Grundlagen der thermischen Spritztechnik Oberflächentechnik 1.15

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1 Grundlagen der thermischen Spritztechnik Oberflächentechnik 1.15
Dipl. Ing. Martin Kirchgaßner

2 Grundlagen der thermischen
Spritztechnik Einleitung und Prinzip Vergleich zu anderen Oberflächentechnologien Beanspruchungsprofil Verfahren und Technologien Warmspritzen - Kaltspritzen Werkstoffe Charakterisierung von Spritzschichten Anwendungen

3 Maß an Funktionserfüllung
Einsatzbedingungen Maß an Funktionserfüllung Konstruktive Gestaltung Werkstoff

4 Prinzip des thermischen Spritzens

5 Zweck des thermischen Spritzens
Bekämpfung von Korrosion Verschleiß Oberflächenveredelung besondere thermische und elektrische Eigenschaften Dekor

6 Verschleißschutz Korrosionsschutz Thermische Isolation Elektrische Isolation Elektrisch leitende Schichten Gleitschichten Antihaftbeläge Oxidationsschutz Heißgaskorrosionsschutz Dekoration

7 Anwendungen Anwendungen Vorbeugende Instandhaltung: Beschichten
Instandsetzung: Aufbau und Beschichten Instandsetzung: Aufbau und Beschichten Verschleissschutz Verschleissschutz Korrosionsschutz (Oxidation) Korrosionsschutz (Oxidation) Ausbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche Toleranzen Ausbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche Toleranzen

8 Die wichtigsten Oberflächenverfahren Beeinflussung der Randschicht
Mechanische Oberflächenverfestigung Strahlen Rollen Druckpolieren Randschichthärten Flammhärten Induktionshärten Impulshärten Elektronenstrahlhärten Laserstrahlhärten Thermochemische Oberflächenverfahren Aufkohlen Borieren Carbonitrieren Chromieren Nitrieren Nitrocarburieren Physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD) Aufdampfen Sputtern Ionenplattieren Chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) Titannitrid Titancarbid Titancarbonitrid Aluminiumoxid

9 Die wichtigsten Oberflächenverfahren Aufbringen bzw
Die wichtigsten Oberflächenverfahren Aufbringen bzw. Abscheiden von Überzügen Mechanische Verfahren Walzplattieren Sprengplattieren Thermische Verfahren Auftragschweißen Aufschmelzen Auflöten Aufsintern Mechanothermische Verfahren Thermisches Spritzen ohne Einschmelzen Thermisches Spritzen mit Einschmelzen Detonationsbeschichten Chemische Verfahren Stromlose Metallabscheidung (z.B. Vernickeln) Chem. Reaktionsschichten (z.B. Phosphatieren) Elektrochemische Verfahren Verchromen Vernickeln Dispersionsschichten Anodische Oxidation

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12 Schichtdickenbereiche von Oberflächenbeschichtungen

13 Vorteile des thermischen Spritzens
optimale Anpassung der Bauteiloberfläche an die Beanspruchung geringe thermische Beanspruchung des Grundwerkstoffes Verarbeitung nahezu aller Werkstoffe Metalle, Legierungen Keramik Kunststoffe großer Schichtdickenbereich 0,1- 10 mm < 250°C !

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15 Verfahrensübersicht nach DIN 32530
Thermisches Spritzen mit nachträglichem Schmelzverbinden Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Schmelzverbinden Thermisches Spritzen ohne Nachbehandlung Schmelzbad-spritzen Flammspritzen Draht/Pulver Kondensator- entladungsspr. Flammspritzen Pulver Flammschock-spritzen Draht-Licht- bogenspritzen Hochgeschwin- digkeitsspr. Plasmaspritzen

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17 Aufbau einer Kaltbeschichtung

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21 Phasen des Spritzprozesses:
Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes Zerstäuben und Beschleunigung des auf- bzw. angeschmolzenen Partikel Flugphase Aufprall und Verbindung mit dem Grundwerkstoff Flugphase: große spezifische Oberfläche der Pulverpartikel rasche Wärmeabgabe temperaturabhängiges Gaslösungsvermögen Reaktion mit Gasatmosphäre kein Gleichgewichtszustand durch rasche Abkühlung viele Fehlstellen, teils haftungsverbessernd

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23 Haftung der Spritzschichten
abhängig von folgenden Faktoren: Aktivierungszustand der Grenzschicht, Reinheit thermische und kinetische Energie der Spritzpartikel Porengehalt Oxidgehalt

24 Haftungsmechanismen mechanische Verklammerung Adhäsion
physikalisch: Annäherung auf Gitterdimension chemisch: Austausch von Valenzelektronen bei affinen Werkstoffen Epitaxie: strukturgleiches, orientiertes Anwachsen des Gastgitters auf dem Wirtsgitter metallurgische Wechselwirkungen Diffusion Reaktion partielles Verschweißen

25 Haftungsmechanismen beim thermischen Spritzen
mechanische Verklammerung Adhäsion (physikal. Adsorption, Chemisorption) Epitaxie metallurgische Wechselwirkung (Diffusion, Reaktion) partielles Verschweißen

26 Haftzugfestigkeit verschiedener Spritzverfahren

27 Vergleich thermische - kinetische Energie
FS...Flammspritzen LBS...Lichtbogenspritzen PS...Plasmaspritzen HGS...Hochgeschwindigkeitsspritzen DS...Detonationsspritzen Temperatur [°C] 3000 °C PS 2000 °C DS LBS FS HGS 2. Generation HGS 1000°C 100 300 500 700 900 Partikelgeschwindigkeit [m/s]

28 Vorbereiten der Oberfläche
metallisch blank fettfrei Vorwärmen °C Mechanische Aktivierung der Oberfläche Rauhstrahlen (Hartgußkies, Al2O3) Rauhtiefe Rt>30 µm Gewindeartiges Vordrehen (Vorsicht bei dynamischer Beanspruchung) Schleifen (keramisch gebundene Schleifsteine) Vorwärmung ( °C)

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31 Flammspritzen: Flammentemperatur: bis 3160°C
Partikelgeschwindigkeit: m/s Spritzabstand: mm Spritzzusätze: Pulver, Drähte Substrate: Metall, Keramik, Holz, Kunststoff, Glas Auftragsrate: Draht: 2-15kg, Pulver: 1-5kg

32 Aufbau eines Pulverflammspritzgerätes

33 Grundwerkstoff Pulver Spritzabstand 150 mm Pulver für Beschichtung

34 Hauptparameter beim Pulverflammspritzen:
Flammenleistung Flammeneinstellung Preßluft Pulver-Transportgas Durchfluß Pulver: Morphologie, Zusammensetzung Spritzabstand Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub Vorwärmtemperatur

35 Prinzip des Drahtflammspritzens:

36 Hauptparameter beim Drahtflammspritzen:
Flammenleistung Flammeneinstellung Preßluft Drahtvorschubgeschwindigkeit Draht: Durchmesser, Zusammensetzung Spritzabstand Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub Vorwärmtemperatur

37 Vorteile der Flammspritzens:
breite Palette an Zusatzwerkstoffen v. a. in Pulverform metallisch oder nichtmetallisch geringe Investitionskosten geringe Bauteilerwärmung nachträglich einschmelzbare Legierungen “Warmspritzen” WC-hältige Beschichtungssysteme

38 Prinzip des Lichtbogenspritzens:

39 Hauptparameter beim Lichtbogenspritzen:
Drahtvorschub/Stromstärke groß: grobe Struktur, niedrigere Spannungen, niegrigere Oxidgehalte, höhere Porosität klein: feinere Struktur, höhere Spannungen, weniger Wärmeeinbringung, geringere Porosität, höherer Oxidgehalt Spannung hoch: höhere Lichtbogentemperatur, feinere Struktur, höherer Oxidgehalt, höhere Spannung niedrig: niegrigere Lichtbogentemperatur, gröbere Struktur, niedrigere Oxidgehalt, Druck des Zerstäubermediums hoch: feinere Struktur, höherer Oxidgehalt, geringere Porosität, höhere Spannung niedrig: gröbere Struktur, niedrigerer Oxidgehalt, höhere Porosität, geringere Spannungen Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub Spritzabstand groß: höherer Oxidgehalt, weniger Wärmeeinbringung, weniger Spannungen klein: weniger Oxide, höherer Wärmeeintrag, mehr Spannungen

40 Lichtbogenspritzen Anwendungen:
Maschinenteile: Verschleißschutz, Reparatur Werkstoff: Stahl, NiCr, Fülldraht Korrosionsschutz: Atmosphäre, Offshore Al, Zn, AlZn Elektrik, Elektronik: Widerstände, Varistoren, Kondensatoren, usw. Al, Cu, Zn, NiCr Andere Anwendungen: z.B. Formenbau Zn, Pb, Al, NiAl, Fülldrähte

41 Lichtbogenspritzen: Lichtbogentemperatur: bis 5000°C
Partikelgeschwindigkeit: m/s Spritzabstand: mm Anlagen bis 600A Spritzzusätze: elektrisch leitfähige Drähte Durchmesser 1,6 - 4,8 mm Substrate: Metall, Keramik, Holz, Kunststoff, Glas Auftragsraten: Al bis 15kg/h Zn bis 200kg/h Stahl bis 30kg/h

42 Hauptvorteile des Lichtbogenspritzens:
hohe Spritzgutmenge große Flächenleistung gute Reproduzierbarkeit hohe Haftzugfestigkeit kostengünstiges Verfahren keine Kosten für Brenngas/Sauerstoff hohe Auftragsrate Lichtbogen brennt nur während des eigentlichen Beschichtens geringere Vorwärmung

43 Prinzip des Plasmaspritzens:

44 Prinzip des Detonationsbeschichtens:

45 Prinzip des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens:

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49 Aufbau einer Warmbeschichtung

50 Wolframkarbide in einer selbstfließenden Matrix

51 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Standardverfahren (Eutalloy)
Aufspritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Gasschmelzschweißen - v.a. Diffusionsbindung zum Grundwerkstoff in allen Positionen verwendbar sparsame und punktgenaue Auftragung an Kanten Reparatur von Graugußteilen Korrosions- und Verschleißschutz Arbeiten mit Zusatzstab

52 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen
Arbeitsweise Standardverfahren (Eutalloy) Werkstückvorbereitung: Entfetten, Schmutz, Zunder entfernen metallisch blanke Oberfläche: am besten mit keramisch gebundenen Schleifscheiben schleifen Kanten brechen, auf r=2-3 abrunden vorwärmen auf °C - Vorpulvern (0,1-0,2 mm Schicht aufspritzen) zur Vermeidung von Oxidation bei massiven Bauteilen weiterwärmen auf 300°C (Blauwärme) örtlich weitererwärmen und gleichzeitig spritzen und schmelzen Abkühlung an ruhender Luft bzw. in Granulat Schichtdicke 0,5 - 2,0 mm

53 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Standardverfahren (Eutalloy)
Option 2-stufige Arbeitsweise

54 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Hochleistungsverfahren (Eutalloy SF)
wassergekühltes Spritzsystem für hohe Auftragsraten bei gleichzeitigem Spritzen und Schmelzen, konzentrierte Flamme bis 4kg/h Spritzgutmenge Auftragsrate > 90 % dichte, eingeschmolzene Beschichtungen, Diffusion zum Grundwerkstoff thermische Leistung bis 28 kW Auftragsdicke in einer Lage 0,8 - 3,0 mm Auftragungen in Position

55 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Anwendungsbeispiele
Schnecke z. B. Ziegel-Preßschnecken Stabilizer in der Erdölindustrie Glasformen

56 Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen
Werkstoffe selbstfließende Legierungen auf Basis NiCrBSi mit und ohne Hartstoffverstärkung (WC)

57 Drahtförmige Zusatzwerkstoffe
Massivdrähte: Stähle, Al, Cu, Zn, Sn, Ni, Mo sowie entsprechend ziehbare Legierungen Fülldrähte: Legierungen FeCrBC Kompositschichten Metall/Karbid, Metall/Borid, Metall/Oxid intermetallische Verbindungen 3Ni + Al --> Ni3Al + Q Röhrchendraht Falzdraht

58 Herstellung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe

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60 Herstellungsverfahren Gasverdüsung
Index: 1 Pfanne 2 Gasdüsen 3 Reaktor 4 Lagerbehälter 5 Zyklon 3 1 2 N 4 5 RotoTec B+A/GV 1.0/35/2000

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66 Pulverförmige Zusatzwerkstoffe

67 Gasverdüstes Pulver

68 Wasserverdüstes Pulver

69 Sprühgetrocknetes Pulverpartikel

70 Gesintert gebrochenes Pulver (Wolframkarbid/Kobalt)

71 Wolframschmelzkarbid, geschmolzen gebrochen

72 Weitere Charakterisierungsmethoden:
Haftzugversuch Härteprüfung: Kleinlasthärteprüfung (HV0,3, HV1) Mindestschichtstärke empirisch 4-15x Eindrucktiefe Einfluß von Bindung, Lamellenstruktur, Porosität, Phasenanteile

73 Charakterisierung von Spritzschichten:
Phasen Homogenität Poren Risse Oxide Diffusionszonen teilweise- oder unaufgeschmolzene Partikel Einschlüsse

74 Haftzugversuch nach DIN 50 160:

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