Prakt. Met. Sonderband 52 (2018) 267
SCHADENSANALYSE AN EINER KOMPAKTIERWALZE AUS
SILIZIUMNITRID
Walter Harrer’, Roger Morrell”, Robert Danzer’
“Institut far Struktur- und Funktionskeramik, Montanuniversitat Leoben, Leoben, Osterreich
“National Physical Laboratory, Teddington, Middlesex, TW11 OLW, United Kingdom
ABSTRACT
Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen und thermischen Eigenschaften (wie z.
B. hohe Festigkeit, hohe Härte und gute Thermoschockbeständigkeit) kommt Siliziumnitrid
als Werkstoff für Umformwerkzeuge in Frage. In dieser Arbeit wird der Ausfall einer
Kompaktierwalze aus Si3N4 untersucht. Während des Einsatzes der Kompaktierwalzen ist
einer der beiden Keramikringe zerbrochen. Durch fraktographische Untersuchungen
konnte nachgewiesen werden, dass während des Betriebes sehr große Zugspannungen in
der Keramik aufgetreten sind. Diese Spannungen führten zunächst zur Bildung von Rissen
und später zum Totalversagen der Walzrings. Die Schadensanalyse hat gezeigt, dass der
Konstruktion der Walze und ihrer Einspannung große Bedeutung zukommt. Es werden
Ursachen für das Entstehen der Zugspannungen und mögliche Lösungsvorschläge, die
einen sicheren Betrieb der Walzen gewährleisten, aufgezeigt.
1. EINLEITUNG
Bei der Kompaktierwalze handelt es sich um eine Verbundkonstruktion aus Stahl und
Keramik. Ein Keramikring aus Siliziumnitrid wird mit 8 Schrauben (M8x30) auf einen
Stahlring geklemmt. Das Anzugsmoment der acht Schrauben betrug ursprünglich jeweils
15 Nm. Da es während des Einsatzes zu einem Durchrutschen des Keramikteiles der
Walze kam, wurde das Anzugsmoment zuerst auf 25 Nm und spater auf 35 Nm erhöht.
Die Walzen haben einen Gesamtdurchmesser von 200 mm und die Laufflächen eine
Breite von 50 mm. Aus den zur Verfügung gestellten Konstruktionszeichnungen geht
hervor, dass zwischen der metallischen Nabe und dem Keramikring ein Spalt mit einer
Breite zwischen 0,01 und 0,06 mm existiert. Die Walzen sind durch eine H7-Passung aufl
einer Welle befestigt. Die Achsen sind starr, der Walzspalt ist nicht variabel. Im Einsatz
liegt die Rotationsgeschwindigkeit der Walzen zwischen 5 und 30 U/min. Messungen mit
einer eingebauten Krafitmessdose ergaben, dass während des Betriebs Kräfte von bis zu
100 kN (gesamter Einzugsbereich der Walzen) auf die Walze einwirken können. Weiters
kommt es im Einsatz zu einer nicht näher definierten Torsionsbeanspruchung des
Walzenpaares. Die im Normalfall auftretenden Temperaturen liegen im Bereich um 100°C,
können kurzfristig aber höher sein. Das Versagen erfolgte bei Presskräften von_ca. 70 kN
wobei die Rotationsgeschwindigkeit dabei bei 15 U/min lag. :
Beim Walzgut handelt es sich um staubférmiges, abrasives Feinstpulver. Es kann nicht
vollständig ausgeschlossen werden, dass es bei einem schlechten Einzugsverhalten zu
einem „Materialstau“ kommt _(d._h. dass_ab und zu mehr oder weniger Material zwischen
die Walzen gelangt).
