugsweise kleiner als 0,10 Gew.-% ist. Diese Eigenschaft ist für die Anwendung für Pelletiermatrizen für Massenprodukte von erheblicher Bedeutung. Denn es ist nicht nur eine verbesserte Standzeit der Pelletiermatrizen, sondern bei deren Ersatz auch eine hohe Wirtschaftlichkeit der (Neu-)Herstellung notwendig.

Wenn Molybdän und/oder Vanadium in der Zusammensetzung der Legierung enthalten sind, können ihre Gehalte beliebig gering sein. Beispielsweise kann der Gehalt an Molybdän 0,01 Gew.-% oder weniger betragen, und/oder der Gehalt an Vanadium kann 0,01 Gew.-% oder weniger betragen.

Durch einen Anteil von Chrom von 12 bis 15 Gew.-% ist der Stahl korrosionsbeständig in normalen Luftatmosphären. Bei einem Gehalt an Kohlenstoff von 0,42 bis 0,70 Gew.-% ist der Stahl gut härtbar und weist dann als martensitischer Chromstahl eine hohe Verschleißbeständigkeit auf. Gegenüber einer Verringerung des Kohlenstoffgehalts, die mit einer Erhöhung der Zähigkeit, aber auch mit einer Verminderung der Härte und einer Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften bei abrasivem Verschleiß verbunden wäre, wird durch die angegebene Zusammensetzung eine hohe Härte und eine hohe Zähigkeit erreicht. Besonders gute Eigenschaften werden bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,43 bis 0,55 Gew.-% erreicht. Der Gehalt an Chrom ist vorzugsweise 13 bis 14 Gew.-%.

Gegenüber dem Stahl X46Crl3 wird durch ein Zulegieren von Stickstoff zum Erreichen der angegebenen Zusammensetzung mit einem Anteil von Stickstoff von 0,08 bis 0,20 Gew.-% eine Erhöhung der Härte und der Zähigkeit (Kerbschlagzähigkeit) erreicht. Besonders gute Eigenschaften ergeben sich bei einem Anteil von Stickstoff von 0,09 bis 0,12 Gew.-%, wobei der Aluminiumgehalt weniger als 0,05 Gew.-% betragen sollte. Die Erhöhung der Härte durch den Stickstoffanteil wirkt sich kaum negativ auf die Stärke der Seigerungen aus, anders als dies bei einer Erhöhung der Härte durch eine weitere Steigerung des Kohlenstoffgehalts der Fall wäre. Als Nebeneffekt des Stickstoff-Anteils wird eine leicht erhöhte Korrosionsbeständigkeit erreicht. Dies spiegelt sich wieder in einer Erhöhung der PREN-Zahl (Pitting Resistance Equivalent Number) um mindestens einen Wert von etwa 1,5 (genauer, im Bereich 1,28 bis 3,2). Die PREN- Zahl berechnet sich aus den Gehalten von Cr, Mo und N in Gew.-% durch

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N. (1)

Der Gehalt an Schwefel ist 0,015 bis 0,050 Gew.-%, vorzugsweise 0,020 bis 0,035 Gew.-%. Dadurch ist bei der angegebenen Zusammensetzung der Stahl im weichgeglühten Zustand gut bearbeitbar, insbesondere durch spanende Bearbeitung, z.B. in Form von Drehen, Fräsen und/oder Bohren.

Bei der angegebenen Zusammensetzung sollten die Gehalte an Niob und Titan jeweils kleiner als 0,05 Gew.-% sein, um die Zähigkeit des Werkstoffs nicht durch Karbonitri- dausscheidungen zu beeinträchtigen. Wenn Niob und/oder Titan in der Zusammensetzung der Legierung enthalten sind, können ihre jeweiligen Gehalte auch 0,001 Gew.-% oder weniger betragen.

Der Gehalt an Mangan beträgt vorzugsweise wenigstens 0,20 Gew.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 0,7 Gew.-%. Der Gehalt an Mangan beträgt maximal 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,7 bis 1,5 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,7 bis 1 Gew.-%. Silizium kann wahlweise zugesetzt werden, da ein Gehalt von beispielsweise wenigstens 0,10 Gew-.% vorteilhaft zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahls sein kann.

Aluminium kann wahlweise zugesetzt werden, da ein Gehalt von beispielsweise wenigstens 0,005 Gew-.% an Aluminium vorteilhaft zum Erreichen der gewünschten Eigen- Schäften eines erfindungsgemäßen Stahls sein kann. Wenn Nickel in der Zusammensetzung der Legierung enthalten ist, kann sein Gehalt beliebig gering sein. Beispielsweise kann der Gehalt an Nickel 0,05 Gew.-% oder weniger betragen.

Der Stahl hat im weichgeglühten Zustand, beispielsweise in Form eines Ringrohlings für Pelletiermatrizen, vorzugsweise eine Härte nach Brinell (entsprechend DIN EN ISO 6506-1 :2006-03) von maximal 210 HB, vorzugsweise maximal 200 HB, besonders bevorzugt maximal 190 HB.

Der Stahl wird nach Bearbeitung zur Herstellung der gewünschten Pelletiermatrizen thermisch vergütet.

Im vergüteten Zustand, inbesondere nach Vergüten mit Anlassen bei 250°C Anlasstemperatur, hat der Stahl vorzugweise eine Härte nach Rockwell von mindestens 45 HRC, vorzugsweise mindestens 50 HRC.

Im vergüteten Zustand, insbesondere nach Vergüten mit Anlassen bei 250°C Anlasstemperatur, hat der Stahl vorzugweise eine Kerbschlagzähigkeit entsprechend einer Schlagbiegearbeit (entsprechend SEP 1314: 1999-04) bei Raumtemperatur von mindestens 20 J, vorzugsweise mindestens 30 J.

Der Stahl ist im weichgeglühten Zustand besonders geeignet Ringrohlinge, insbesondere Ringrohlinge für Matrizenringe für Pelletierpressen. Rohlinge in Ringform, insbesondere mit rechteckigem Ringquerschnitt und insbesondere nahtlos gewalzt, lassen sich beispielsweise herstellen mit den folgenden Dimensionen: Außendurchmesser von wenigstens 20 cm, insbesondere wenigstens 30 cm; Außendurchmesser von beispielsweise maximal 300 cm, insbesondere maximal 160 cm; Wandstärke (Stärke in radialer Richtung) von beispielsweise bis zu 50 cm; Höhe (Stärke in Richtung der Ringachse) von beispielsweise bis zu 55 cm, insbesondere bis zu 50 cm; Höhe von beispielsweise wenigstens 3 cm. . C) _

Durch spanende Bearbeitung, insbesondere Drehen, Fräsen und/oder Bohren, lassen sich daraus Matrizenringe mit den gleichen Dimensionen herstellen. Durch Vergüten können Härte und Kerbschlagzähigkeit wie oben angegeben erreicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Versuchsergebnissen näher erläutert. In Tabelle 1 sind untersuchte Werkstoffe mit deren chemischen Zusammensetzungen (in Gew.-%) angegeben.

Tab. 1

Die Legierung 1 entspricht der Zusammensetzung gemäß DIN EN 10088 für den Werkstoff mit der Kurzbezeichnung X46Crl3 und Werkstoffnummer 1.4034, wobei ein Schwefelgehalt von etwa 0,026 Gew.-% für spanend zu bearbeitende Erzeugnisse eingestellt wurde.

Die Legierung 2 hat eine erfindungsgemäße Zusammensetzung, wobei verglichen mit der Legierung 1 im wesentlichen lediglich der Gehalt an Stickstoff durch gezieltes Hin- zulegieren auf einen Wert von 0,10 Gew.-% eingestellt wurde.

In Tabelle 2 sind Messwerte und Kennzahlen der Eigenschaften der Legierungen aus Tabelle 1 nach einer Vergütungsbehandlung bei 1005°C mit Luftabkühlung und Anlassen bei 250°C im Laborofen dargestellt. Diese Behandlung entspricht einer beispielhaften, vergleichenden Wärmebehandlung. Bei der Herstellung von Pelletiermatrizen kann je nach Fertigungstechnologie des Matrizenherstellers davon abgewichen werden. Tab. 2

Angegeben sind jeweils die gemessene Härte nach Rockwell in HRC (entsprechend EN ISO 6508-1 : 1999), die gemessene Schlagbiegearbeit (SBA) in Joule (entsprechend SEP 1314: 1999-04) bei Raumtemperatur und die errechnete PREN -Zahl nach obiger Gleichung (1).

Die Untersuchungsergebnisse zeigen beispielhaft, dass durch gezielte Einstellung des Stickstoffgehalts bei ansonsten im wesentlichen unveränderter Zusammensetzung sowohl eine Erhöhung der Härte als auch eine wesentlichen Erhöhung der Schlagbiegearbeit, also der Zähigkeit, des vergüteten Stahls erreicht wird. Dabei bleibt die Bearbeit- barkeit, d.h. die Eignung zur spanenden Bearbeitung des Stahls im weichgeglühten Zustand im wesentlichen gleich.

Die Legierung 2, oder eine Legierung mit anderer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, kann zur Herstellung eines Matrizenrings für Pelletierpressen verwendet werden. Zur Herstellung eines vertikal anzuordnenden Matrizenrings mit radial durch den Ring verlaufenden Bohrungen wird ein nahtlos gewalzter Ringrohling im weichgeglühten Zustand auf die gewünschten Endmaße gedreht/gefräst, und die Bohrungen werden eingebracht. Der fertig bearbeitete Ring wird vergütet und erhält so seine hohe Härte und Zähigkeit. Eine flache ringförmige Pressmatrize mit achsparallel zum Ring durch den Ring verlaufenden Bohrungen wird in entsprechender Weise hergestellt. Ein Härtungseffekt kann auch durch Randschichtbehandlungen wie Nitrieren oder Aufkohlung erfolgen. Der damit notwendige zusätzliche Prozessschritt verschlechtert jedoch die Wirtschaftlichkeit der Herstellung, insbesondere für Pelletiermatrizen. Zudem sind Pelletiermatrizen einem fortwährenden, vor allem abrasiven Verschleiß ausgesetzt. Die dabei abgetragene Randschicht erhöht demzufolge nur kurzzeitig die Verschleißbeständigkeit. Im Gegensatz dazu behält der hier vorgestellte Werkstoff durch seine Legierungsbestandteile seine Eigenschaften über den Werkstückquerschnitt bei.