Thermochemische oppervlaktebehandelingen van pomponderdelen kunnen de prestaties van roestvaststalen componenten verbeteren zonder het volledige onderdeel uit een harder materiaal te produceren. Dat is relevant bij pompen waarin assen, schroeven, bussen en behuizingen voortdurend worden blootgesteld aan beweging, druk en contact met het verpompte medium. Door het oppervlak te behandelen, kan juist de zone worden versterkt waar slijtage ontstaat. Een mogelijke techniek is het laagtemperatuur nitreren van rvs, waarbij stikstof en eventueel koolstof in het oppervlak diffunderen.
Een geschikte behandeling moet aansluiten bij de toepassing. De materiaalsoort, bedrijfsomstandigheden, toleranties en gewenste corrosiebestendigheid spelen daarbij allemaal een rol. Daarom begint een goed resultaat niet bij het proces zelf, maar bij een analyse van het pomponderdeel en de belasting waaraan het wordt blootgesteld.
Waarom slijten roestvaststalen pomponderdelen?
Roestvast staal wordt veel toegepast in pompen vanwege eigenschappen zoals corrosiebestendigheid, hygiëne en reinigbaarheid. Austenitische RVS-soorten hebben van zichzelf echter een relatief beperkte oppervlaktehardheid en slijtvastheid.
Tijdens het pompen kunnen bewegende onderdelen langs elkaar lopen of kleine deeltjes tussen contactvlakken terechtkomen. Hierdoor kunnen krassen, putjes of materiaalverlies ontstaan.
Pomponderdelen kunnen onder meer te maken krijgen met:
- Abrasieve slijtage door harde deeltjes
- Adhesieve slijtage tussen metalen contactvlakken
- Vreten of koudlassen
- Wisselende mechanische belasting
- Trillingen en vermoeiing
- Corrosieve vloeistoffen
- Regelmatig reinigen
- Temperatuurwisselingen
Welke vorm van slijtage overheerst, hangt af van het pomptype, het medium en de bedrijfsinstellingen. Een pomp die schoon water verplaatst, wordt anders belast dan een installatie voor dikke voedingsmiddelen met pitten, kristallen of andere vaste bestanddelen.
Slijtage door deeltjes in het medium
In vloeistoffen kunnen kleine harde deeltjes aanwezig zijn. Deze bewegen tijdens het pompen tussen de draaiende en stilstaande delen door.
Bij een kleine speling kunnen de deeltjes langs het oppervlak schuren. Na verloop van tijd veranderen hierdoor de afmetingen en oppervlakteruwheid van het onderdeel.
Dit kan gevolgen hebben voor:
- De volumetrische efficiëntie
- De drukopbouw
- De afdichting
- Het energieverbruik
- De productkwaliteit
- De levensduur van de pomp
Een voorbeeld is een twin-screwpomp die dikke voedingsmiddelen zoals ketchup, mayonaise of chocolade verwerkt. Pitten, zaden en andere harde deeltjes kunnen daar abrasieve slijtage veroorzaken tussen de schroeven en de behuizing. Oppervlakteharding wordt bij dergelijke toepassingen gebruikt om het slijtageproces te vertragen.
Het risico op vreten en koudlassen
Vreten kan ontstaan wanneer twee roestvaststalen oppervlakken onder belasting langs elkaar bewegen. Plaatselijk kunnen de contactvlakken aan elkaar hechten en vervolgens weer losscheuren.
Dit verschijnsel wordt ook wel koudlassen of galling genoemd. Het kan leiden tot diepe beschadigingen, een hogere wrijvingsweerstand en uiteindelijk het vastlopen van onderdelen.
Het risico neemt onder meer toe bij:
- Hoge contactdruk
- Onvoldoende smering
- Een kleine speling
- RVS-op-RVS-contact
- Een ruwe oppervlakteafwerking
- Een ongunstige materiaalcombinatie
- Starten en stoppen onder belasting
Bij pompen kan vreten vooral tijdens het opstarten een aandachtspunt zijn. De vloeistoffilm is dan mogelijk nog niet volledig aanwezig, terwijl onderdelen al wel ten opzichte van elkaar bewegen. Een harder oppervlak kan de gevoeligheid voor adhesieve slijtage verminderen.
Wat is een thermochemische oppervlaktebehandeling?
Bij een thermochemische oppervlaktebehandeling worden elementen onder invloed van temperatuur in het oppervlak van een metaal gebracht. Het doel is om de eigenschappen van de buitenste zone te veranderen.
Het onderdeel krijgt dus niet simpelweg een losse laag die boven op het materiaal ligt. De ingebrachte atomen diffunderen in het oppervlak en vormen daar een veranderde materiaalzone.
Voorbeelden van thermochemische processen zijn:
- Nitreren
- Nitrocarboneren
- Carboneren
- Boreren
Niet ieder proces is zonder meer geschikt voor roestvast staal. Bij conventionele behandelingen kunnen chroomnitriden of chroomcarbiden ontstaan. Hierdoor is minder vrij chroom beschikbaar voor de beschermende passieve laag, wat de corrosiebestendigheid nadelig kan beïnvloeden.
Laagtemperatuurprocessen voor austenitisch en duplex RVS zijn ontwikkeld om het oppervlak te harden zonder deze ongewenste verbindingen te vormen.
Hoe werkt laagtemperatuurharding van RVS?
Bij een gespecialiseerd laagtemperatuurproces wordt het oppervlak eerst geactiveerd. De natuurlijke chroomoxidelaag van RVS vormt namelijk een barrière voor de opname van stikstof en koolstof.
Daarna diffunderen stikstof- en koolstofatomen bij een temperatuur onder 450 °C in de buitenste zone van het materiaal. De basisstructuur van het onderdeel blijft daarbij behouden.
Er ontstaat een zone die bekendstaat als geëxpandeerd austeniet of S-fase. De opgeloste atomen veroorzaken hoge drukspanningen in het kristalrooster en verhogen daarmee de oppervlaktehardheid.
Voor het Stainihard-proces wordt een hardheid van ongeveer 1100 tot 1400 HV0,05 genoemd. De hardingsdiepte ligt doorgaans tussen 10 en 30 micrometer en is onder meer afhankelijk van de RVS-soort, oppervlaktetoestand en vervormingsgraad.
Geen traditionele coating
Een diffusielaag verschilt van een conventionele coating. Bij een coating wordt een ander materiaal op het oppervlak aangebracht. Daardoor ontstaat een duidelijke overgang tussen de deklaag en de ondergrond.
Bij thermochemische harding worden atomen in het bestaande RVS-oppervlak opgenomen. De geharde zone maakt daardoor deel uit van het basismateriaal.
Dat kan interessant zijn bij pomponderdelen met kleine spelingen. Een relatief dikke coating zou de maatvoering kunnen veranderen en kan aanvullende nabewerking noodzakelijk maken.
Toch moet ook bij een diffusiebehandeling rekening worden gehouden met de toleranties en oppervlaktegesteldheid. De onderdelen moeten vóór behandeling op de juiste eindmaten en ruwheid worden gebracht, tenzij vooraf andere afspraken zijn gemaakt.
Behoud van corrosiebestendigheid
Corrosiebestendigheid is vaak de belangrijkste reden om voor RVS te kiezen. Een oppervlaktebehandeling mag deze eigenschap daarom niet ongemerkt verminderen.
Bij conventioneel nitreren op hogere temperatuur kan chroom zich binden aan stikstof. Dit kan de vorming van de beschermende chroomoxidelaag verstoren.
Bij een goed gecontroleerde laagtemperatuurbehandeling blijven stikstof en koolstof opgelost in de austenitische structuur. Er ontstaan dan geen of zo min mogelijk ongewenste chroomnitriden en -carbiden.
Het behandelde onderdeel kan daardoor een hogere oppervlaktehardheid krijgen terwijl de corrosiebestendigheid behouden blijft. Het eindresultaat is wel afhankelijk van de RVS-soort, voorbewerking, procesparameters en uiteindelijke toepassing.
Welke pomponderdelen kunnen worden behandeld?
Verschillende componenten binnen een pomp kunnen voordeel hebben van een harder en slijtvaster oppervlak.
Denk aan:
- Pompschroeven
- Pomphuizen
- Assen
- Bussen
- Plunjers
- Geleiders
- Kleponderdelen
- Rotors
- Afdichtingsvlakken
- Doseercomponenten
Niet ieder oppervlak hoeft automatisch te worden behandeld. Soms is alleen een specifieke contactzone kritisch.
De geometrie moet daarnaast geschikt zijn voor het proces. Smalle boringen, diepe uitsparingen en afgeschermde oppervlakken kunnen invloed hebben op de bereikbaarheid en gelijkmatigheid van de behandeling. Daarom moet de maakbaarheid vooraf worden beoordeeld.
Pompen voor de voedingsmiddelenindustrie
In de voedingsmiddelenindustrie worden vaak austenitische RVS-soorten gebruikt. Ze zijn goed reinigbaar en bieden weerstand tegen uiteenlopende producten en reinigingsmiddelen.
Tegelijkertijd kunnen voedingsmiddelen vaste of harde bestanddelen bevatten. Denk aan fruitpitten, zaden, suikerkristallen en stukjes cacao. Deze deeltjes kunnen slijtage veroorzaken wanneer ze tussen nauw passende pomponderdelen terechtkomen.
Een oppervlaktebehandeling kan de standtijd van deze componenten verlengen. Minder slijtage helpt om de ingestelde spelingen langer te behouden.
Daarbij blijven hygiëne en reinigbaarheid belangrijke voorwaarden. Een proces moet passen bij de geldende eisen voor het eindproduct en de productieomgeving. Stainihard noemt pompen, doseersystemen en verpakkingsmachines als typische toepassingen van de behandeling.
Chemische en farmaceutische toepassingen
Pompen in de chemische en farmaceutische industrie worden vaak blootgesteld aan agressieve media en strenge reinigingsprocedures.
Een harder materiaal lijkt dan een logische keuze, maar sommige harde staalsoorten bieden minder corrosiebestendigheid dan austenitisch of duplex RVS. Een thermochemische oppervlaktebehandeling kan een manier zijn om de eigenschappen te combineren.
De kern van het onderdeel blijft taai en corrosiebestendig, terwijl de buitenste zone een hogere hardheid krijgt.
De behandeling moet wel worden gevalideerd voor het specifieke medium. Corrosiegedrag hangt niet alleen af van het materiaal, maar ook van:
- Concentratie van chemicaliën
- Temperatuur
- Druk
- Aanwezigheid van chloriden
- Reinigingsmiddelen
- Contacttijd
- Oppervlaktekwaliteit
Een algemene producteigenschap vervangt daarom geen toepassingsgerichte beoordeling.
Invloed op onderhoud en stilstand
Slijtage verandert geleidelijk de maatvoering van pomponderdelen. Een grotere speling kan de pompcapaciteit en efficiëntie beïnvloeden.
Wanneer kritische grenzen worden overschreden, moeten onderdelen worden gereviseerd of vervangen. Hiervoor moet de installatie vaak worden stilgezet.
Een langere standtijd kan bijdragen aan:
- Minder ongeplande stilstand
- Langere onderhoudsintervallen
- Minder vervangende onderdelen
- Een stabieler pompvermogen
- Lagere onderhoudsbelasting
- Een voorspelbaardere productieplanning
De daadwerkelijke winst verschilt per toepassing. Een oppervlaktebehandeling is vooral interessant wanneer slijtage werkelijk de beperkende factor is. Problemen door een verkeerde uitlijning, cavitatie of onjuiste bedrijfsvoering worden er niet automatisch mee opgelost.
Ontwerp het onderdeel voor de behandeling
De beste resultaten ontstaan wanneer de oppervlaktebehandeling al tijdens de ontwerpfase wordt meegenomen.
De constructeur kan dan rekening houden met:
- De gekozen RVS-soort
- Gewenste hardingsdiepte
- Oppervlakteruwheid
- Passingen en toleranties
- Bereikbaarheid van kritische vlakken
- Noodzaak van afscherming
- Voorafgaande warmtebehandelingen
- Lasverbindingen
- Reiniging vóór en na behandeling
Ook de volgorde van productiehandelingen is belangrijk. De thermochemische behandeling vindt doorgaans plaats nadat de meeste verspanende en vormgevende bewerkingen zijn afgerond.
Zwaar slijpen of draaien na de behandeling kan de dunne geharde zone namelijk gedeeltelijk of volledig verwijderen.
Niet iedere RVS-soort reageert hetzelfde
De samenstelling en microstructuur van het materiaal beïnvloeden het resultaat. Austenitische en duplex RVS-soorten zijn geschikt voor gespecialiseerde laagtemperatuurharding, maar de uiteindelijke laagdikte en hardheid kunnen verschillen.
Onder meer het gehalte aan chroom en nikkel, de oppervlaktetoestand en voorafgaande vervorming beïnvloeden de diffusie van stikstof en koolstof.
Daarom moet de volledige materiaalaanduiding bekend zijn. Alleen de omschrijving “RVS” is onvoldoende.
Veelgebruikte kwaliteiten zoals AISI 304 en AISI 316L kunnen worden behandeld, maar ook andere austenitische en duplexkwaliteiten komen in aanmerking. De geschiktheid moet per component en toepassing worden bevestigd.
Aandacht voor oppervlakteafwerking
De conditie van het oppervlak vóór behandeling heeft invloed op het eindresultaat. Beschadigingen, bramen en diepe bewerkingsgroeven verdwijnen niet vanzelf tijdens het proces.
Een hoogwaardige oppervlaktebehandeling maakt een slecht afgewerkt onderdeel dus niet automatisch glad.
Voor pomponderdelen kan de ruwheid belangrijk zijn vanwege:
- Wrijving
- Reinigbaarheid
- Afdichting
- Producthechting
- Vermoeiingsbelasting
- Nauwkeurige spelingen
Leg daarom vooraf vast welke ruwheid vereist is en wanneer de laatste mechanische bewerking plaatsvindt.
Na de behandeling moet voorzichtig worden omgegaan met agressieve nabewerkingen. Alleen lichte en gecontroleerde afwerkingen zijn mogelijk wanneer de geharde zone behouden moet blijven.
Wanneer is behandelen zinvol?
Thermochemische harding is niet voor ieder pomponderdeel noodzakelijk. De behandeling is vooral interessant wanneer een combinatie van corrosiebestendigheid en slijtvastheid nodig is.
Denk aan situaties waarin:
- Austenitisch of duplex RVS vereist is
- Het oppervlak sneller slijt dan de kern
- RVS-delen langs elkaar bewegen
- Vreten of koudlassen optreedt
- Kleine spelingen behouden moeten blijven
- Een coating minder geschikt is
- Onderhoudsstilstand kostbaar is
- Vervanging van onderdelen vaak nodig is
Onderzoek eerst de werkelijke schade aan gebruikte onderdelen. Het slijtagebeeld laat vaak zien welke belasting dominant is en of oppervlakteharding een passende oplossing kan bieden.
Eerst testen bij kritische toepassingen
Bij nieuwe of kritische toepassingen is een proefserie verstandig. Hiermee kan worden beoordeeld of de behandeling binnen de gewenste toleranties en prestatie-eisen blijft.
Een testprogramma kan bestaan uit:
- Hardheidsmetingen
- Laagdiktemetingen
- Maatcontrole
- Ruwheidsmetingen
- Corrosietesten
- Slijtageproeven
- Praktijktesten in de pomp
- Inspectie na een vastgesteld aantal bedrijfsuren
Vergelijk de resultaten met onbehandelde onderdelen en leg de oorspronkelijke bedrijfsomstandigheden vast. Alleen dan kan worden bepaald welke verbetering daadwerkelijk aan de oppervlaktebehandeling is toe te schrijven.
Pomponderdelen doelgericht oppervlakteharden
Thermochemische oppervlaktebehandelingen van pomponderdelen kunnen helpen om slijtage, vreten en vroegtijdige uitval van roestvaststalen componenten te beperken. Het materiaal behoudt zijn taaie kern, terwijl juist het belaste oppervlak harder wordt gemaakt.
Een goed resultaat vraagt om meer dan alleen de keuze voor een proces. De RVS-soort, geometrie, maatvoering, oppervlakteafwerking en bedrijfsomstandigheden moeten vooraf worden beoordeeld.
Voor austenitische en duplex pomponderdelen kan laagtemperatuur nitreren van rvs een geschikte methode zijn wanneer een hogere oppervlaktehardheid nodig is zonder de corrosiebestendigheid onnodig aan te tasten. Stainihard gebruikt hiervoor een gespecialiseerd nitrocarboneerproces waarbij stikstof en koolstof bij lage temperatuur in het oppervlak diffunderen.
Door de behandeling al tijdens het ontwerp mee te nemen, kunnen technische risico’s eerder worden herkend. Zo ontstaat een pomponderdeel dat beter aansluit op de werkelijke belasting en mogelijk langer betrouwbaar blijft functioneren.
