Kreiselpumpen werden sehr häufig zur Förderung von feststoffbeladenen Flüssigkeiten eingesetzt. Abrasive Schüttgüter scheuern dabei an Gehäusen und Laufrädern von Pumpen aus Grauguss und Edelstahl so stark, dass die Standzeiten erheblich reduziert werden. Durch den Einsatz neuer Technologien zur Beschichtung und Herstellung der Pumpenbauteile kann die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöht werden.
Thomas Merkle, Andreas Reuschel, Prof. Dr. Siegfried Schmauder
Heute werden bereits verschiedene Materialien wie Hartguss oder Gummierungen als Verschleißschutz bei der Förderung abrasiver Medien eingesetzt. Dabei gibt es Vor- und Nachteile. So ist Hartguss zwar verschleißfest gegen viele Materialien, setzt aber voraus, dass für jedes Teil ein neues Gussmodell für die Hartgussform erstellt werden muss. Gummierungen lassen sich häufig nur bedingt einsetzen, da harte Partikel meist abprallen oder in vielen Fällen die Beschichtung nach kurzer Zeit einfach durchgescheuert wird.
Um eine erhöhte Lebensdauer der Pumpen bei gleichzeitiger Verlängerung der Wartungsintervalle erreichen zu können, wurden in einer Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart und Schmalenberger neben der Durchführung von Versuchen mit verschiedenen Beschichtungen auch numerische Modelle eingesetzt. Letztere wurden anhand eines Demonstrators verifiziert.
Die Auswahl eines Beschichtungssystems bedeutet aber nicht nur die Auswahl der schützenden Schicht an sich, sondern auch die Auswahl einer passenden Kombina- tion aus Grundwerkstoff, Beschichtung, Schichtdicken und Werkstoffübergängen. Deshalb wurden sowohl Beschichtungen als auch alternative Gusseisenwerkstoffe bei den Untersuchungen berücksichtigt und deren Vor- und Nachteile für den Verschleißschutz bezüglich der konventionellen Werkstoffe untersucht.
Bei den Beschichtungen werden prinzipiell zwei Gruppen von Schichtsystemen unterschieden:
- Reaktionsschichten entstehen durch Beeinflussung der Randschicht z. B. durch Wärme, Diffusion oder Implantation von Legierungselementen.
- Auflageschichten entstehen durch Aufbringen bzw. Abscheiden von Elementen.
Um die richtige Schicht für die jeweilige Anwendung auswählen zu können, müssen die Anwendungen in der Praxis genauer untersucht werden. Da aber das Durchflussmedium meist keine homogene Zusammensetzung aufweist, ist es oft schwierig, den Verschleiß sozusagen zu messen.
Um den Verschleiß trotzdem genauer erfassen und frühzeitig erkennen zu können, wurden Sensoren eingesetzt, die den Abtrag an der Wandstärke der Pumpengehäuseteile überwachen. Die Wandstärke sollte vor allem an den Stellen überwacht werden, an denen der Materialabtrag durch das abrasive Medium groß ist.
Numerische Modellierung
Zum Verständnis der Verformungszustände und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sowie der Schädigungstoleranz von Beschichtungen aus Verbundwerkstoffen wurde die Mikrostruktur, wie sie beim Laserauftragschweißen und durch die elektrochemische Abscheidung von Nickel-Dispersionsschichten auftritt, anhand von Realgefügeausschnitten mit der Finite-Elemente-Methode elastisch plastisch modelliert. Besonders dicht beieinanderliegende Partikel und sehr scharfkantige Partikel führen zu großen Verformungslokalisierungen, die Orte der Rissentstehung sein können.
Über die numerische Betrachtung der aus mikroskopischen Aufnahmen erstellten FEM-Netze hinaus wurden auch Studien zur idealisierten Gefügeanordnung und der günstigsten Form der Verstärkungsteilchen durchgeführt. Eine homogene Anordnung der einzelnen Gefügebestandteile und die Vermeidung von Clustern konnte die Lokalisierung von Verformungen an den Grenzflächen zwischen Partikeln und Matrix deutlich reduzieren. Durch Variation der Partikelgestalt konnte der große Effekt, der sich bei gleichbleibendem Volumengehalt und veränderter Form der Verstärkungspartikel ergibt, gezeigt werden. So zeigen unregelmäßig geformte Verstärkungspartikel einen sehr großen Einfluss auf das Werkstoffverhalten des Verbundwerkstoffs. Diese gegenläufigen Effekte gilt es bei der Auslegung des Werkstoffs zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass bereits durch den Herstellungsprozess und der darauffolgenden Abkühlung, insbesondere beim Laserauftragschweißen, große Eigenspannungen in den Werkstoff eingebracht werden.
Ergebnisse
Aufgrund der Untersuchungen ergaben sich für ausgewählte Schichten folgende Ergebnisse:
- Laserschweißen: Aufgrund der relativ dicken Schicht und der speziellen Art des Fertigungsverfahrens können Verschleißplatte und Laufrad entsprechend den Anforderungen der Anwendungen mit über 1000 µm (1 mm) Schichtdicke beschichtet werden.
- Duplex-Schicht: Diese Schicht eignet sich für Spiralgehäuse und Laufrad. Die Schichtdicke kann bis zu 100 µm aufgetragen werden.
- Kohlenstoffschicht: Das Sputterverfahren ermöglicht die Beschichtung des Laufrads. Aufgrund der relativ dünnen Schichtdicke kann das Substrat nur vor der Beschichtung weiterbearbeitet werden. Zusätzlich zum Sandstrahlen bzw. Glasperlenstrahlen werden die Gussoberflächen durch Schleifen geglättet.
So beschichtete Pumpen können überall dort eingesetzt werden, wo verschmutzte abrasive Medien, abrasive Schüttgüter, Sand, Metallpartikel und Reinigungsmittel im Medium mitgepumpt werden müssen. Die Standzeit der Pumpen wird durch die Beschichtung erheblich erhöht. Typische Anwendungsbeispiele sind:
- Flüssige Oberflächenbehandlungs- und Reinigungsmittel, die in industriellen Reinigungsprozessen eingesetzt werden.
- Verschmutzte Medien mit abrasiven Teilchen in der Abwasserbehandlung.
- Spülmedien zur Vermeidung von Sedimentablagerungen, beispielsweise wenn beim Feinvermahlen durch die Waschflüssigkeit Feststoffrückstände gebunden und beim Spülen eliminiert werden.
Weitere Anwendungen ergeben sich in der Textilchemie bei der Textilreinigung. Hier finden sich bei der Jeans-Veredelung abrasive Feststoffe wie Sand im Abwasser, die ausgespült werden müssen.
Online-Info www.cav.de/0810448
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