Mondstukken van wolfraamcarbide en slijtonderdelen: waarom levensduur zwaarder weegt dan aanschafprijs

Inzetstukken voor mondstukken, bussen, hulzen en ventielzittingen van WC-Co: hoe een verbruiksonderdeel slijt, wat die slijtage met uw proces doet lang voordat het onderdeel faalt en waarom de goedkoopste regel op de factuur in gebruik meestal de duurste is.

In elke fabriek ligt wel een la met onderdelen waar niemand bij stilstaat. Mondstukpunten, geleidebussen, plunjerinzetstukken, ventielzittingen. Ze worden per doos ingekocht, door de operator vervangen en komen nooit ter sprake in een directievergadering, terwijl ze wel bepalen of een lijn van de ene dienst op de andere binnen het procesvenster blijft.

Hydroforce maakt deze componenten van hardmetaal in een complete, eigen keten voor poedermetallurgie: poeder mengen, persen, vacuümsinteren en diamantslijpen onder één dak. Wat hardmetaal is en hoe wij het maken, leest u op onze pagina over hardmetaal. Dit artikel gaat over het deel dat niemand opschrijft: wat er met een verbruiksonderdeel gebeurt zodra het in bedrijf is en hoe u het zo specificeert dat het proces net zo lang meegaat als het onderdeel.

De paradox van het verbruiksonderdeel

Een slijtonderdeel wordt gekocht om te worden vernietigd. Daardoor is de gebruikelijke inkooplogica, stukprijzen vergelijken en de laagste kiezen, hier vrijwel nutteloos: de stukprijs is het kleinste getal in de som.

Kijk eens wat een mondstukwissel werkelijk kost:

• De lijn staat stil. In een straalcabine duurt het vervangen van een mengbuis enkele minuten; bij een boorgatgereedschap of een hogedrukpomp kan het uren duren.
• Iemand moet het doen, en dat is vakkundige arbeidstijd en niet de prijs van het onderdeel.
• Het proces verschuift. Een nieuw mondstuk gedraagt zich niet zoals het mondstuk dat eruit kwam, dus doorvoer, dekking en verbruik komen allemaal op een ander punt te liggen.
• Tussen twee wissels in loopt de kwaliteit uit de pas. Dat is de duurste post op deze lijst, en de enige die niemand ziet.

Daartegenover is het prijsverschil tussen een stalen inzetstuk en een hardmetalen een afrondingsfout. Een mondstuk van gehard staal houdt het in een schurende straal misschien één dienst vol. Een mondstuk van wolfraamcarbide draait op hetzelfde schuurmiddel honderden uren mee. Het verschil is een tot twee ordes van grootte en komt terecht bij stilstand, niet bij het onderdelenbudget.

Hoe een mondstuk werkelijk faalt

In de meeste specificaties geldt een mondstuk als een onderdeel dat uiteindelijk zal breken. Mondstukken voor schurende toepassingen breken bijna nooit. Ze eroderen van binnenuit, gelijkmatig en onzichtbaar, en blijven werken terwijl dat gebeurt.

Naarmate de boring groter wordt, gebeuren vier dingen tegelijk:

• De uitstroomsnelheid daalt, omdat dezelfde toevoerdruk nu een grotere keel moet voeden. Reinigingssnelheid, snijsnelheid en slagenergie dalen mee.
• Het verbruik stijgt. Een ruimere keel laat voor hetzelfde werk meer lucht, water en schuurmiddel door, dus de kosten voor straalmiddel lopen op terwijl de output juist afneemt.
• Het straalbeeld spreidt uit. Bij snijden is dat terug te zien in de kantkwaliteit, bij oppervlaktevoorbereiding in een ongelijkmatige dekking.
• Er gaat geen alarm af. Er is geen geluid, geen lek en geen foutcode, dus de operator compenseert door langzamer te werken en het verlies verdwijnt in de normale spreiding.

Tegen de tijd dat iemand het merkt, kost het onderdeel al lange tijd geld. Daarom worden mondstukken vervangen op basis van een gemeten boringdiameter en niet op basis van hun uiterlijk of een datum in een onderhoudsplan.

Wat het wijder worden van de boring werkelijk kost

Droogstralen laat de hele cascade duidelijk zien, en de cijfers daarvoor zijn gepubliceerd.

Neem een standaardmondstuk nr. 4 met een boring van 1/4 inch (6,35 mm). Nieuw laat het ongeveer 81 CFM door bij 100 psi. Is het versleten tot 5/16 inch (7,9 mm), een toename van 1,6 mm die met het blote oog niet te zien is, dan heeft hetzelfde mondstuk ongeveer 137 CFM nodig om diezelfde 100 psi te halen. De luchtbehoefte is met bijna 70% gestegen, terwijl de compressor op het oorspronkelijke cijfer is gedimensioneerd.

Er volgt een van twee dingen. Of de compressor houdt het bij, en de energierekening stijgt stilletjes met dat percentage. Of hij houdt het niet bij, en de druk daalt. Gepubliceerde richtlijnen schatten het productiviteitsverlies bij een drukdaling van 100 naar 80 psi op ongeveer de helft.

Niets hiervan is zichtbaar vanaf de plek waar de operator staat. Het mondstuk ziet er goed uit, de manometer wijst iets te laag aan en het werk duurt gewoon langer.

Gepubliceerde vervangingsgrenzen liggen tussen 0,8 en 1,6 mm toename, afhankelijk van welke praktijk u volgt, en dat is een smal genoeg bereik om mee te werken. Meet de boring, kies uw grens en vervang op basis van het getal. Hardmetaal neemt die discipline niet weg, maar het rekt het interval tussen twee metingen op van uren naar weken.

Waterstraalsnijden gedraagt zich op dezelfde manier, alleen in een andere orde van grootte. Een focusbuis wordt per snijuur ongeveer 2,5 µm wijder en de straal wordt daarmee breder. Daarom bleek in één onderzoek naar afgedankte buizen dat circa 85% ervan wegens slijtage en niet wegens breuk buiten gebruik was gesteld. De buis faalt niet. Ze raakt buiten tolerantie.

Wat hardmetaal oplevert, en waar het ophoudt

Hardmetaal is een composiet van harde wolfraamcarbidekorrels in een metallische bindfase, meestal kobalt. De hardheid ligt gewoonlijk tussen 1.400 en 2.000 HV, ver boven wat gehard staal haalt, terwijl de bindfase het onderdeel genoeg taaiheid geeft om echte hantering en echte slagbelasting te overleven.

Voor een verbruiksonderdeel is dat bijna de ideale combinatie. Hardmetaal is echter niet één materiaal, en er zijn toepassingen waarvoor het de verkeerde keuze is.

Twee grenzen verdienen een expliciete vermelding. Hardmetaal is bros vergeleken met staal: het is uitstekend bestand tegen erosie en slecht tegen puntslagen, en een gevallen onderdeel of een slecht ondersteunde bevestiging geeft afsplinteringen waar staal alleen een deuk zou hebben opgelopen. In zure media wordt de kobaltbindfase uitgeloogd voordat de wolfraamcarbidekorrels ook maar worden aangetast, waardoor de uitval chemisch is en niet mechanisch en geen enkele hardheid dat kan verhelpen. Beide punten worden bij het specificeren van het onderdeel aangepakt, niet pas in het veld.

Hardere keramiek bestaat wel. Siliciumcarbide en boorcarbide gaan in straalmondstukken met een flinke marge langer mee dan wolfraamcarbide, en voor zuivere erosie in een beschermde opstelling zijn ze het betere antwoord. Wolfraamcarbide behoudt zijn plaats overal waar het onderdeel ook taai moet zijn, druk moet dragen, een geslepen oppervlak moet behouden of hardgesoldeerd of met een perspassing in een samenstel moet zitten, en dat geldt voor het grootste deel van wat er in werkende machines wordt ingebouwd.

De onderdelen die niemand zorgvuldig genoeg specificeert

Mondstukken krijgen aandacht omdat ze zichtbaar verbruiksonderdelen zijn. De rest van de slijtset wordt meestal overgenomen van een oude tekening en nooit meer bekeken.

Bussen en geleidehulzen. Of ze nu met perspassing of met speling worden gemonteerd, ze bepalen de uitlijning van alles wat erachter ligt. Een stalen bus die ovaal is gesleten, komt als kwaliteitsprobleem ergens heel anders aan het licht en wordt vaak wekenlang op de verkeerde plek gezocht.

Ventielzittingen en -kernen. In hogedruksystemen krijgt de zitting erosie en herhaalde zittingsslagen tegelijk te verwerken. Het is het geval van gemengde belasting in zijn zuiverste vorm: hardheid alleen splintert af, taaiheid alleen erodeert.

Afdichtringen en vlakken van mechanische afdichtingen. Hier doet het geslepen oppervlak het werk en niet het basismateriaal. Met diamant geslepen hardmetaal haalt Ra 0,1–0,4 µm en blijft dat houden, waardoor het afdichtvlak over het hele gebruiksinterval voorspelbaar blijft en niet alleen aan het begin.

Plunjerinzetstukken en -hulzen. In hogedrukpompen komen schurende vloeistof en heen en weer gaand contact op hetzelfde oppervlak samen. Het gebruikelijke antwoord is een hardmetalen inzetstuk in een stalen lichaam, zodat het slijtvlak van hardmetaal is en de constructie van staal blijft.

Smoorinzetstukken en inzetstukken voor stroombeperking. Een component waarvan de functie wordt bepaald door een doorlaatdiameter, faalt per definitie wanneer die diameter verandert. Overal waar in een schurende of eroderende stroom wordt gesmoord, bepaalt het materiaal van het inzetstuk hoe lang de stromingskarakteristiek blijft waar ze is ontworpen en hoe vaak iemand moet ingrijpen om haar te herstellen.

Geometrie en bevestiging bepalen de rest

De materiaalkeuze verklaart ongeveer de helft van het resultaat. De andere helft is ontwerpdetail dat zelden in een aanvraag terechtkomt.

Oppervlaktekwaliteit van de boring. Een ruwe boring geeft erosie een plek om te beginnen, want elke piek is een punt waar het schuurmiddel kan bijten. Geslepen en gepolijste boringen slijten langzamer en gelijkmatiger dan boringen in gesinterde toestand.

Inlaatgeometrie. Het convergerende deel bepaalt hoe de schurende straal zich vormt. Als dat niet klopt, concentreert de slijtage zich in één band in plaats van zich over de keel te verdelen, en dat verkort de levensduur zonder dat er iets mis is met het materiaal zelf.

Concentriciteit. Een boring die uit het hart ligt, slijt asymmetrisch, spreidt het straalbeeld vroeg uit en trekt het proces van de doelwaarde af lang voordat de grenswaarde voor de nominale diameter in beeld komt.

De verbinding. Hier gaan de meeste hardmetalen verbruiksonderdelen daadwerkelijk dood. Het inzetstuk blijft heel, maar de hardsoldeerverbinding laat los, of de perspassing ontspant onder thermische wisselingen, of het stalen lichaam erodeert weg rond een volkomen goede hardmetalen punt. Overmaat, hardsoldeer en lichaamsmateriaal moeten samen met het inzetstuk worden gespecificeerd en niet erna.

Waar de onderdelen vandaan komen

Het mengen van het poeder bepaalt de hardmetaalsoort. Persen en vacuümsinteren bij 1.350–1.500 °C bepalen dichtheid en microstructuur, en het onderdeel krimpt daarbij 15–20%, wat in het ontwerp van het gereedschap wordt meegenomen in plaats van achteraf te worden gecorrigeerd. Diamantslijpen is de enige methode waarmee gesinterd hardmetaal überhaupt te bewerken is, en daarmee gaat een onderdeel van ±0,15 mm in gesinterde toestand naar ±0,01 mm met Ra 0,1–0,4 µm op functionele oppervlakken. Bij kritieke toepassingen sluit heet isostatisch persen de resterende microporositeit die erosie anders in bedrijf een eerste aangrijpingspunt zou geven.

Doordat al die stappen onder één dak liggen, is het wijzigen van een hardmetaalsoort, een oppervlaktekwaliteit van de boring of een stukje geometrie een interne beslissing en geen onderhandeling met drie leveranciers met drie verschillende levertijden.

Elke partij wordt gecontroleerd voordat ze ons verlaat: Rockwell-hardheid aan afgewerkte onderdelen, metallografisch onderzoek met de microscoop naar korrelgrootte en verdeling van de bindfase, röntgenonderzoek naar inwendige porositeit bij kritieke componenten en coördinatenmeting tot minder dan 3 µm. Verbruiksonderdelen worden telkens opnieuw besteld, dus wat er werkelijk toe doet is de consistentie tussen partijen. Een mondstuk dat zich anders gedraagt dan het vorige is een procesprobleem, ook als het op zichzelf de controle doorstaat.

De onderdelen variëren van 0,001 kg tot 300 kg en van Ø 3 mm tot 500 mm, met een minimale wanddikte tot 0,1 mm, in aantallen van prototypes tot herhaalseries.

Wat u ons kunt sturen

Een offerte voor een slijtonderdeel vraagt iets andere informatie dan een offerte voor een constructieonderdeel, omdat de belasting het antwoord bepaalt en niet alleen de tekening:

• Tekening of monster, met boringdiameter, geometrie, kritieke oppervlakken en vereiste oppervlaktekwaliteit.
• Het medium: wat er door het onderdeel stroomt, soort en deeltjesgrootte van het schuurmiddel, concentratie, chemische samenstelling.
• Bedrijfsomstandigheden: druk, temperatuur, debiet, continu of cyclisch bedrijf.
• Hoe het wordt bevestigd: perspassing, hardsolderen, lichaam met schroefdraad, en waarvan het tegenstuk is gemaakt.
• Wat er nu gebeurt, dat wil zeggen het huidige materiaal en hoe lang het meegaat. Dit is de nuttigste regel in elke aanvraag, omdat die een abstracte specificatie omzet in een doel dat wij kunnen overtreffen.
• Wat ‘versleten’ voor u betekent, als een boringdiameter of een prestatiedaling waarbij het onderdeel van de machine gaat.

Met die gegevens kunnen wij een hardmetaalsoort, een geometrie en een oppervlaktekwaliteit voorstellen en u eerlijk zeggen waar hardmetaal zijn plaats verdient en waar iets anders u beter van dienst zou zijn.

Hardmetalen mondstukken, bussen of slijtinzetstukken nodig voor een specifieke toepassing? Stuur uw tekeningen en bedrijfsomstandigheden naar office@hydroforce.ee en ons engineeringteam stuurt u een advies over de hardmetaalsoort en een offerte.

Gerelateerd: Hardmetaal · Poedermetallurgie en MIM · CNC-bewerking