Was ist thermisches Spritzen?

Abbildung 1 zeigt als Beispiel eine völlig verschlissene Peltonturbinen-Düsennadel nach einigen tausend Betriebsstunden. Wird diese Lebensdauer als inakzeptabel erachtet, muss entweder das gesamte Bauteil aus einem verschleißfesteren Material gefertigt oder der Bereich, in dem der Verschleiß auftritt, geschützt werden. Aus Kostengründen entscheidet man sich in der Regel für Letzteres. Dies führt zu der Möglichkeit, eine Oberflächenbeschichtung zu verwenden. In diesem Fall kann entweder das gesamte Bauteil beschichtet werden oder, was manchmal kostengünstiger ist, nur der Bereich, der am meisten angegriffen wird.

Es gibt eine ganze Reihe von Verfahren, mit denen Oberflächenbeschichtungen aufgebracht werden können, und eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Beschichtungsmaterialien. Im Allgemeinen kann man sagen, dass thermisches Spritzen das Verfahren mit der größten Auswahl an Beschichtungsmaterialien, Schichtdicken und daraus resultierenden Eigenschaften ist.

Definition of thermal spray

Thermisches Spritzen wird wie folgt definiert: "Thermische Spritztechniken sind Beschichtungsverfahren, bei denen geschmolzene (oder erhitzte) Materialien auf eine Oberfläche gespritzt werden. Das "Ausgangsmaterial" (Beschichtungsvorprodukt) wird durch elektrische (Plasma oder Lichtbogen) oder chemische Mittel (Verbrennungsflamme) erhitzt." Diese Definition aus Wikipedia beschreibt den Prozess des thermischen Spritzens nicht ausreichend. 

Abbildung 2 ist ein Diagramm, das das Prinzip des thermischen Spritzens zeigt. Das Beschichtungsmaterial (in Form von Pulver, Draht oder Stab) wird durch eine Wärmequelle erhitzt oder erweicht. Das entstandene Produkt wird dann durch die Prozessgase auf einen Grundwerkstoff geschleudert, wo es sich schnell verfestigt und eine Beschichtung bildet. Zur Herstellung einer thermischen Spritzschicht sind daher bestimmte Kernelemente erforderlich:

• Der aufzubringende Beschichtungsstoff
• ein System zur Zuführung des Materials
• Die Ausrüstung, d. h. die Spritzpistole, mit der das Beschichtungsmaterial aufgetragen und auf das Werkstück getrieben wird
• Ein Steuerungssystem, das die Verarbeitungsmedien und die Betriebsmittel genau steuert

Je nach dem verwendeten Spritzverfahren können auch verschiedene Hilfssysteme erforderlich sein. Dazu können Stromversorgungen gehören, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, Wärmetauscher zur Kühlung und Manipulationsgeräte, die die Bewegung der Spritzpistole über dem zu beschichtenden Teil steuern.

Materialien des Substrats

Neben der verwendeten thermischen Spritzanlage müssen sowohl die abgeschiedenen Materialien als auch die Trägermaterialien (Substrate), auf die sie aufgebracht werden, sorgfältig geprüft werden. Als Trägermaterialien eignen sich solche, die Strahlverfahren zur Aufrauung der Oberfläche standhalten und im Allgemeinen eine Oberflächenhärte von etwa 55 HRC oder weniger aufweisen.

Für die Vorbereitung von Substraten mit höherer Härte sind spezielle Verarbeitungstechniken erforderlich. Da die Haftung der Spritzschicht auf dem Substrat in erster Linie aus mechanischer Bindung besteht, ist eine sorgfältige Reinigung und Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche äußerst wichtig.

Beim Sprühen treffen die erweichten oder geschmolzenen Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche. Dadurch verformen sich die Partikel und "spritzen" auf die Oberfläche, um eine Beschichtung zu erzeugen.

Die Wärme der heißen Partikel wird auf das kühlere Grundmaterial übertragen. Während die Partikel schrumpfen und erstarren, verbinden sie sich mit dem aufgerauten Grundmaterial. Die Haftung der Beschichtung beruht also auf einer mechanischen "Verhakung". Dieser Vorgang ist in den Abbildungen 2 und 3 schematisch dargestellt. Der Anteil der metallurgischen Bindung, der durch die Diffusion zwischen den Beschichtungspartikeln und dem Grundwerkstoff entsteht, ist gering und kann bei Diskussionen über die Bindungsmechanismen vernachlässigt werden.

Material der Beschichtung

Im Prinzip kann jedes Material, das sich beim Schmelzen nicht zersetzt, als Beschichtungsmaterial für das thermische Spritzen verwendet werden. Je nach thermischem Spritzverfahren kann der Beschichtungswerkstoff in Draht-, Stab- oder Pulverform vorliegen. In Tabelle 1 sind einige der am häufigsten verwendeten Werkstoffklassen zusammen mit den zugehörigen Eigenschaften und Anwendungsbeispielen aufgeführt.

Die Auswahl eines für eine bestimmte Anwendung geeigneten Beschichtungswerkstoffs erfordert besondere Kenntnisse sowohl über die Einsatzumgebung als auch über die Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffs.

Neben den physikalischen Eigenschaften beeinflussen (bei Pulvern) auch die Partikelform, die Partikelgrößenverteilung und das Herstellungsverfahren (d. h. agglomeriert, gesintert, zusammengesetzt) die Beschichtungsleistung. Da die meisten Spritzwerkstoffe als Legierungen oder Mischungen erhältlich sind, führt dies zu einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten, und nur durch langjährige Erfahrung und umfassendes Know-how kann eine geeignete Auswahl getroffen werden.

_{Tabelle 1}

Thermisches Spritzen im Laufe der Jahre

Unabhängig davon, welches thermische Spritzverfahren gewählt wird, gelten die gleichen grundlegenden Funktionsprinzipien wie in Abbildung 6 dargestellt. Ein Material (normalerweise entweder ein Pulver oder ein Draht, je nach verwendetem Verfahren) wird einer Wärmequelle zugeführt.

Das Material wird erweicht (oder geschmolzen) und durch die Wärmequelle und die Prozessgase beschleunigt, bevor es auf die Oberfläche "spritzt" und eine Beschichtung erzeugt. Die wichtigsten Prozessvariablen sind daher die Partikeltemperatur und die Partikelgeschwindigkeit. Beide Faktoren haben einen großen Einfluss auf die Fähigkeit, das Material so abzuscheiden, dass es die gewünschten Schichteigenschaften aufweist.

Im Laufe der Jahre hat sich das thermische Spritzen weiterentwickelt, um den Anforderungen einer großen Zahl unterschiedlicher Anwendungen mit unterschiedlichen Herausforderungen gerecht zu werden.

Glücklicherweise hat dies dazu geführt, dass dem Markt eine ganze Reihe von ergänzenden Verfahren zur Verfügung steht, die diese Anforderungen und noch mehr erfüllen können! Diese Verfahren können anhand ihrer jeweiligen Energiequellen in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, mehr dazu finden Sie unter Thermische Spritzverfahren.

Das thermische Spritzen wird sich im Laufe der Jahre sicherlich noch weiterentwickeln. Sei es im Bereich der Materialien, der Ausrüstung oder der Prozesssteuerung, Sie können sicher sein, dass Oerlikon Metco bei der technologischen Entwicklung an vorderster Front steht, um die immer anspruchsvolleren Kundenanforderungen zu erfüllen.