Ziel der Entwicklung

Messer für das Recycling von Metall, Holz, Holzwerkstoffen und Kunststoffen sind hohen Belastungen durch Schläge und Verunreinigungen im Recyclingmaterial ausgesetzt. Sie müssen neben einer hohen Härte für eine lange Lebensdauer insbesondere eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen, um Frühausfällen vorzubeugen. Messerwechsel sind aufwändig, bisweilen kompliziert und dauern zum Beispiel an Schrottscheren etwa 4 Stunden. Die Stahlsorten für diese Messer sind heute überwiegend hochlegiert und enthalten signifikante Anteile kritischer Rohstoffe. Die qualitätsgerechte Erschmelzung findet heute nur noch in einem Stahlwerk statt, sodass sich erhebliche Risiken für die Versorgungssicherheit ergeben.
Aus früheren Projekten ist bekannt, dass auch niedriglegierte Kaltarbeitsstähle durch eine Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen in mikro- und nanokörnigen Unteren Bainit umgewandelt werden können. Bainit ist bekannt für seine hohe Schlagzähigkeit, sodass das Ziel der Entwicklung eine Wärmebehandlungstechnologie war, bei der die hohe Härte des unteren Bainit mit einer hohen Schlagzähigkeit zu koppeln.
Für die Auswahl der Stahlsorten war dabei die Verfügbarkeit in den für die Messerfertigung erforderlichen Abmessungen zu berücksichtigen. Die Wärmebehandlungskosten sollten nicht steigen, sodass die Vorteile des niedrigeren Materialpreises und der längeren Lebensdauer mit etwa gleichen Herstellkosten erhalten bleiben.

Vorteile und Lösungen

Die Verfügbarkeitsanalyse zeigte, dass nur die Stahlsorten 80CrV2 und 90MnCrV8 für die kleineren bzw. größeren Messer infrage kommen. Die ZTU-Schaubilder für beide Stähle zeigen, dass nur mit hoher Abkühlgeschwindigkeit im oberen Temperaturbereich eine Perlitbildung sicher vermieden werden kann. Deshalb wurde entschieden, die Abkühlung auf Bainitisierungstemperatur im Salzbad vorzunehmen.
Zur Bildung von nanokristallinem Bainit ist es erforderlich, die Austenitisierungstemperatur niedrig und die Austenitisierungszeit kurz zu halten. Austenitisiert wurde bei Temperaturen zwischen 30 und 50 K oberhalb der Umwandlungstemperatur mit einer Haltezeit von 10 min nach dem Durchwärmen. Bainitisiert wurde bei einer Temperatur dicht oberhalb der Martensitstarttemperatur. Es wurde das Wissen erarbeitet, wie lang die Haltezeit und die Temperaturführung sein müssen, um weitgehend reinen Unteren Bainit zu erzielen. Das ist insofern komplex, als sich bei der Bainitumwandlung Kohlenstoff im Restaustenit anreichert und damit die Martensitstarttemperatur verändert.
Mit dem 80CrV2 war es möglich, Härten von 55 bis 60 HRC bei Bainitisierungszeiten von 2 bis 4 Stunden zu erzielen. Die Messer erreichten beim Häckseln von Holz gleiche oder bessere Standzeiten als die Vergleichsmesser aus hochlegiertem Stahl.
Problematischer war das Verhalten des 90MnCrV8. Der hohe Mangangehalt des Stahles erfordert Bainitisierungszeiten um 10 h, was die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt. Darüber hinaus ist es schwierig, sprödigkeitsfördernde Karbidausscheidungen im Gefüge zu vermeiden. Da diese Stahlsorte für andere Anwendungen und den konventionellen Härteprozess optimiert ist, kann sie zur Bainitisierung nicht empfohlen werden. Es verbleiben zahlreiche Karbidausscheidungen im Gefüge, die unter hohem Schnittdruck zum Versagen der Messer durch Sprödbrüche führen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppen sind die vorwiegend mittelständischen Hersteller von Messern für unterschiedliche Recyclingmaterialien. Die Unternehmen dieser Gruppe haben hohe Exportanteile von 60 bis 70 %. Die deutschen Messerhersteller haben sich durch ihre hohe Produktqualität ihren Platz im Premiumsegment erobert. Im Marktsegment darunter dominieren allerdings osteuropäische und asiatische Hersteller. Hier könnten auch preisgünstigere Messer mit dem Potenzial der Premiummesser wieder einen Zugang schaffen.
Darüber hinaus sind auch die Recyclingunternehmen selbst Nutznießer. Neben einigen großen Unternehmen ist auch diese Branche vorwiegend mittelständisch geprägt. Die Scheren und Shredderanlagen sind das Herzstück jeder Recyclingfirma. Steht die Zerkleinerungsmaschine, steht auch der gesamte Prozess. Messerwechsel legen also die gesamte Firma für ihre Dauer still und werden deshalb häufig auf Wochenenden verlegt.
Der Transfer erfolgt durch enge Zusammenarbeit mit den Unternehmen bei der Beschaffung von Rohmaterialien, der Herstellung und Wärmebehandlung der Messer sowie beim Testen der Messer bei Endkunden. Mit einem Unternehmen wurde ein vermarktbares Produkt für Holzhäcksler entwickelt. Vom Unternehmen wurde die Markteinführung jedoch aus übergeordneten Gründen verschoben. Mindestens ein weiteres Unternehmen ist bereits vom möglichen Erfolg des Projekts bzw. der vorgeschlagenen Lösung überzeugt und will die Produktentwicklung im Rahmen eines ZIM-Projekts mit der Einrichtung fortsetzen.
Darüber hinaus hat sich die FGW ein spezifisches Know-how zur Bainitisierung von eutektoiden Kaltarbeitsstählen erarbeitet, das in weitere Projekte einfließen wird.