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

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. 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 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. 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 OberflächenverfahrenBeeinflussung der Randschicht

9. 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 Die wichtigsten OberflächenverfahrenAufbringen bzw. Abscheiden von Überzügen

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 !

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

17. Aufbau einer Kaltbeschichtung

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

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 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)

31. 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

32. Aufbau eines Pulverflammspritzgerätes

33. Pulver Beschichtung Grundwerkstoff Pulver für Spritzabstand Beschichtung 150 mm

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: 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

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:

49. Aufbau einer Warmbeschichtung

50. Wolframkarbide in einer selbstfließenden Matrix