HTec-Beschichtung für Hydraulikzylinder mit höherer Standzeit 1

Der Berg- und Tunnelbau stellen hohe Anforderungen an die Hydraulik hinsichtlich Abrasivität und Korrosion. Ein Kerpener Unternehmen hat ein neuartiges Beschichtungssystem für seine Hydraulikzylinder entwickelt, welches sich dank Baukastensystems für eine Vielzahl von Anwendungen eignet. Herkömmliche Hydraulikkomponenten setzen auf definierten Verschleiß. Ein Teil der Funktionseinheiten besteht aus relativ verschleißfesten Werkstoffen. Bei Hydraulikzylindern zum Beispiel ist dies häufig die Kolbenstange, seltener auch das Zylinderrohr, die hartverchromt sind.

Auch Keramik- oder Kunststoffbeschichtungen, Auftragsschweißungen oder Chrom-Nickelvergütungen kommen zum Einsatz. Der Kolben dagegen besteht aus einem verschleißanfälligen Material – Guss oder Stahl.

Bei stärkeren Belastungen, im vorderen und hinteren Bereich mit Bronzeauftragung – für eine verbesserte Notlaufeigenschaft. Die Kolbenführungen und Führungsbuchsen sind in der Regel aus Bronze (GZ-CuSn7ZnPb).

Mit diesem Aufbau soll erreicht werden, dass die üblicherweise schwerer zu tauschenden oder teureren Funktionskomponenten eine längere Standzeit aufweisen. Leichter zu tauschende oder preiswertere Komponenten werden hingegen „geopfert“. So soll der definierte Reparaturfall herbeigeführt werden.

Dennoch sind derzeit im Einsatz befindliche, höher verschleißfeste Materialien ebenfalls einer Beanspruchung ausgesetzt, die den Austausch der Komponenten zu einem Zeitpunkt X erforderlich machen. Bei richtiger Wahl des Zeitpunkts kann das Bauteil in aller Regel wieder instandgesetzt werden.

Eine solche Aufarbeitung – typischerweise bestehend aus Schleifen, Verchromen und anschließendem Honen ist allerdings sehr aufwendig. Zudem erhöhen sich die Kosten für die Gesamtlebensdauer, da sich die Reparaturkosten und Kosten für Maschinenstillstandszeiten addieren.

Das Unternehmen HT Hydraulik Technik Gülich-Pohl verfolgt nun einen völlig anderen Ansatz. Ziel der Entwicklung der neuartigen Material-/Oberflächenkombination ist es, die Gesamtlebensdauer des Zylinders mit möglichst all seinen Komponenten – mit Ausnahme der Dichtungen, die weiterhin regelmäßig gewechselt werden müssen – zu verlängern und dabei die Notwendigkeit der Aufarbeitung einzelner Teile während der Gesamtstandzeit überflüssig zu machen.

Hierfür werden sämtliche Komponenten, die einer mechanischen oder korrosiven Beanspruchung ausgesetzt sind, mit der neuartigen Beschichtung aus der HTec-Familie ausgestattet. Neben der Kolbenstange, der Zylinderinnnenfläche werden nun auch der Kolben, die Führungen sowie die lastübertragenden Elemente (Lagerbuchsen in den Augen) mit HTec ausgerüstet und so vor vorzeitigem Verschleiß geschützt. Die Augen selbst werden durch Materialanpassungen (S48V) verstärkt.

Bei der HTec-Oberflächenvergütung handelt es sich um eine Serie von Oberflächenveredlungen, je nach Einsatzzweck und Trägermaterial angepasst. Das Material, in Verbindung mit der Oberflächenvergütung, wird in einem speziellen Verfahren hergestellt.

Somit entsteht eine homogene Einheit des Trägermaterials mit der resultierenden Oberfläche, sodass Abplatzungen oder Ablösungen unmöglich werden. Hierdurch ist ein flexibler Einsatz für verschiedenste Anwendungen in einem Umgebungs-Temperaturbereich von -50 °C ≤ t ≤ +600°C möglich.

Der hohe Abrasisivitätswiderstand und die Korrosionsbeständigkeit lassen den Einsatz unter widrigen Bedingungen im unter- wie übertägigen Bergbau, in Steinbrüchen, im Baubereich, in Kraftwerken, in der Hütten- und Stahlindustrie oder selbst für Offshoreanwendungen zu.

Die Beschichtung kann sowohl auf der Innenseite von Hohlkörpern als auch partiell auf Führungs- und Kraftübertragungselementen wie Buchsen und Bolzen, Lagern, Rollen an Bandanlagen angebracht werden und damit die Standzeiten dieser Bauteile ebenfalls erhöhen.

Da die verwendeten Materialien aus umweltlicher Sicht völlig unbedenklich sind, können mit HTec beschichtete Bauteile jederzeit in den normalen Recyclingprozess für das verwendete Trägermaterial eingebracht werden. Beim Betrieb fallen durch die Beschichtung keine gesundheits- oder umweltschädigende Partikel an, wie dies bei zum Beispiel bei Chrom der Fall ist.

Die guten Notlaufeigenschaften lassen darüber hinaus auch Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen Reinwasserhydraulik oder Pneumatik erwarten. Das mögliche Anwendungsspektrum erweitert sich damit zum Beispiel auf den Einsatz in der Lebensmittelindustrie oder Industrietechnik.

Tests hierzu sind derzeit in Vorbereitung. HTec-Komponenten sind für Betriebsdrücke bis zu 720 bar (72 MPa) einsetzbar. Je nach Einsatz und der damit verbundenen HTec-Variante sind folgende Dimensionen möglich:

  • Kolbendurchmesser (Zylinderrohr innen):
    Ø 20 bis 1000 mm l ≤ 3000 mm
  • Kolbenstangendurchmesser:
    Ø 10 bis 1200 mm l ≤ 8000 mm

Andere Dimensionen auf Anfrage lieferbar. Verwendbar mit der HTec-Material-/Oberflächenkombination sind alle Hydrauliköle auf Mineralölbasis (H, HL, HLP, HVLP), schwer entflammbare Flüssigkeiten (HFA, HFB, HFC) sowie umweltfreundliche Hydraulikflüssigkeiten (HETG, HEPG, HEES, HEPR). Ebenfalls kann auch Wasser als Medium verwendet werden.

Höhere Standzeiten von Maschinen und Geräten

Die Weiter- und Neuentwicklung von Hydraulikzylindern oder diverser anderer Bauteile mit HTec-Komponenten kann einen erheblichen Beitrag zur Kostenreduzierung leisten. Neben wesentlich höheren Standzeiten von Maschinen und Geräten verringern sich auch die Kosten von Maschinen- und Produktionsausfallzeiten sowie die Ersatzteilhaltung und Personalkosten.

Bei Instandsetzungen sind lediglich die Dichtungswechsel und ein geringfügiges Nacharbeiten der HTec-Komponenten mithilfe des HT-eigenen SDF-Verfahrens notwendig. Das Schleifen, Neuverchromen und anschließende Honen von Bauteilen entfällt. Bei HT wurde im Juni 2010 ein Versuchsstand aufgebaut, um die Einsatzfähigkeit der neuen Oberfläche unter vergleichenden Bedingungen zu testen.

Hierzu wurden drei Zylinderhalbschalen nebeneinander auf einem Träger aufgeschweißt. Drei Kolben wurden über einen Pleuelantrieb mit 80 Hüben/min in diesen Halbschalen kontinuierlich bewegt.

Die gewählten Materialkombinationen bestanden aus: Kombination 1: Halbschale: St 52 , Kolben: St 52, Kombination 2: Halbschale: St 52, Kolben: Bronze und Kombination 3: Halbschale: HTec, Kolben: HTec.

Die Hublänge betrug 300 mm. Um die Alterung in dem Versuch zu beschleunigen, wurde auf eine Schmierung der Kolben verzichtet. Der Versuch wurde am 02. Juli 2010 gestartet. Nach 12 000 Hüben entsprechend 2,5 h Betriebszeit ist ein Schaden an der ersten Kombination (St 52 / St 52) festgestellt worden.

Kolben und Halbschale wiesen einen deutlichen Abnutzungsgrad auf, der die Funktion unter Arbeitsbedingungen unmöglich gemacht hätte. Die Kombination 1 wurde daher zu diesem Zeitpunkt aus dem Betrieb genommen, die anderen Kombinationen weiterbetrieben.

Nach insgesamt 36 000 Hüben entsprechend 7,5 h Betriebszeit wies auch der Kolben aus Bronze samt der dazugehörigen Halbschale aus St 52 Abnutzungserscheinungen auf, die wiederum die Nutzung im Arbeitseinsatz unmöglich gemacht hätte. Auch hier wurde daher der Betrieb gestoppt.

Zu diesem Zeitpunkt waren an dem Halbschalen-Kolben-Paar mit HTec-Ausstattung keinerlei Abnutzungsspuren zu erkennen oder zu messen. Der Versuch mit dieser dritten Kombination wurde weitergeführt, bis 1 545 600 Hübe entsprechend 322 h Betriebszeit erreicht waren.

Nachdem immer noch keine Anzeichen für eine Abnutzung erkennbar oder messbar waren, wurde der Versuchsaufbau abgeändert. Ab nun wurden täglich etwa 50 g eines Quarzsands der Körnung 0,3 bis 0,8 mm unter den Kolben mit HTec-Ausrüstung in die Halbschale eingebracht und die Versuchsanlage danach weiterbetrieben.

Um die Anhaftung am Kolben zu erhöhen, wurde in geringer Menge Öl beigegeben. Der entstehende Feinabrieb des Quarzsands wurde am Kolben beziehungsweise an der Halbschale belassen.

Mit diesem geänderten Versuchsaufbau wird die Anlage seitdem weiterbetrieben. Auf diese Art und Weise hat die HTec-Kolben-/Halbschalenkombination bis zum 27. August 2010 bereits 6 648 000 Hübe ohne erkenn- oder messbare Abnutzungen absolviert.

Nachdem die übertägige Testphase mit großem Erfolg durchgeführt wurde, stehen derzeit Praxistests an. Es werden Zylinder für den Einsatz im Kali- und Steinsalzbergbau, im Tagebau sowie in der Hüttenindustrie zu Testzwecken gebaut.

Denn hier herrschen hohe Anforderungen an Abrasivität wie Korrosionsbeständigkeit durch die im Abbau befindlichen Materialien.

www.ht-hydraulik.com