Hartmetalldüsen und Verschleißteile: warum die Standzeit über den Preis entscheidet

Düseneinsätze, Buchsen, Hülsen und Ventilsitze aus WC-Co: wie ein Verschleißteil abträgt, was dieser Abtrag mit dem Prozess macht, lange bevor das Teil ausfällt, und warum die günstigste Position auf der Rechnung im Betrieb meist die teuerste ist.

In jedem Werk gibt es eine Schublade mit Teilen, an die niemand denkt. Düsenspitzen, Führungsbuchsen, Plungereinsätze, Ventilsitze. Sie werden kartonweise bestellt, vom Bediener gewechselt und in keiner Besprechung erwähnt, und doch entscheiden gerade sie darüber, ob eine Anlage ihr Prozessfenster von Schicht zu Schicht hält.

Hydroforce fertigt diese Bauteile aus Hartmetall über eine vollständige eigene pulvermetallurgische Kette: Pulvermischung, Pressen, Vakuumsintern und Diamantschleifen unter einem Dach. Was Hartmetall ist und wie wir es herstellen, steht auf unserer Seite zu Hartmetallen. Dieser Beitrag behandelt das, was sonst nirgends festgehalten wird: was mit einem Verschleißteil im Einsatz tatsächlich passiert und wie man es so auslegt, dass nicht nur das Teil, sondern auch der Prozess überlebt.

Das Paradox des Verschleißteils

Ein Verschleißteil wird gekauft, um zerstört zu werden. Damit taugt die übliche Einkaufslogik, Stückpreise zu vergleichen und den niedrigeren zu nehmen, hier wenig, denn der Stückpreis ist die kleinste Zahl in der Rechnung.

Was ein Düsenwechsel wirklich kostet:

• Die Anlage steht still. In einer Strahlkabine dauert der Wechsel eines Mischrohrs Minuten, an einem Bohrwerkzeug oder einer Hochdruckpumpe kann er Stunden dauern.
• Jemand muss ihn ausführen, und das ist Facharbeitszeit und nicht der Preis auf dem Teil.
• Der Prozess verschiebt sich. Eine neue Düse verhält sich anders als die ausgebaute, also setzen Durchsatz, Abdeckung und Verbrauch an einem anderen Punkt neu an.
• Zwischen den Wechseln driftet die Qualität. Das ist der teure Posten auf dieser Liste, und es ist der, den niemand sieht.

Gemessen daran ist der Preisunterschied zwischen einem Stahleinsatz und einem Hartmetalleinsatz ein Rundungsfehler. Eine gehärtete Stahldüse im Strahlmittelstrom hält vielleicht eine Schicht. Eine Düse aus Wolframkarbid läuft mit demselben Strahlmittel mehrere hundert Stunden. Der Abstand beträgt ein bis zwei Größenordnungen, und er wirkt auf die Stillstandszeit, nicht auf das Ersatzteilbudget.

Wie eine Düse tatsächlich ausfällt

Die meisten Spezifikationen behandeln eine Düse als Teil, das irgendwann bricht. Strahldüsen brechen so gut wie nie. Sie tragen von innen ab, gleichmäßig und unsichtbar, und arbeiten dabei die ganze Zeit weiter.

Während sich die Bohrung öffnet, geschehen vier Dinge gleichzeitig:

• Die Austrittsgeschwindigkeit sinkt, weil derselbe Vordruck nun einen größeren Querschnitt speist. Reinigungsleistung, Schnittleistung und Aufprallenergie gehen mit zurück.
• Der Verbrauch steigt. Ein weiterer Querschnitt lässt mehr Luft, mehr Wasser und mehr Strahlmittel für dieselbe Arbeit durch, die Rechnung für Verbrauchsmittel klettert also, während die Leistung in die andere Richtung geht.
• Das Strahlbild franst aus. Beim Schneiden zeigt sich das an der Kantenqualität, bei der Oberflächenvorbereitung an ungleichmäßiger Abdeckung.
• Nichts schlägt Alarm. Es gibt kein Geräusch, keine Leckage und keinen Fehlercode, also gleicht der Bediener das aus, indem er langsamer arbeitet, und der Verlust verschwindet in der normalen Streuung.

Bis das jemand bemerkt, kostet das Teil längst Geld. Deshalb werden Düsen nach gemessenem Bohrungsdurchmesser gewechselt und nicht nach Aussehen oder nach einem Datum im Wartungsplan.

Was das Aufweiten der Bohrung kostet

Beim Trockenstrahlen lässt sich die ganze Kette am klarsten zeigen, und die Zahlen dazu sind veröffentlicht.

Nehmen wir eine Standarddüse Nr. 4 mit 1/4 Zoll (6,35 mm) Bohrung. Neu lässt sie bei 100 psi rund 81 CFM durch. Auf 5/16 Zoll (7,9 mm) verschlissen, also 1,6 mm mehr und mit bloßem Auge nicht zu erkennen, braucht dieselbe Düse etwa 137 CFM, um dieselben 100 psi zu halten. Der Luftbedarf ist um fast 70 % gestiegen, und der Kompressor wurde nach dem ursprünglichen Wert ausgelegt.

Daraus folgt eines von zwei Dingen. Entweder der Kompressor hält mit, und die Energierechnung steigt still um diesen Betrag. Oder er hält nicht mit, und stattdessen fällt der Druck. Veröffentlichte Angaben beziffern den Leistungsverlust bei einem Abfall von 100 auf 80 psi auf etwa die Hälfte.

Vom Standplatz des Bedieners aus ist davon nichts zu sehen. Die Düse sieht in Ordnung aus, das Manometer steht etwas tiefer, und die Arbeit dauert einfach länger.

Veröffentlichte Wechselgrenzen liegen je nach Praxis zwischen 0,8 und 1,6 mm Aufweitung, was ein hinreichend enges Band ist, um damit zu arbeiten. Bohrung messen, Grenze festlegen, nach der Zahl wechseln. Hartmetall nimmt Ihnen diese Disziplin nicht ab, es dehnt den Abstand zwischen zwei Messungen von Stunden auf Wochen.

Beim Wasserstrahlschneiden läuft es in anderem Maßstab genauso. Ein Fokussierrohr weitet sich um rund 2,5 µm je Schnittstunde, der Strahl wird mit ihm breiter, und deshalb fand eine Untersuchung an ausgemusterten Rohren rund 85 % davon wegen Verschleiß aussortiert und nicht wegen Bruch. Das Rohr fällt nicht aus. Es läuft aus der Toleranz.

Was Hartmetall bringt und wo es aufhört

Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff aus harten Wolframkarbidkörnern in einem metallischen Binder, meist Kobalt. Die Härte liegt üblicherweise zwischen 1.400 und 2.000 HV, deutlich über allem, was ein gehärteter Stahl erreicht, während der Binder genug Zähigkeit im Teil hält, damit es normale Handhabung und echte Schläge übersteht.

Für ein Verschleißteil ist das nahezu die ideale Kombination. Hartmetall ist allerdings kein einheitlicher Werkstoff, und es gibt Einsatzfälle, in denen es die falsche Wahl ist.

Zwei Grenzen gehören klar benannt. Gegenüber Stahl ist Hartmetall spröde, es hält Erosion hervorragend und punktuelle Schläge schlecht aus, und ein heruntergefallenes Teil oder eine schlecht abgestützte Passung bricht dort aus, wo Stahl nur eine Delle bekommen hätte. In sauren Medien wird der Kobaltbinder ausgelaugt, bevor die Karbidkörner überhaupt angegriffen werden, der Ausfall ist also chemischer und nicht mechanischer Natur und mit Härte nicht zu beheben. Beides regelt man bei der Auslegung des Teils und nicht später im Feld.

Es gibt härtere Keramiken. Siliciumkarbid und Borkarbid übertreffen Wolframkarbid in Strahldüsen deutlich in der Standzeit, und bei reiner Erosion in geschützter Fassung sind sie die bessere Antwort. Wolframkarbid behauptet seinen Platz überall dort, wo das Teil außerdem zäh sein, Druck tragen, eine geschliffene Oberfläche halten oder gelötet beziehungsweise eingepresst in einer Baugruppe sitzen muss, und das trifft auf den größten Teil dessen zu, was in Maschinen verbaut wird.

Die Teile, die niemand sorgfältig genug festlegt

Düsen bekommen Aufmerksamkeit, weil ihr Verschleiß sichtbar ist. Der Rest des Verschleißsatzes wird meist von einer alten Zeichnung übernommen und nie wieder angesehen.

Buchsen und Führungshülsen. Ob eingepresst oder gleitend eingesetzt, sie geben die Ausrichtung für alles vor, was danach kommt. Eine unrund verschlissene Stahlbuchse zeigt sich als Qualitätsproblem an ganz anderer Stelle, und man sucht die Ursache wochenlang am falschen Ort.

Ventilsitze und Ventilkegel. In Hochdrucksystemen bekommt der Sitz Erosion und wiederholten Aufsetzschlag zugleich ab. Das ist der Mischfall in Reinform: Härte allein bricht aus, Zähigkeit allein erodiert.

Dichtringe und Gleitringflächen. Hier arbeitet die geschliffene Oberfläche und nicht der Werkstoff an sich. Diamantgeschliffenes Hartmetall hält Ra 0,1–0,4 µm und hält es weiter, wodurch die Dichtfläche über das ganze Wartungsintervall berechenbar bleibt und nicht nur zu dessen Beginn.

Plungereinsätze und Hülsen. In Hochdruckpumpen treffen abrasives Medium und oszillierender Kontakt auf dieselbe Fläche. Die übliche Lösung ist ein Hartmetalleinsatz im Stahlkörper, sodass die Verschleißfläche aus Hartmetall besteht und die Struktur aus Stahl bleibt.

Drossel- und Blendeneinsätze. Ein Bauteil, dessen Funktion über einen Durchgangsdurchmesser definiert ist, fällt per Definition dann aus, wenn sich dieser Durchmesser ändert. Überall, wo in einem abrasiven oder erosiven Strom gedrosselt wird, bestimmt der Werkstoff des Einsatzes, wie lange die Durchflusskennlinie dort bleibt, wo sie ausgelegt wurde, und wie oft jemand hineingehen und sie zurücksetzen muss.

Über den Rest entscheiden Geometrie und Fassung

Auf die Werkstoffwahl entfällt etwa die Hälfte des Ergebnisses. Die andere Hälfte sind konstruktive Details, die uns in einer Anfrage selten erreichen.

Oberfläche der Bohrung. Eine raue Bohrung gibt der Erosion einen Ansatzpunkt, denn jede Spitze ist eine Stelle, an der das Strahlmittel angreifen kann. Geschliffene und polierte Bohrungen verschleißen langsamer und gleichmäßiger als solche im Sinterzustand.

Einlaufgeometrie. Der konvergente Abschnitt bestimmt, wie sich der Strahl ausbildet. Stimmt er nicht, konzentriert sich der Abtrag auf ein einziges Band, statt sich über die Länge zu verteilen, und die Standzeit sinkt, obwohl am Werkstoff selbst nichts falsch ist.

Rundlauf. Eine außermittige Bohrung verschleißt einseitig, weitet das Strahlbild früh auf und zieht den Prozess vom Sollwert weg, lange bevor die nominelle Durchmessergrenze erreicht ist.

Die Fügestelle. Hier sterben die meisten Hartmetall-Verschleißteile tatsächlich. Der Einsatz überlebt, aber die Lötverbindung gibt nach, oder der Presssitz lässt unter Temperaturwechseln nach, oder der Stahlkörper erodiert rings um eine völlig intakte Hartmetallspitze weg. Übermaß, Lot und Körperwerkstoff gehören zusammen mit dem Einsatz festgelegt und nicht im Nachhinein.

Woher die Teile kommen

Die Pulvermischung legt die Sorte fest. Pressen und Vakuumsintern bei 1.350–1.500 °C legen Dichte und Gefüge fest, wobei das Teil unterwegs um 15–20 % schwindet, was in die Werkzeuge eingerechnet und nicht hinterher korrigiert wird. Diamantschleifen ist das einzige Verfahren, mit dem sich gesintertes Hartmetall überhaupt bearbeiten lässt, und es bringt ein Teil von ±0,15 mm im Sinterzustand auf ±0,01 mm mit Ra 0,1–0,4 µm an den Funktionsflächen. Wo die Beanspruchung kritisch ist, schließt heißisostatisches Pressen die verbleibende Mikroporosität, die der Erosion sonst im Betrieb den ersten Ansatz gäbe.

Weil diese Stufen unter einem Dach liegen, ist der Wechsel einer Sorte, einer Bohrungsgüte oder eines Geometriedetails eine interne Entscheidung und keine Verhandlung über drei Lieferanten mit drei Lieferzeiten.

Jede Charge wird vor der Auslieferung geprüft: Rockwellhärte am fertigen Teil, metallographische Mikroskopie für Korngröße und Binderverteilung, Röntgen auf innere Porosität bei kritischen Bauteilen, Koordinatenmessung unter 3 µm. Verbrauchsteile werden immer wieder bestellt, deshalb zählt vor allem die Gleichmäßigkeit von Charge zu Charge. Eine Düse, die sich anders verhält als die vorige, ist ein Prozessproblem, auch wenn sie für sich genommen die Prüfung besteht.

Die Teile reichen von 0,001 kg bis 300 kg und von Ø 3 mm bis 500 mm, bei Wandstärken bis herunter zu 0,1 mm, in Stückzahlen vom Prototyp bis zur Wiederholserie.

Was Sie uns schicken sollten

Ein Verschleißteil zu kalkulieren erfordert etwas andere Angaben als ein Konstruktionsteil, denn maßgeblich ist die Beanspruchung und nicht die Zeichnung allein:

• Zeichnung oder Muster mit Bohrungsdurchmesser, Geometrie, Funktionsflächen und geforderter Oberfläche.
• Das Medium: was durch das Teil strömt, Art und Korngröße des Abrasivs, Konzentration, Chemie.
• Betriebsbedingungen: Druck, Temperatur, Durchfluss, Dauer- oder Wechselbetrieb.
• Die Einbausituation: Presssitz, Lötung, Gewindekörper, und woraus das Gegenstück besteht.
• Der heutige Stand, also der aktuelle Werkstoff und wie lange er hält. Das ist die nützlichste Zeile in jeder Anfrage, weil sie aus einer abstrakten Spezifikation ein Ziel macht, das wir schlagen können.
• Was „verschlissen“ für Sie heißt, als Bohrungsdurchmesser oder als Leistungsabfall, bei dem das Teil aus der Maschine kommt.

Damit können wir Sorte, Geometrie und Oberfläche vorschlagen und Ihnen offen sagen, wo sich Hartmetall lohnt und wo Ihnen etwas anderes besser dient.

Sie brauchen Hartmetalldüsen, Buchsen oder Verschleißeinsätze für einen konkreten Einsatzfall? Senden Sie Ihre Zeichnungen und Betriebsbedingungen an office@hydroforce.ee, und unser Technikteam meldet sich mit einer Sortenempfehlung und einem Angebot.

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