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

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

Maß an Funktionserfüllung Einsatzbedingungen Maß an Funktionserfüllung Konstruktive Gestaltung Werkstoff

Prinzip des thermischen Spritzens

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

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

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

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

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

Schichtdickenbereiche von Oberflächenbeschichtungen

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 !

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

Aufbau einer Kaltbeschichtung

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

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

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

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

Haftzugfestigkeit verschiedener Spritzverfahren

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]

Vorbereiten der Oberfläche metallisch blank fettfrei Vorwärmen 70 - 80 °C Mechanische Aktivierung der Oberfläche Rauhstrahlen (Hartgußkies, Al2O3) Rauhtiefe Rt>30 µm Gewindeartiges Vordrehen (Vorsicht bei dynamischer Beanspruchung) Schleifen (keramisch gebundene Schleifsteine) Vorwärmung (60 - 200°C)

Flammspritzen: Flammentemperatur: bis 3160°C Partikelgeschwindigkeit: 20-100m/s Spritzabstand: 100-200mm Spritzzusätze: Pulver, Drähte Substrate: Metall, Keramik, Holz, Kunststoff, Glas Auftragsrate: Draht: 2-15kg, Pulver: 1-5kg

Aufbau eines Pulverflammspritzgerätes

Grundwerkstoff Pulver Spritzabstand 150 mm Pulver für Beschichtung

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

Prinzip des Drahtflammspritzens:

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

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

Prinzip des Lichtbogenspritzens:

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

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

Lichtbogenspritzen: Lichtbogentemperatur: bis 5000°C Partikelgeschwindigkeit: 100-300 m/s Spritzabstand: 100-250mm 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

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

Prinzip des Plasmaspritzens:

Prinzip des Detonationsbeschichtens:

Prinzip des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens:

Aufbau einer Warmbeschichtung

Wolframkarbide in einer selbstfließenden Matrix

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

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 50-200 °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

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

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

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

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

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

Herstellung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe

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

Pulverförmige Zusatzwerkstoffe

Gasverdüstes Pulver

Wasserverdüstes Pulver

Sprühgetrocknetes Pulverpartikel

Gesintert gebrochenes Pulver (Wolframkarbid/Kobalt)

Wolframschmelzkarbid, geschmolzen gebrochen

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

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

Haftzugversuch nach DIN 50 160: