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Steve Bomford ist Manager für Schulung und Anwendungsunterstützung bei Oerlikon Metco in Großbritannien. Steve hat eine Leidenschaft für das thermische Spritzen und hat sich im Laufe der Jahre in vielen verschiedenen Positionen ein umfangreiches Wissen über das thermische Spritzen angeeignet.
Wir haben ein Teil zu spritzen. Es liegt nach dem Abkleben und Strahlen (in den letzten beiden Artikeln behandelt) bereit, also machen wir besser weiter. Wir stehen aus vielen Gründen unter Zeitdruck. Einer davon ist die Oxidationsrate des Substrats. Jedes metallische Substrat hat ein Oxidationspotenzial, das bei einigen größer ist als bei anderen. Wir wollen nicht, dass eine schlecht haftende Oxidschicht die Haftfestigkeit unserer Beschichtung beeinträchtigt, die darauf wartet, aufgetragen zu werden.
Grundsätzlich ist es am besten, so schnell wie möglich nach der Aktivierung zu spritzen. Im Zweifelsfall sollten Sie die 2-Stunden-Regel anwenden: Das ist die maximale Zeitspanne nach dem Strahlen, bevor wir mit dem Spritzen beginnen müssen, ohne zumindest die aktivierte Oberfläche "aufzufrischen".
Woran sollten wir im Vorfeld denken, wenn wir unser Teil spritzfertig machen? Die folgende Liste ist ein Anfang, den wir in diesem Artikel behandeln werden:
- Manipulation: Insbesondere Oberflächengeschwindigkeit und Stufenhöhe
- Kontrolle der Schichtdicke: Gesamtdicke und Dicke pro Durchgang
- Temperaturkontrolle: Platzierung des Kühlstrahls und Kühlregime
Beeinflussung der Ergebnisse beim thermischen Spritzen
Warum sollte man sich die Mühe machen, die Pistole und/oder das Bauteil zu bewegen? Natürlich wollen wir sicherstellen, dass wir die Schicht dort auftragen, wo wir sie haben wollen, aber wir müssen auch eine gleichmäßige Schichtdicke und eine kontrollierte Schichtdicke pro Durchgang erzeugen.
Wenn wir die Pistole einfach nur festhalten (und Sie können das einmal testen, wenn Sie Lust dazu haben), dann wird sich die Beschichtung in kurzer Zeit in Form einer scharfen Spitze aufbauen. Das liegt vor allem daran, dass die effizienteste Wärmeübertragung und die optimale Partikelgeschwindigkeit in der Mitte des Spritzstrahls liegen (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Querschnitt einer typischen Spritzflamme mit Ablagerungsprofil.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Mitte des Sprühstrahls nicht unbedingt die Mitte der "Flamme" sein muss. Bei einzelnen externen Einspritzsystemen kann das Pulver durchaus durch die Flamme fallen, so dass das Ablagerungsprofil nicht in der Mitte liegt. Dies hat Auswirkungen auf die Position, in der die Beschichtung aufgetragen wird (dies muss im Manipulationsprogramm berücksichtigt werden).
Abbildung 2 zeigt die Ausgabe eines typischen Sprühdiagnosegeräts (in diesem Fall Accuraspray-4.0). Bei diesem Material, das mit der F4MB Plasmaspritzpistole gespritzt wurde, ist ein typischer Pulverabfall von etwa 5° zu erkennen (beachten Sie auch die Form des Sprühprofils in Abbildung 2). Um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen, müssen wir das Sprühprofil während der Relativbewegung der Pistole zu dem zu beschichtenden Teil so gleichmäßig wie möglich gestalten.
Dies bedeutet, dass die Höhe der Spritzpistole während des Aufbaus der Beschichtung gesteuert werden muss. Die erforderliche Stufenhöhe ist proportional zur Größe des Sprühpunkts (d. h. der Flammenbreite bei fließendem Material).
Abbildung 2: Sprühdiagnoseansicht von F4MB beim Sprühen von Metco 447NS.
Um die Schichtdicke pro Durchgang (über das Bauteil) zu steuern, müssen wir auf die Oberflächengeschwindigkeit achten, mit der sich die Pistole über die Oberfläche des zu beschichtenden Teils bewegt (oder gelegentlich auch umgekehrt). Für jeden beliebigen Prozess und jeden festen Parametersatz der Spritzpistole gibt es allgemeine Richtlinien für die Schritthöhe und die Oberflächengeschwindigkeit.
In der nachstehenden Tabelle sind die Ausgangswerte für die meisten thermischen Spritzverfahren angegeben, wenn sowohl flache (Flecht-/Leitermuster) als auch zylindrische (Rotations-) Geometrien gespritzt werden.
Prozess |
Flaches Bauteil |
Zylindrisches Bauteil |
||
|---|---|---|---|---|
Minimale Oberflächen-geschwindigkeit |
Stufenhöhe |
Minimale Oberflächen-geschwindigkeit |
Stufenhöhe |
|
| Atmopshärisches Plasmaspray | 60 | 5 | 75 | 5 |
| HVOF-GF | 60 | 4 | 75 | 4 |
| HVOF-LF | 60 | 8 | 75 | 8 |
| Lichtbogenspritzen | 45 | 15 | 45 | 15 |
| Pulverflammspritzen | 45 | 10 | 45 | 10 |
| Drahtflammspritzen | 45 | 15 | 45 | 15 |
Tabelle 1
Bei einem zylindrischen Bauteil würden wir also normalerweise das Teil drehen, während die Pistole darüber fährt (siehe Abbildung 3). Um eine schöne, gleichmäßige Beschichtung zu erzeugen (z. B. beim atmosphärischen Plasmaspritzen), würden wir bei jeder Umdrehung mit der Pistole in einem Abstand von 5 mm (LST) über das Teil fahren.
Um die gewünschte Schichtdicke pro Durchgang zu erreichen, müssten wir das Teil mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 75 m/min (VR1) drehen. Um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen, sind mehrere Durchgänge erforderlich. Wenn Sie sich nicht an diese Richtlinien halten, zeigt Abbildung 4 ein Beispiel dafür, was passieren kann.
In diesem Fall wurde ein "Frisörstabeffekt" auf dem Schaft erzeugt, wenn die Pistole mit einer zu hohen Oberflächengeschwindigkeit über die Oberfläche bewegt wurde, obwohl die Richtwerte für die Schritthöhe eingehalten wurden (in diesem Fall das Vierfache der empfohlenen Oberflächengeschwindigkeit).
Die Oberflächengeschwindigkeit mag zwar eine Konstante für das verwendete Spritzverfahren sein, aber das hilft mir nicht bei der Berechnung meiner Drehgeschwindigkeit (vor allem, wenn ich viele Teile mit unterschiedlichem Durchmesser zu spritzen habe). Zum Glück gibt es eine Lösung! Die Verwendung der folgenden Formeln liefert eine angepasste Oberfläche und Stufenhöhe, unabhängig vom Teiledurchmesser.
Abbildung 3: Einstellungen für Oberflächengeschwindigkeit und Stufenhöhe für einen einfachen Zylinder.
Abbildung 4: Ein echter Friseurstab und der nach ihm benannte Effekt der Oberflächengeschwindigkeit.
RPM = VR1 ÷ (π - D)
Wobei:
- RPM - Umdrehungen pro Minute (n[min-1])
- VR1 = Oberflächengeschwindigkeit (m/min)
- D = Durchmesser (m)
VTR = U/MIN * (LST ÷ 60)
Wobei:
- VTR = Verfahrgeschwindigkeit (mm/s)
- RPM = Umdrehungen pro Minute
- LST = Stufenhöhe (mm)
Nehmen wir als Beispiel ein Teil mit einem Durchmesser von 0,5 m, das wir atmosphärisch plasmaspritzen wollen, dann sollte unsere Ausgangsgeschwindigkeit 75 m/min mit einer vorgeschlagenen Schritthöhe von 5 mm betragen (siehe Tabelle 1). Um die Manipulation so einzurichten, dass ein kontrollierter Auftragsprozess möglich ist, sollten wir das Teil mit einer Geschwindigkeit von: 75 ÷ (π * 0,5) ≅ 48 U/min, und die Spritzpistole sollte mit folgender Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden: 48 * (5 ÷ 60) = 4 mm/s.
Wenn das Rechnen nicht zu Ihren Lieblingsbeschäftigungen gehört, können Sie diese Ergebnisse in Form eines Diagramms aufzeichnen und in der Nähe der Kabine aufstellen. Dieses Diagramm kann je nach dem erforderlichen Grad der Prozesskontrolle als Rechenhilfe dienen.
Wenn Sie ein flaches Bauteil zu bearbeiten haben, muss die Oberflächengeschwindigkeit durch die Bewegung der Spritzpistole über das Bauteil erzeugt werden, wobei die Schritthöhe und der Richtungswechsel frei von der zu beschichtenden Oberfläche sein müssen.
Dies wird in der Regel durch ein Leitermuster erreicht, wie es in Abbildung 5 dargestellt ist. Würden diese Teile mit HVOF-GF gespritzt, dann würde die VTR laut Richtlinien mindestens 75 m/min betragen und die LST auf 4 mm eingestellt.
Sowohl die hier beschriebenen Rotations- als auch die Webmuster sind ein idealer Ausgangspunkt für einfache Geometrien. Nach dem ersten Durchgang (unter kontrollierten Manipulationsbedingungen) können Sie die Beschichtung natürlich mit einer Reihe von Durchgängen aufbauen, bis die endgültige Dicke erreicht ist.
Durch die Steuerung der Schichtdicke pro Durchgang (in Kombination mit den Spritzpistolenparametern) können wir die Gesamtspannung in der Beschichtung kontrollieren und so die Haft- und Kohäsionsfestigkeit der Beschichtung optimieren.
Wir müssen uns jedoch darüber im Klaren sein, dass es für alle Beschichtungen Obegrenzen für die Dicke gibt. Die Grenze ist erreicht, wenn die Eigenspannung in der Beschichtung höher ist als die mechanische Haftfestigkeit zum Substrat, d. h. die Beschichtung löst sich ab!
Die Obergrenzen der Dicke sind oft anwendungsspezifisch, aber als allgemeine Regel gilt: Je spröder und je höher die Belastung des Beschichtungsmaterials, desto niedriger die Obergrenze. Untrennbar mit dem Manipulationsprogramm verbunden ist die Einstellung des Spritzabstands von der Pistole zum Bauteil. Denn auch dieser kann die Beschichtungseigenschaften und damit die verwendeten Spritzparameter stark beeinflussen.
Abbildung 5: Schematische Darstellung eines einfachen Bindungsmusters.
Die Hitze aushalten
Ein weiterer kritischer Faktor beim Einrichten des Spritzens ist die Temperaturkontrolle. Die Wärmeübertragung auf das zu beschichtende Teil muss so gesteuert werden, dass die Temperatur des Teils nicht kontinuierlich ansteigt, bis sie einen Punkt erreicht, an dem die Materialeigenschaften beeinträchtigt werden. Es ist daher ein Gleichgewicht zwischen Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr erforderlich.
Die optimale Prozesstemperatur für eine Anwendung hängt von vielen Faktoren ab, aber sie umfasst
- Verhinderung der Oxidation der Beschichtung und/oder des Substrats
- Verhinderung einer lokalen Überhitzung, die zu einer Beschädigung der Bauteile führt
- Einfache Handhabung nach Beendigung des Sprühvorgangs
Ein wichtiger Teil der Temperaturkontrolle ist die Beherrschung der durch die Spannungen, die durch thermische Effekte entstehen. Diese können sowohl in Form von unterschiedlicher Wärmeausdehnung als auch in Form von Eigenspannungen auftreten, die während der Abscheidung entstehen. Das Vorwärmen wird im Allgemeinen als eine positive Auswirkung auf die Kontrolle der Spannungen angesehen und kann folglich die Verbindung der Beschichtung mit dem Substrat verbessern.
Eine unkontrollierte Ausdehnung des Bauteils während der Verarbeitung kann unerwartete Auswirkungen auf das Beschichtungssystem haben (das leise Knacken der Beschichtung, das Sie beim Vorbeifahren nicht hören wollen, ist ein typisches Beispiel). Es gibt viele Vorwärmtechniken, aber die übliche ist "zwei Durchgänge, nur Flamme". Diese Methode ist nicht ganz eindeutig, und je eindeutiger sie ist, desto besser, zumal eine übermäßige Vorwärmung die zu beschichtende Oberfläche oxidieren und/oder beschädigen kann.
Während des Beschichtens muss auf die Anwendung von Spannungsmanagementtechniken geachtet werden, insbesondere bei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK). Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für die Beschichtung von Rohren von außen oder innen.
Geht man davon aus, dass das abgeschiedene Material einen niedrigeren WAK als das Substrat hat, könnte eine unzureichende Temperaturkontrolle dazu führen, dass die Beschichtung am Außendurchmesser senkrecht zur Grenzfläche reißt. Im Falle des beschichteten Innendurchmessers könnte der ungleiche WAK dazu führen, dass sich die Beschichtung vollständig vom Teil löst (ich habe das schon erlebt, und kann die Erfahrung wirklich nicht empfehlen!).
Untrennbar mit dem Manipulationsprogramm verbunden ist die Einstellung des Spritzabstands von der Pistole zum Bauteil. Denn auch dieser kann die Beschichtungseigenschaften und damit die verwendeten Sprühparameter stark beeinflussen.
Abbildung 6: Wärmeausdehnung von außen und innen beschichteten Teilen.
Ausbalancieren des Wärmeflusses mit den richtigen Parametern für das thermische Spritzen
Wie erreichen wir nun all diese erforderlichen Temperaturregelungen? Im Wesentlichen geht es darum, Wärmeenergie kontrolliert abzuführen, während wir sie gleichzeitig zuführen, d. h. den Wärmestrom auszugleichen. Meistens geschieht dies durch den Einsatz von Hilfskühlung in Form von gerichteter Druckluft, manchmal auch von flüssigem Kohlendioxid (CO2) und gelegentlich von flüssigem Stickstoff.
Die meisten Anwendungen werden durch den Einsatz sauberer, trockener Druckluft ausreichend gekühlt (denken Sie daran, dass wir unsere vorbereitete Oberfläche oder unsere Beschichtung während des Auftragens nicht verunreinigen wollen). Die Kühlungsdüsen können entweder fest installiert (siehe Abbildung 7) oder an der Pistole befestigt sein (siehe Abbildung 8).
In beiden Fällen ist es wichtig, den Versorgungsdruck, die Größe der Kühldüsen und den Abstand zum Substrat zu kontrollieren, da all diese Faktoren den Wärmeentzugsprozess beeinflussen. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass der Kühlstrahl nicht auf die Sprühfahne trifft, da dies (in den meisten Fällen) negative Auswirkungen auf die Beschichtung haben kann.
Der Einsatz von fest installierten Siphon-Kühldüsen kann besonders vorteilhaft sein, da sie in der Nähe des zu besprühenden Bereichs positioniert werden können und große Mengen an Luft liefern, die aus der unmittelbaren Umgebung "angesaugt" wird.
An der Spritzpistole montierte Kühldüsen haben den Vorteil, dass sie sich mit der Pistole mitbewegen und somit einen sich bewegenden Bereich unmittelbar neben dem Spritzstrahl effizient kühlen können. Natürlich können sie nicht so viel Kühlmittel liefern wie eine fest installierte Kühldüse.
In besonderen Fällen, in denen beim Sprühvorgang erhebliche Mengen an feinem Material anfallen, können die an der Pistole angebrachten Düsen so positioniert werden, dass das Kühlmedium den Sprühabstand knapp überschreitet (siehe Abbildung 10). Durch diese Positionierung wird sichergestellt, dass die Sprühfahne nicht durch die Kühlung beeinträchtigt wird, sondern die zu beschichtende Oberfläche auf beiden Seiten der Flamme von feinem Material gereinigt wird, während diese über die Oberfläche streicht. Auf diese Weise kann eine "sandpapierraue" Beschichtung in eine Beschichtung verwandelt werden, die so glatt ist wie ein Babypopo.
Je energiereicher der Spritzprozess ist, desto schwieriger ist es, den Temperaturverlauf auf dem beschichteten Teil zu kontrollieren. Bei Verfahren wie HVOF-LF und -GF kann es häufig erforderlich sein, kryogene Kühlmethoden einzusetzen. Je mehr Wärme zugeführt wird, desto mehr Kühlung ist erforderlich, um sie abzuführen.
Abbildung 9 zeigt ein Diamond Jet™ HVOF GF-System, das eine Welle mit an der Pistole befestigten CO2-Düsen. In diesem Fall wird das CO2 in flüssiger Form zugeführt. Wenn es aus den Düsen austritt, verwandelt es sich in einen "festen" Schnee. Wenn dieser auf die Oberfläche trifft, stellt die Energie, die für die Umwandlung von fest zu flüssig zu gasförmig erforderlich ist, eine sehr effiziente Methode zur Wärmeabfuhr dar.
Um den Ausgleichseffekt zwischen aufgenommener und abgeführter Wärme richtig zu steuern, ist es sinnvoll, eine Art Temperaturmessgerät zu verwenden. Dabei kann es sich je nach Art des Spritzauftrags um berührende oder berührungslose Systeme handeln. In jedem Fall ist es sinnvoll, das Temperaturprofil des Teils während des Spritzvorgangs zu definieren und zu überwachen, um sicherzustellen, dass weder das Teil noch die Beschichtung beschädigt werden.
Kühlprozesse sollten als eine der wichtigsten Prozessvariablen betrachtet werden, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Beschichtung und den Erfolg der Anwendung haben können. Daher sollte darauf geachtet werden, dass Variablen wie Luftdruck, Abstand zwischen Kühldüse und Werkstück, Düsengröße usw. aufgezeichnet werden, um Wiederholbarkeit zu gewährleisten.
Abschließend zu den Prozessparametern des thermischen Spritzens
Wir hoffen, dass dieser Artikel Hintergrundinformationen zu einigen Parametern des thermischen Spritzens geliefert hat, die wichtig sind, wenn Sie eine Beschichtung anstreben, die Ihren und den Erwartungen des Kunden entspricht. Es gibt viele Parameter, die den thermischen Spritzprozess beeinflussen. Manipulation und Temperaturkontrolle sind nur zwei weitere Aspekte, die sorgfältig kontrolliert werden müssen. Meine wichtigste Botschaft lautet daher, dass sie als Prozessparameter behandelt werden sollten, wobei Werte und Toleranzen ordnungsgemäß anzuwenden sind. Andernfalls kann die Qualität der Beschichtung auf unerwartete und möglicherweise kostspielige Weise beeinträchtigt werden.
Abbildung 7: Anwendungsspezifische Position der Siphon-Luftkühldüsen.
Abbildung 8: Einrichten von gezielten Luftkühlungsdüsen.
Abbildung 9: Kohlendioxid-Kühldüsen an einer DiamondJet™ HVOF-GF-Pistole.
Eine Anmerkung des Autors
Liebe Freunde und Kollegen,
ich weiß, dass viele von Ihnen, die dies lesen, erfahrene technische Experten auf dem Gebiet des thermischen Spritzens sind, während andere gerade erst anfangen, das thermische Spritzen zu erlernen. Ich hoffe, dass ich mit meiner Version des Rückblicks auf das Thermische Spritzen Interesse, Bildung und Unterhaltung für alle bieten kann. Es gibt eine Handvoll kurzer Artikel, die sich mit dem thermischen Spritzen befassen.
Die Idee dahinter ist, Ihnen einen subjektiven Überblick über den Prozess und die neuesten Entwicklungen in der Welt des thermischen Spritzens zu geben. Dieser Überblick kann durchaus umfangreich und vielfältig sein. Er wird sich nicht auf zu viele technische Einzelheiten konzentrieren, sondern hoffentlich eine unterhaltsame Zusammenfassung bieten, die ein besseres Verständnis der Technologie und ihrer Vorteile ermöglicht.
Wenn Sie ein erfahrener Leser sind, möchte ich Sie einladen, mit mir zu diskutieren, Fragen zu stellen und Ihre persönliche Meinung zu äußern. Wenn Sie möchten, dass ich einen Überblick über ein verwandtes Thema schreibe, werde ich das gerne in Betracht ziehen. Ich hoffe, dass die Lektüre interessant ist, und freue mich über Ihr Feedback.
Steve Bomford
