Gegen Korrosion in Lebensmittelmaschinen werden oft nicht rostende, austenitische Stähle eingesetzt. Diese relativ weichen Werkstoffe verschleißen jedoch schnell. Dagegen helfen spezielle Chromnitridschichten von Balzers, einem führenden Beschichtungsspezialisten. Mit entsprechend behandelten Dosierkolben oder Komponenten von Ventilsystemen arbeiten Abfüllanlagen über viele Monate hinweg wartungsfrei.
Viele Bauteile in Abfüllstationen sind hohen Belastungen ausgesetzt. Das schnelle Öffnen und Schließen der Abfüllmechanik bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten erzeugt große Reibungskräfte. Zusätzlich beansprucht wird das Material zum Beispiel durch abrasive Zusatzstoffe, Austritt von Fruchtsäure etwa bei Marmeladeprodukten oder auch Kondensation bei Betriebsstillstand. Bei Wellendurchführungen entsteht oft abrasiver Verschleiß, wenn sich Radialwellendichtringe durch die Druckkräfte in die Welle einarbeiten und dort Furchen im Material hervorrufen. Noch mehr aushalten müssen Abfüllkolben, die in ein frei toleriertes Gehäuse eingebracht sind. Durchgeleitete Abfüllprodukte können hier nur begrenzt schmierend wirken und Reibung vermindern.
Solche Reibungs- und Verschleißprobleme können austenitische Stähle nicht lösen, da sie nur eine niedrige Mikrohärte von 250 HV (Härte Vickers) aufweisen. Bei großer Beanspruchung droht in verstärktem Maße Anfressen. Die Folge sind vermehrte wartungsbedingte Produktionsstillstände mit entsprechenden Kosten. Als Abhilfe kommt jedoch der Einsatz reibungsmindernder Schmierstoffe kaum in Frage, weil alle Materialien, die mit Nahrungsmitteln in Berührung kommen, lebensmittelecht sein müssen. Dies gilt auch für galvanische Chrom- und Nickelschichten, die oftmals keine FDA-Zulassung besitzen. Außerdem disqualifizieren sich solche konventionellen Beschichtungen, weil sie spröde sind und bei elastischen Bewegungen abplatzen. Ferner entstehen Mehrkosten, weil diese nicht konturgetreuen Schichten mechanisch nachgearbeitet werden müssen.
Wegen solcher Schwierigkeiten waren bisher oft Material- oder Konstruktionskompromisse notwendig, die aber andere Nachteile mit sich brachten. Lagerbronze beispielsweise kann zwar als Werkstoffalternative für einen von zwei Bauteil-Reibpartnern Verschleiß reduzieren, ist aber vergleichsweise teuer.
Maßgeschneiderter Verschleißschutz
Noch selten für lebensmitteltechnische Anwendungen im Einsatz, bieten spezielle Chromnitridschichten einen Ausweg aus dieser Klemme. Entsprechende Hartstoffschichten bietet der Beschichtungsspezialist Balzers mit Hauptsitz in Balzers, Liechtenstein, und deutscher Zentrale in Bingen unter dem Produktnamen Balinit CNI an. Diese Schichten, bewährt in diversen Verschleißschutzanwendungen im Maschinen- und Automobilbau (zum Beispiel Hydraulik/Kolben, Ventiltrieb, Kolbenringe), werden mikrometergenau mit Hilfe des plasmagestützten Verfahrens PVD (Physical Vapour Deposition) aufgetragen. Das Verfahren lässt sich zielgenau steuern – maßgeschneidert auf den jeweils geforderten Bauteil- und Systemnutzen. Der umweltschonende Beschichtungsprozess im Hochvakuum ermöglicht einen äußerst präzisen und konturgetreuen, in hohen Stückzahlen reproduzierbaren Schichtauftrag. Eine zusätzliche Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, da die Rauigkeitszunahme (Ra) mit weniger als 0,02 mm unterhalb der üblichen Fertigungstoleranzen liegt. Beschichtungstemperaturen unter 250 °C erlauben zudem die Behandlung zahlreicher Werkstoffe.
Die bis zu 4 mm dünnen Chromnitridschichten besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit sowie gutes Gleitverhalten bei Mangelschmierung und starker mechanischer Beanspruchung. Mit ihren Gleiteigenschaften reduzieren sie darüber hinaus das Anhaften von klebrigen Abfüllprodukten. Auch sind sie elastisch und reagieren bei Verformungen nicht mit Abplatzen. Gegenüber anderen Methoden zur Oberflächenbehandlung ergeben sich dadurch deutliche Vorteile. Dies gilt auch im Vergleich mit dem Kolsterisieren, einem geläufigen Randschichthärteverfahren für nicht rostende austenitische und ferritisch-austenitische Stähle.
Chromnitrid versus Kolsterisieren
Verschiedene Tests können dies belegen. Die Bestimmung der Oberflächenhärte mittels Mikrohärtemessung nach Knoop (DIN EN ISO 4516) erbrachte eine Mikrohärte von 1.750 HV für Balinit CNI gegenüber 900 HV, gemessen auf einer kolsterisierten Oberfläche. Damit ist die Chromnitridschicht auch deutlich härter als galvanisch hergestellter Hartchrom (1.000 HV).
Beim Verschleißtest mittels Kalottenschliff wurde mit Hilfe einer Stahlkugel und einem abrasiven Medium die Schicht angeschliffen und daraus der Verschleißkoeffizient (m³m-1N-110-15) bestimmt. Dieser Wert betrug bei Balinit CNI 3,13, bei der kolsterisierten Oberfläche 22,91. Demnach ist die chromnitridbeschichtete Oberfläche in diesem Vergleich rund sieben Mal widerstandsfähiger gegen Abrasivverschleiß.
Auch die Bestimmung der Reibungszahl mit Hilfe des Tribometertests fiel zugunsten von Balinit CNI aus: Deren (adhäsives) Verschleißverhalten ist mit einem Reibwert von rund 0,4 etwa doppelt so gut wie das des kolsterisierten Probekörpers mit einer Reibungszahl von 0,8.
Abfüllen von Marmelade und Getränken
Balinit CNI ist darüber hinaus per Zulassung von RCC (Registration and Consulting Company) und FDA als lebensmittelecht zertifiziert und chemisch resistent auch gegen aggressive Reinigungsmedien. So können die Schichten, aufgetragen auf austenitischen Stahl, zur Werkstoffsubstitution dienen, eine fett- und ölfreie Verarbeitung ermöglichen und ihre Vorteile zugunsten einer wartungsarmen Produktion ausspielen. Dies gilt überall dort, wo es auf hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ankommt. Eingesetzt werden die schnell verfügbaren Chromnitridschichten in der Lebensmitteltechnik bereits auf Dosierkolben und Bauteilen von Ventilsystemen in Abfüllanlagen für Marmelade, Getränke sowie Kosmetika. Dort sorgen sie laut Balzers für viele Monate wartungsfreien Anlagenbetrieb.
dei 402
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