DE102023206824A1

DE102023206824A1 - Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Strangerzeugers

Info

Publication number: DE102023206824A1
Application number: DE102023206824.9A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Aschbacher; Jürgen Bartl; Marco Ullrich; Karl-Conrad Polzer
Original assignee: Coperion GmbH
Current assignee: Coperion GmbH
Priority date: 2023-07-18
Filing date: 2023-07-18
Publication date: 2025-01-23
Also published as: WO2025016779A1

Abstract

Ein Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen umfasst einen Grundkörper (2) und mindestens ein Verschleißschutzelement (3), das mittels mindestens einer Schicht (10, 12) mindestens eines Hartlot-Werkstoffs (W_H) an dem Grundkörper (2) befestigt ist. Der Strangerzeuger weist eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen, insbesondere von Kunststoffmaterialsträngen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Strangerzeugers zur Erzeugung von Materialsträngen, insbesondere von Kunststoffmaterialsträngen.
Der Einsatz von Strangerzeugern in Granuliervorrichtung ist bekannt. Ein Strangerzeuger dient zur Erzeugung von Materialsträngen, indem das Material beispielsweise mittels eines Extruders durch Kanäle gepresst wird. An dem Strangerzeuger rotieren Granuliermesser, die die erzeugten Materialstränge zu Granulat zerkleinern. Der Strangerzeuger ist aufgrund des strömenden Materials und der Granuliermesser einer hohen mechanischen Beanspruchung unterworfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen zu schaffen, der eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer hat.
Diese Aufgabe wird durch einen Strangerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das mindestens eine Verschleißschutzelement ist mittels mindestens einer Schicht mindestens eines Hartlot-Werkstoffs an dem Grundkörper befestigt. Das mindestens eine Verschleißschutzelement wird somit durch Hartlöten mit dem Grundkörper verbunden. Hierdurch wird zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Verschleißschutzelement eine Hartlöt-Verbindung ausgebildet. Das Ausbilden bzw. Erzeugen der Hartlöt-Verbindung ist bei einer vergleichsweise geringen Temperatur möglich, sodass der Verschleißschutzelement-Werkstoff des mindestens einen Verschleißschutzelements und/oder der Grundkörper-Werkstoff des Grundkörpers nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere verliert der Verschleißschutzelement-Werkstoff nicht an Härte, sodass das mindestens eine Verschleißschutzelement äußerst verschleißfest ist. Der Strangerzeuger weist somit eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer auf.
Das mindestens eine Verschleißschutzelement dient zur Erzeugung der Materialstränge. Das mindestens eine Verschleißschutzelement umfasst mehrere Durchgangsöffnungen. Die Durchgangsöffnungen werden im Betrieb des Strangerzeugers von den Materialsträngen durchströmt. Das mindestens eine Verschleißschutzelement ist an einer einem Granuliermesser zugewandten Seite des Grundkörpers angeordnet. Das mindestens eine Verschleißschutzelement bzw. das jeweilige Verschleißschutzelement ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Vorzugsweise umfasst der Strangerzeuger mehrere Verschleißschutzelemente, die gemeinsam einen Ring oder einen Kreis bilden. Das mindestens eine Verschleißschutzelement ist beispielsweise als Verschleißschutzsegment ausgebildet.
Der Grundkörper-Werkstoff ist insbesondere austenitisch, ferritisch, duplex, martensitisch und/oder nichtrostend. Der Grundkörper-Werkstoff ist insbesondere ein hochlegierter Edelstahl. Der Grundkörper-Werkstoff ist beispielsweise ein Werkstoff entsprechend den Werkstoffdatenblättern 1.4313, 1.4418, 1.4542, 1.4545 oder 1.4548.
Der Grundkörper-Werkstoff umfasst insbesondere mindestens einen der folgenden Bestandteile:

Kohlenstoff C, insbesondere von 0 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, insbesondere von 0,01 Gew.-% bis 0,07 Gew.-%,
Nickel Ni, insbesondere von 0 Gew.-% bis 100 Gew.-%, insbesondere von 1 Gew.-% bis 38 Gew.-%, insbesondere von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%, Chrom Cr, insbesondere von 0 Gew.-% bis 29 Gew.-%, insbesondere von 0,5 Gew.-% bis 26 Gew.-%, insbesondere von 12 Gew.-% bis 17,5 Gew.%,
Molybdän Mo, insbesondere von 0 Gew.-% bis 28 Gew.-%, insbesondere von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, und insbesondere von 1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-%,
Kupfer Cu, insbesondere von 0 Gew.-% bis 67 Gew.-%, insbesondere von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, Mangan Mn, insbesondere von 0 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
Niob Nb, insbesondere von 0 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%, und
Eisen Fe, insbesondere von 1 Gew.-% bis 34 Gew.-%.

Der Grundkörper-Werkstoff ist beispielsweise ein Werkstoff auf Nickelbasis. Dieser Grundkörper-Werkstoff umfasst mindestens einen der folgenden Bestandteile:

Nickel Ni, insbesondere von 38 Gew.-% bis 100 Gew.-%,
Chrom Cr, insbesondere von 0,7 Gew.-% bis 29 Gew.-%,
Molybdän Mo, insbesondere von 2,4 Gew.-% bis 28 Gew.-%,
Kupfer Cu, insbesondere von 1,6 Gew.-% bis 67 Gew.-%, und
Eisen Fe, insbesondere von 1 Gew.-% bis 34 Gew.-%.

Der Verschleißschutzelement-Werkstoff ist insbesondere ein Ferro-Titanit-Werkstoff. Der Verschleißschutzelement-Werkstoff ist insbesondere ausgewählt aus den Werkstoffen Nikro 128 und Nikrodur. Ferro-Titanit ist eine Marke der Deutsche Edelstahlwerke Speciality Steel GmbH & Co.KG.
Für eine Härte H des Verschleißschutzelement-Werkstoffs gilt insbesondere 58 HRC ≤ H ≤ 70 HRC, insbesondere 61 HRC ≤ H ≤ 69 HRC, und insbesondere 64 HRC ≤ H ≤ 68 HRC.
Der Verschleißschutzelement-Werkstoff weist insbesondere mindestens einen der folgenden Bestandteile auf:

Titancarbid TiC, insbesondere von 29 Gew.-% bis 34 Gew.-%, insbesondere von 30 Gew.-% bis 33 Gew.-%,
Chrom Cr, insbesondere von 2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere von 13 Gew.-% bis 18 Gew.-%,
Cobalt Co, insbesondere von 7 Gew.-% bis 11 Gew.-%, insbesondere von 8 Gew.-% bis 10 Gew.-%,
Nickel Ni, insbesondere von 1 Gew.-% bis 18 Gew.-%, insbesondere von 2 Gew.-% bis 16 Gew.-%,
Molybdän Mo, insbesondere von 1 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere von 2 Gew.-% bis 7 Gew.-%,
Kohlenstoff C, insbesondere von 0,3 Gew.-% bis 1 Gew.-%, insbesondere von 0,4 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, und
Eisen Fe.

Der Hartlot-Werkstoff ist beispielsweise ein Nicuman- Werkstoff. Nicuman ist eine Marke der Morgan Advances Materials PLC. Der Hartlot-Werkstoff ist beispielsweise Nicuman 23 oder Nicuman 37 (AMS 4764).
Nicuman 23 umfasst beispielsweise 67,5 Gew.-% Kupfer, 23,5 Gew.-% Mangan und 9 Gew.-% Nickel. Nicuman 37 umfasst beispielsweise 52,5 Gew.-% Kupfer, 38 Gew.-% Mangan und 9,5 Gew.-% Nickel.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 2 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Die aus dem Puffer-Werkstoff ausgebildete Zwischenschicht ist zwischen der ersten Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und der zweiten Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs angeordnet. Die erste Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs ist somit mit dem Grundkörper und der Zwischenschicht verbunden, wohingegen die zweite Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs mit der Zwischenschicht und dem mindestens einen Verschleißschutzelement verbunden ist. Die Zwischenschicht reduziert Spannungen in der Hartlöt-Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Verschleißschutzelement. Der Grundkörper-Werkstoff und der Verschleißschutzelement-Werkstoff dehnen sich bei Temperaturänderungen, beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Strangerzeugers, unterschiedlich stark aus. Die hierdurch entstehenden Spannungen werden durch den Puffer-Werkstoff reduziert, wodurch die mechanische Beanspruchung der Hartlöt-Verbindung, des Grundkörpers und/oder des mindestens einen Verschleißschutzelements reduziert wird. Der Hartlot-Werkstoff der ersten Schicht und der Hartlot-Werkstoff der zweiten Schicht können identisch oder unterschiedlich sein.
Der Puffer-Werkstoff umfasst insbesondere mindestens einen der folgenden Bestandteile:

Kupfer Cu, insbesondere mindestens 99 Gew.-%, insbesondere mindestens 99,9 Gew.-%,
Nickel Ni, insbesondere mindestens 99 Gew.-%, insbesondere mindestens 99,9 Gew.-%.

Ein Strangerzeuger nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Dadurch, dass die Schmelztemperatur T_P des Puffer-Werkstoffs größer als die Schmelztemperatur T_H des jeweiligen Hartlot-Werkstoffs ist, schmilzt der Hartlot-Werkstoff bei der Herstellung des Strangerzeugers früher als der Puffer-Werkstoff. Bei der Herstellung des Strangerzeugers kann die Temperatur somit so eingestellt werden, dass der Hartlot-Werkstoff vollständig schmelzflüssig ist, wohingegen der Puffer-Werkstoff lediglich anschmilzt. Hierdurch wird eine optimale Hartlöt-Verbindung zwischen dem Grundkörper-Werkstoff und dem Puffer-Werkstoff sowie zwischen dem Verschleißschutzelement-Werkstoff und dem Puffer-Werkstoff erzielt.
Für eine Schmelztemperaturdifferenz ΔT = T_P - T_H gilt insbesondere: 10°C ≤ ΔT ≤ 1000°C, insbesondere 200°C ≤ ΔT ≤ 800°C, und insbesondere 400°C ≤ ΔT ≤ 600°C.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 4 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Dadurch, dass der Puffer-Werkstoff duktiler als der jeweilige Hartlot-Werkstoff ist, kann sich der Puffer-Werkstoff vergleichsweise besser plastisch verformen und Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Grundkörper-Werkstoffs, des Hartlot-Werkstoffs und/oder des Verschleißschutzelement-Werkstoffs reduzieren. Die Duktilität kann beispielsweise im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Metall) über die Bestimmung der Bruchdehnung und/oder über die Bestimmung der Brucheinschürung ermittelt bzw. quantifiziert werden. Je höher die Duktilität des Werkstoffs ist, desto höher ist die Bruchdehnung und/oder die Brucheinschnürung. Der Puffer-Werkstoff hat somit eine höhere Bruchdehnung und/oder eine höhere Brucheinschnürung als der mindestens eine Hartlot-Werkstoff.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Dadurch, dass die Bruchdehnung des Puffer-Werkstoffs größer als die Bruchdehnung des jeweiligen Hartlot-Werkstoffs ist, ist der Puffer-Werkstoff duktiler als der Hartlot-Werkstoff. Hierdurch kann der Puffer-Werkstoff Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Grundkörper-Werkstoffs, des Hartlot-Werkstoffs und/oder des Verschleißschutzelement-Werkstoffs reduzieren. Für eine Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs gilt insbesondere 10 % ≤ A_P ≤ 180 %, insbesondere 20 % ≤ A_P ≤ 120 %, und insbesondere 30 % ≤ A_P ≤ 70 %. Die Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs wird insbesondere im weichgeglühten Zustand ermittelt. Die Bruchdehnung A_P kann beispielsweise im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Metall) bestimmt werden. Für ein Verhältnis V_A einer Bruchdehnung A_H des jeweiligen Hartlot-Werkstoffs zu der Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs gilt insbesondere: 0,05 ≤ V_A < 1, insbesondere 0,1 ≤ V_A ≤ 0,9, und insbesondere 0,2 ≤ V_A ≤ 0,8.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 6 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Der jeweilige Hartlot-Werkstoff ist insbesondere ein kupferbasierter Werkstoff oder ein silberbasierter Werkstoff. Der Hartlot-Werkstoff umfasst insbesondere nicht die Bestandteile Bor, Silizium, Titan und Kohlenstoff. Vorzugsweise umfasst der mindestens eine Hartlot-Werkstoff mindestens einen der folgenden Bestandteile:

Kupfer Cu, insbesondere von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, insbesondere von 30 Gew.-% bis 80 Gew.-%, und insbesondere von 50 Gew.-% bis 70 Gew.%,
Mangan Mn, insbesondere von 20 Gew.-% bis 40 Gew.-%,
Nickel Ni, insbesondere von 8 Gew.-% bis 10 Gew.-%,
Silber Ag, insbesondere von 10 Gew.-% bis 85 Gew.-%, insbesondere von 20 Gew.-% bis 65 Gew.-%, und insbesondere von 30 Gew.-% bis 50 Gew.%, und
Zink Zn, insbesondere von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-%, und insbesondere von 20 Gew.-% bis 30 Gew.-%.

Der mindestens eine Hartlot-Werkstoff weist bei Normaldruck (1,01325 bar bzw. 1.013,25 hPa) eine Schmelztemperatur T_H auf, wobei insbesondere gilt: 700°C ≤ T_H ≤ 1.000°C, insbesondere 750°C ≤ T_H ≤ 980°C, und insbesondere 800°C ≤ T_H ≤ 960°C.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 7 gewährleistet eine Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Die Dicke D_H gewährleistet eine feste Hartlöt-Verbindung. Die Dicke D_H der mindestens einen Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs ist insbesondere geringer als eine Dicke D_P einer Zwischenschicht eines Puffer-Werkstoffs. Die Dicke D_H ist insbesondere ein Mittelwert der Dicke der jeweiligen Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs. Die Dicke D_H wird beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops bestimmt. Die Dicke D_H einer ersten Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und die Dicke D_H einer zweiten Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs können identisch oder unterschiedlich sein. Die Zwischenschicht des Puffer-Werkstoffs ist insbesondere zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Der Puffer-Werkstoff ermöglicht eine feste Verbindung und eine Reduktion von Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Grundkörper-Werkstoffs, des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und/oder des Verschleißschutzelement-Werkstoffs. Hierfür ist der Puffer-Werkstoff duktiler als der mindestens eine Hartlot-Werkstoff.
Ein Strangerzeuger nach Anspruch 9 gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer. Die Dicke D_P der Zwischenschicht ermöglicht einen Ausgleich von Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Grundkörper-Werkstoffs, des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und/oder des Verschleißschutzelement-Werkstoffs. Die Dicke D_P der Zwischenschicht ist insbesondere größer als eine jeweilige Dicke D_H einer Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs. Die Dicke D_P ist insbesondere ein Mittelwert der Dicke der Zwischenschicht. Die Dicke D_P wird beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops bestimmt.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Strangerzeugers zur Erzeugung von Materialsträngen zu schaffen, der eine hohe Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer hat.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Strangerzeugers. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit mindestens einem Merkmal weitergebildet werden, das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strangerzeuger beschrieben ist. Durch das Aufschmelzen und Abkühlen des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs wird eine Hartlöt-Verbindung zwischen dem Grundkörper und des mindestens einen Verschleißschutzelements erzeugt. Das Erzeugen der Hartlöt-Verbindung erfolgt insbesondere im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Verwendung eines Flussmittels und/oder unter Ausübung einer Anpresskraft auf die Anordnung aus dem Grundkörper, der mindestens eine Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und des mindestens einen Verschleißschutzelements. Die Anpresskraft bezogen auf die Verbindungsfläche beträgt beispielsweise 0,005 N/mm². Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen der Hartlöt-Verbindung im Hochvakuum, insbesondere bei einem Druck von höchstens 10^-3 mbar, insbesondere bei einem Druck von höchstens 10^-4 mbar, und insbesondere bei einem Druck von höchstens 10^-5 mbar.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 gewährleistet die Herstellung eines Strangerzeugers mit einer hohen Verschleißfestigkeit und einer langen Lebensdauer. Vorzugsweise wird für die erste Schicht und die zweite Schicht der gleiche Hartlot-Werkstoff verwendet. Vorzugsweise wird die Anordnung derart hergestellt, dass zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Verschleißschutzelement die erste Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs, die Zwischenschicht des Puffer-Werkstoffs und die zweite Schicht des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs angeordnet sind, sodass der Puffer-Werkstoff zwischen den Schichten des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Puffer-Werkstoff und/oder der mindestens eine Hartlot-Werkstoff als Folie ausgebildet. Hierdurch können die Schichten und/oder die Zwischenschicht in einfacher Weise durch das Anordnen von Folien nebeneinander und/oder übereinander ausgebildet werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 12 gewährleistet die Herstellung eines Strangerzeugers mit einer hohen Verschleißfestigkeit und einer langen Lebensdauer. Die Minimaltemperatur T_min gewährleistet, dass der mindestens eine Hartlot-Werkstoff vollständig aufschmilzt und schmelzflüssig ist. Hierdurch verteilt sich der mindestens eine Hartlot-Werkstoff in optimaler Weise zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Verschleißschutzelement, insbesondere zwischen dem Grundkörper und der Zwischenschicht sowie zwischen der Zwischenschicht und dem mindestens einen Verschleißschutzelement. Die Minimaltemperatur T_min ist insbesondere höher als eine Schmelztemperatur T_H des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und niedriger als eine Schmelztemperatur T_P des Puffer-Werkstoffs. Die Minimaltemperatur T_min gewährleistet, dass der mindestens eine Hartlot-Werkstoff vollständig aufschmilzt und dass eine Oxidschicht des Grundkörpers gelöst wird, sodass der Grundkörper-Werkstoff eine hohe Diffusionsfähigkeit erhält. Das Erhitzen erfolgt bis zu einer Hartlöttemperatur, die zwischen der Minimaltemperatur T_min und einer Maximaltemperatur T_max liegt.
Ein Verfahren nach Anspruch 13 gewährleistet die Herstellung eines Strangerzeugers mit einer hohen Verschleißfestigkeit und einer langen Lebensdauer. Die Maximaltemperatur T_max ist insbesondere höher als eine Schmelztemperatur T_H des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs und niedriger als eine Schmelztemperatur T_P des Puffer-Werkstoffs. Durch die Maximaltemperatur T_max wird vermieden, dass der Puffer-Werkstoff vollständig aufschmilzt. Das Erhitzen erfolgt bis zu einer Hartlöttemperatur, die zwischen der Minimaltemperatur T_min und der Maximaltemperatur T_max liegt.
Ein Verfahren nach Anspruch 14 gewährleistet die Herstellung eines Strangerzeugers mit einer hohen Verschleißfestigkeit und einer langen Lebensdauer. Dadurch, dass die Schmelztemperatur T_P des Puffer-Werkstoffs höher als die Schmelztemperatur T_H des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs ist, wird eine optimale Hartlöt-Verbindung erzielt. Eine Hartlöttemperatur liegt zwischen der Schmelztemperatur T_H und der Schmelztemperatur T_P, sodass der mindestens eine Hartlot-Werkstoff vollständig aufschmilzt, der Puffer-Werkstoff jedoch nicht bzw. nicht vollständig aufschmilzt.
Ein Verfahren nach Anspruch 15 gewährleistet die Herstellung eines Strangerzeugers mit einer hohen Verschleißfestigkeit und einer langen Lebensdauer. Die Hartlöttemperatur T_L wird vorzugsweise mindestens 15 min, insbesondere mindestens 30 min, und insbesondere mindestens 45 min gehalten. Die Hartlöttemperatur T_L wird insbesondere höchstens 120 min gehalten.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen mit einem Grundkörper und daran befestigten Verschleißschutzelementen,
2 einen Schnitt durch den Strangerzeuger entlang der Schnittlinie II-II in 1,
3 eine Detailansicht des Strangerzeugers im Bereich III gemäß 2,
4 eine Detailansicht der Verbindung zwischen dem Verschleißschutzelement und dem Grundkörper im Bereich IV gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Strangerzeugers in 1, und
6 einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur während der Herstellung des Strangerzeugers.

Der in 1 dargestellte Strangerzeuger 1 dient zur Erzeugung von Materialsträngen, insbesondere von Kunststoffmaterialsträngen. Der Strangerzeuger 1 umfasst einen Grundkörper 2 und mehrere daran befestigte Verschleißschutzelemente 3. Der Grundkörper 2 umfasst einen Innenbereich 4, einen Mittelbereich 5 und einen Außenbereich 6.
Der Strangerzeuger 1 umfasst eine erste Seite E, die im Betrieb einem Extruder zugewandt ist, und eine zweite Seite G, die im Betrieb einem Granuliermesser zugewandt ist. Die Verschleißschutzelemente 3 sind an der zweiten Seite G an dem Grundkörper 2 ringförmig angeordnet und befestigt. In den Verschleißschutzelementen 3 sind Durchgangsöffnungen 8 und in dem Grundkörper 2 Durchgangsöffnungen 8' ausgebildet, die jeweils miteinander fluchten. Die Durchgangsöffnungen 8 und 8', bilden Kanäle 7 aus, die von der ersten Seite E zu der zweiten Seite G verlaufen und zur Erzeugung der Materialstränge dienen.
Der Grundkörper 2 ist aus einem Grundkörper-Werkstoff W_G hergestellt. Der Grundkörper-Werkstoff W_G ist beispielsweise ein nichtrostender Edelstahl entsprechend einem der Werkstoffdatenblätter 1.4313, 1.4418, 1.4542, 1.4545 oder 1.4548.
Die Verschleißschutzelemente 3 sind aus einem Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L hergestellt. Der Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L ist beispielsweise ein Ferro-Titanit-Werkstoff. Der Ferro-Titanit-Werkstoff ist insbesondere der Werkstoff Nikro 128 oder der Werkstoff Nikrodur.
Die Verschleißschutzelemente 3 sind mittels einer jeweiligen Hartlöt-Verbindung 9 an dem Grundkörper 2 befestigt. Die Hartlöt-Verbindung 9 ist in 4 veranschaulicht. Die Hartlöt-Verbindung 9 umfasst eine erste Schicht 10 eines Hartlot-Werkstoffs W_H1, eine Zwischenschicht 11 eines Puffer-Werkstoffs W_P und eine zweite Schicht 12 des Hartlot-Werkstoffs W_H2. Die Hartlot-Werkstoffe W_H1 und W_H2 können identisch oder unterschiedlich sein. Die Hartlot-Werkstoffe W_H1 und W_H2 werden nachfolgend allgemein als Hartlot-Werkstoff W_H bezeichnet.
Die erste Schicht 10 weist senkrecht zu einer Oberfläche des Grundkörpers 2 bzw. des jeweiligen Verschleißschutzelements 3 eine erste Dicke D_H1 auf. Entsprechend weist die zweite Schicht 12 senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers 2 bzw. des jeweiligen Verschleißschutzelements 3 eine zweite Dicke D_H2 auf. Es gilt: 0,01 mm ≤ D_H1 ≤ 0,3 mm, insbesondere 0,03 mm ≤ D_H1 ≤ 0,25 mm, und insbesondere 0,05 mm ≤ D_H1 ≤ 0,2 mm. Entsprechend gilt: 0,01 mm ≤ D_H2 ≤ 0,3 mm, insbesondere 0,03 mm ≤ D_H2 ≤ 0,25 mm, und insbesondere 0,05 mm ≤ D_H2 ≤ 0,2 mm. Die Dicken D_H1 und D_H2 können identisch oder unterschiedlich sein.
Die erste Schicht 10 verbindet den Grundkörper 2 mit der Zwischenschicht 11. Die zweite Schicht 12 verbindet die Zwischenschicht 11 mit dem jeweiligen Verschleißschutzelement 3.
Die Zwischenschicht 11 hat senkrecht zu der Oberfläche des Grundkörpers 2 des jeweiligen Verschleißschutzelements 3 eine Dicke D_P, wobei gilt: 0,01 mm ≤ D_P ≤ 2 mm, insbesondere 0,05 mm ≤ D_P ≤ 1,5 mm, und insbesondere 0,1 mm ≤ D_P ≤ 1 mm.
Der Hartlot-Werkstoff W_H weist bei Normaldruck eine Schmelztemperatur T_H auf. Für die Schmelztemperatur T_H gilt insbesondere: 700°C ≤ T_H ≤ 1.000°C, insbesondere 750°C ≤ T_H ≤ 980°C, und insbesondere 800°C ≤ T_H ≤ 960°C. Der Hartlot-Werkstoff W_H ist insbesondere ein Werkstoff auf der Basis von Silber und/oder Kupfer. Der Hartlot-Werkstoff W_H umfasst mindestens einen Bestandteil ausgewählt aus Kupfer, Mangan, Nickel, Silber und Zink. Vorzugsweise ist der Hartlot-Werkstoff W_H der Werkstoff Nicuman 23 oder Nicuman 37 (AMS 4764). Der Werkstoff Nicuman 23 umfasst beispielsweise 67,5 Gew.-% Kupfer, 23,5 Gew.-% Mangan und 9 Gew.-% Nickel. Die Schmelztemperatur von Nicuman 23 beträgt 955°C. Der Werkstoff Nicuman 37 umfasst beispielsweise 52,5 Gew.-% Kupfer, 38 Gew.-% Mangan und 9,5 Gew.-% Nickel. Die Schmelztemperatur T_H von Nicuman 37 beträgt 925°C.
Der Puffer-Werkstoff W_P ist duktiler als der Hartlot-Werkstoff W_H. Der Puffer-Werkstoff W_P hat insbesondere eine Bruchdehnung, die größer als eine Bruchdehnung des Hartlot-Werkstoffs W_H ist. Der Puffer-Werkstoff W_P hat bei Normaldruck eine Schmelztemperatur T_P, wobei gilt: T_P > T_H. Der Puffer-Werkstoff W_P umfasst mindestens einen Bestandteil ausgewählt aus Kupfer und Nickel. Vorzugsweise umfasst der Puffer-Werkstoff W_P mindestens 99,9 Gew.-% Kupfer. Der als Kupfer ausgebildete Puffer-Werkstoff W_P hat bei Normaldruck eine Schmelztemperatur T_P von 1.085°C.
Die Duktilität kann beispielsweise im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Metall) über die Bestimmung der Bruchdehnung und/oder über die Bestimmung der Brucheinschürung ermittelt bzw. quantifiziert werden. Je höher die Duktilität des Werkstoffs ist, desto höher ist die Bruchdehnung und/oder die Brucheinschnürung. Für eine Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs W_P gilt insbesondere 10 % ≤ A_P ≤ 180 %, insbesondere 20 % ≤ A_P ≤ 120 %, und insbesondere 30 % ≤ A_P ≤ 70 %. Die Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs W_P wird insbesondere im weichgeglühten Zustand ermittelt. Die Bruchdehnung A_P kann beispielsweise im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 (Zugversuch Metall) bestimmt werden. Für ein Verhältnis V_A einer Bruchdehnung A_H des Hartlot-Werkstoffs W_H zu der Bruchdehnung A_P des Puffer-Werkstoffs W_P gilt insbesondere: 0,05 ≤ V_A < 1, insbesondere 0,1 ≤ V_A ≤ 0,9, und insbesondere 0,2 ≤ V_A ≤ 0,8.
Bei der Inbetriebnahme des Strangerzeugers 1 bzw. im Betrieb des Strangerzeugers 1 erwärmen sich der Grundkörper 2 und die Verschleißschutzelemente 3 aufgrund des heißen Materials, aus dem Materialstränge erzeugt werden sollen. Der Grundkörper-Werkstoff W_G, der Hartlot-Werkstoff W_H und der Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L dehnen sich in Folge der Erwärmung bzw. der Temperaturänderung unterschiedlich aus, sodass in der Hartlöt-Verbindung 9 Spannungen entstehen. Die Spannungen werden durch die Zwischenschicht 11 aufgenommen und reduziert, sodass die mechanische Beanspruchung der Hartlöt-Verbindung 9 reduziert wird.
Nachfolgend ist die Herstellung des Strangerzeugers 1 beschrieben:

In einem Schritt S₁ werden der Grundkörper 2 sowie die Verschleißschutzelemente 3 bereitgestellt.

In einem nachfolgenden Schritt S₂ wird an der zweiten Seite G des Grundkörpers die erste Schicht 10 des Hartlot-Werkstoffs W_H, darauf die Zwischenschicht 11 des Puffer-Werkstoffs W_P und darauf die zweite Schicht 12 des Hartlot-Werkstoffs W_H angeordnet. Der Hartlot-Werkstoff W_H und der Puffer-Werkstoff W_P sind als Folien ausgebildet. Der Hartlot-Werkstoff W_H hat eine Foliendicke, die der Dicke D_H entspricht. Entsprechend hat der Puffer-Werkstoff W_P eine Foliendicke, die der Dicke D_P entspricht. Auf der zweiten Schicht 12 des Hartlot-Werkstoffs W_H werden abschließend die Verschleißschutzelemente 3 angeordnet.
In einem dritten Schritt S₃ wird die Anordnung aus dem Grundkörper, der ersten Schicht 10 des Hartlot-Werkstoffs W_H, der Zwischenschicht 11 des Puffer-Werkstoffs W_P, der zweiten Schicht 12 des Hartlot-Werkstoffs W_H und der Verschleißschutzelemente 3 auf eine Hartlöttemperatur T_L erhitzt, sodass der Hartlot-Werkstoff W_H vollständig aufschmilzt und schmelzflüssig wird. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise in einem Vakuumofen, also im Vakuum, insbesondere im Hochvakuum. Vorzugsweise wird auf die Verschleißschutzelemente 3 während des Erhitzens eine Anpresskraft ausgeübt. Die Hartlöttemperatur T_L liegt zwischen einer Minimaltemperatur T_min und einer Maximaltemperatur T_max. Es gilt: T_H < T_min ≤ T_L ≤ T_max < T_P. Für die Minimaltemperatur T_min gilt insbesondere: T_min ≥ 980 °C, insbesondere T_min ≥ 1.000 °C, und insbesondere T_min ≥ 1.020 °C. Ferner gilt T_min < T_max. Für die Maximaltemperatur T_max gilt insbesondere: T_max ≤ 1.070 °C, insbesondere T_max ≤ 1.050 °C, und insbesondere T_max ≤ 1.030 °C. Durch die Maximaltemperatur T_max wird sichergestellt, dass von dem Grundkörper-Werkstoff W_G eine Oxidschicht entfernt und der Grundkörper-Werkstoff W_G eine hohe Diffusionsfähigkeit aufweist. Die Haltezeit der Hartlöttemperatur T_L beträgt beispielsweise 30 min.
Dadurch, dass T_P > T_max und T_H < T_min gilt, schmilzt der Hartlot-Werkstoff W_H bei der Hartlöttemperatur T_L vollständig auf, wohingegen der Puffer-Werkstoff W_P lediglich anschmilzt. Hierdurch wird eine optimale Verbindung zwischen dem Grundkörper-Werkstoff W_G und dem Puffer-Werkstoff W_P sowie zwischen dem Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L und dem Puffer-Werkstoff W_P erzeugt.
In einem vierten Schritt S₄ wird die Anordnung abgekühlt, sodass sich der Hartlot-Werkstoff W_H wieder verfestigt und die Hartlöt-Verbindung 9 ausbildet. 6 veranschaulicht den Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Zeit t während des Erhitzens in Schritt S₃ und des Abkühlens in Schritt S₄.
Dadurch, dass die Hartlöttemperatur T_L vergleichsweise niedrig ist, wird der Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L und der Grundkörper-Werkstoff W_G während des Befestigens der Verschleißschutzelemente 3 an dem Grundkörper 2 nicht beeinträchtigt. Der Verschleißschutzelement-Werkstoff W_L der an dem Grundkörper 2 befestigten Verschleißschutzelemente 3 weist eine Härte H auf, wobei insbesondere gilt: 58 HRC ≤ H ≤ 70 HRC, insbesondere 61 HRC ≤ H ≤ 69 HRC, und insbesondere 64 HRC ≤ H ≤ 68 HRC.
Der Strangerzeuger 1 wird in Granuliervorrichtungen eingesetzt, in denen die erzeugten Materialstränge mittels rotierenden Granuliermessern zu Granulat zerschnitten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 6892-1 [0043]

Claims

Strangerzeuger zur Erzeugung von Materialsträngen mit - einem Grundkörper (2) und - mindestens einem Verschleißschutzelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verschleißschutzelement (3) mittels mindestens einer Schicht (10, 12) mindestens eines Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) an dem Grundkörper (2) befestigt ist.
Strangerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper (2) und dem mindestens einen Verschleißschutzelement (3) eine erste Schicht (10) des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2), eine Zwischenschicht (11) eines Puffer-Werkstoffs (W_P) und eine zweite Schicht (12) des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) angeordnet sind.
Strangerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer-Werkstoff (W_P) eine Schmelztemperatur T_P und der mindestens eine Hartlot-Werkstoff (W_H1, W_H2) eine Schmelztemperatur T_H bei Normaldruck haben, wobei gilt: T_P > T_H.
Strangerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer-Werkstoff (W_P) duktiler als der mindestens eine Hartlot-Werkstoff (W_H1, W_H2) ist.
Strangerzeuger nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer-Werkstoff (W_P) eine Bruchdehnung hat, die größer als eine Bruchdehnung des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) ist.
Strangerzeuger nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlot-Werkstoff (W_H1, W_H2) mindestens einen Bestandteil ausgewählt aus Kupfer, Mangan, Nickel, Silber und Zink umfasst.
Strangerzeuger nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (10, 12) des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) jeweils eine Dicke D_H hat, wobei gilt: 0,01 mm ≤ D_H ≤ 0,3 mm, insbesondere 0,03 mm ≤ D_H ≤ 0,25 mm, und insbesondere 0,05 mm ≤ D_H ≤ 0,2 mm.
Strangerzeuger nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer-Werkstoff (W_P) mindestens einen Bestandteil ausgewählt aus Kupfer und Nickel umfasst.
Strangerzeuger nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (11) des Puffer-Werkstoffs (W_P) eine Dicke D_P hat, wobei gilt: 0,01 mm ≤ D_P ≤ 2 mm, insbesondere 0,05 mm ≤ D_P ≤ 1,5 mm, und insbesondere 0,1 mm ≤ D_P ≤ 1 mm.
Verfahren zur Herstellung eines Strangerzeugers zur Erzeugung von Materialsträngen mit den Schritten: - Bereitstellen eines Grundkörpers (2) und mindestens eines Verschleißschutzelements (3), - Herstellen einer Anordnung aus dem Grundkörper (2), dem mindestens einen Verschleißschutzelement (3) und mindestens einem Hartlot-Werkstoff (W_H), der als mindestens eine Schicht (10, 12) zwischen dem Grundkörper (2) und dem mindestens einen Verschleißschutzelement (3) angeordnet ist, - Erhitzen und Aufschmelzen des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2), und - Abkühlen des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) zum Verbinden des Grundkörpers (2) mit dem mindestens einen Verschleißschutzelement (3).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper (2) und dem mindestens einen Verschleißschutzelement (3) eine erste Schicht (10) des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2), eine Zwischenschicht (11) eines Puffer-Werkstoffs (W_P) und eine zweite Schicht (12) des mindestens einen Hartlot-Werkstoffs (W_H1, W_H2) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen mindestens bis auf eine Minimaltemperatur T_min erfolgt, wobei gilt: T_min ≥ 980 °C, insbesondere T_min ≥ 1000 °C, und insbesondere T_min ≥ 1020 °C.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen höchstens bis zu einer Maximaltemperatur T_max erfolgt, wobei gilt: T_max ≤ 1070 °C, insbesondere T_max ≤ 1050 °C, und insbesondere T_max ≤ 1030 °C.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer-Werkstoff (W_P) eine Schmelztemperatur T_P und der mindestens eine Hartlot-Werkstoff (W_H1, W_H2) eine Schmelztemperatur T_H bei Normaldruck haben, wobei gilt: T_P > T_H.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen bis auf eine Hartlöttemperatur T_L erfolgt, wobei gilt: $T_{H} < T_{L} < T_{P} .$