Thermisches Spritzen - Grundlagen Grundlagen der thermischen Spritztechnik Oberflächentechnik 1.15...

Thermisches Spritzen - Grundlagen

Grundlagen der thermischenSpritztechnik

Oberflächentechnik 1.15

Dipl. Ing. Martin Kirchgaßner

Grundlagen der thermischenSpritztechnik

• Einleitung und Prinzip• Vergleich zu anderen Oberflächentechnologien• Beanspruchungsprofil• Verfahren und Technologien• Warmspritzen - Kaltspritzen• Werkstoffe• Charakterisierung von Spritzschichten• Anwendungen

WerkstoffKonstruktive Gestaltung

Einsatzbedingungen

Maß an Funktionserfüllung

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

AnwendungenAnwendungen

Vorbeugende Instandhaltung: BeschichtenVorbeugende Instandhaltung: Beschichten

Instandsetzung: Aufbau und BeschichtenInstandsetzung: Aufbau und Beschichten

VerschleissschutzVerschleissschutz

Korrosionsschutz (Oxidation)Korrosionsschutz (Oxidation)

Ausbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche ToleranzenAusbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche Toleranzen

Die wichtigsten OberflächenverfahrenBeeinflussung der Randschicht

MechanischeOberflächenverfestigung• Strahlen• Rollen• Druckpolieren

Randschichthärten• Flammhärten• Induktionshärten• Impulshärten• Elektronenstrahlhärten• Laserstrahlhärten

ThermochemischeOberflächenverfahren• Aufkohlen• Borieren• Carbonitrieren• Chromieren• Nitrieren• Nitrocarburieren

Physikalische Abscheidung aus derGasphase (PVD)• Aufdampfen• Sputtern• Ionenplattieren

Chemische Abscheidung aus derGasphase (CVD)• Titannitrid• Titancarbid• Titancarbonitrid• Aluminiumoxid

Die wichtigsten OberflächenverfahrenAufbringen 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

• 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 !

Vorteile des thermischen Spritzens

Auswahlkriterien

• Beanspruchungsprofil

• Spritzverfahren

• Grundwerkstoff und konstruktive Auslegung eines Bauteiles

Belastung

Kaltspritzschicht

eingeschmolzene Schicht

Verfahrensübersicht nach DIN 32530

Thermisches Spritzen ohne

Nachbehandlung

Thermisches Spritzen

mit nachträglichem Schmelzverbinden

Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Schmelzverbinden

Schmelzbad-spritzen

FlammspritzenDraht/Pulver

Kondensator-entladungsspr.

FlammspritzenPulver

Flammschock-spritzen

Draht-Licht-bogenspritzen Plasmaspritzen

Hochgeschwin-digkeitsspr.

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

Adhäsionphysikalisch: Annäherung auf Gitterdimensionchemisch: Austausch von Valenzelektronen bei affinen Werkstoffen

Epitaxie: strukturgleiches, orientiertes Anwachsen des Gastgitters auf dem Wirtsgitter

metallurgische WechselwirkungenDiffusionReaktion

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

Partikelgeschwindigkeit [m/s]

Temperatur [°C]

1000°C

2000 °C

3000 °C

100 300 500 700

HGS2. Generation

FS...FlammspritzenLBS...LichtbogenspritzenPS...PlasmaspritzenHGS...HochgeschwindigkeitsspritzenDS...Detonationsspritzen

Vorbereiten der Oberfläche

metallisch blankfettfreiVorwärmen 70 - 80 °CMechanische Aktivierung der Oberfläche

• Rauhstrahlen (Hartgußkies, Al2O3)• Rauhtiefe Rt>30 µm• Gewindeartiges Vordrehen (Vorsicht bei dynamischer Beanspruchung)• Schleifen (keramisch gebundene Schleifsteine)

Vorwärmung (60 - 200°C)

Oberfläche aktivierenOberfläche aktivieren

VorgehenVorgehen

Verfahren:Verfahren: Stahl NIRO Kupfer- Alu-Stahl NIRO Kupfer- Alu-

werkstoffe werkstoffe

Rauhstrahlen (Korund)Rauhstrahlen (Korund) + + + + + +

Rauhstrahlen (Hartgusskies) +Rauhstrahlen (Hartgusskies) +

Gewinde drehen +Gewinde drehen +1)1) + +1)1) + +

Schleifen (keramischer Binder)Schleifen (keramischer Binder) + + + + + +

1) wegen möglicher Kerbwirkung ungeeignet beidynamischer Wechselbeanspruchung

RotoTec B+A/GV 1.0/73/2000

Mechanisch VorbereitungMechanisch Vorbereitung

45°45°

VorgehenVorgehen

Keine scharfen Kanten

- Verschlissene Welle - Verschlissenes Achsenende

R = 2.5mmR = 2.5mm

Mechanische Vorbereitung5 mm

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 fürBeschichtung

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:

BeschichtungBeschichtung

KaltspritzschichtenKaltspritzschichten WarmspritzschichtenWarmspritzschichten

Mechanisch / chemischeBindung

Metallurgische Bindungdurch Diffusion

Unlegierter StahlUnlegierter Stahl

- Mechanische Verklammerung- Adhäsion- Epitaxie- Metallurgische Wechselwirkung- Oertliches Verschweissen

25 um25 umNiNi CrCr SiSi FeFe MnMn

Beschichtung NiCrBSiBeschichtung NiCrBSi

Unlegierter StahlUnlegierter Stahl

Diffusions-Diffusions-zonezone

KaltspritzschichtenKaltspritzschichten

EigenschaftenPorosität: 1 bis 10 % volStruktur: heterogen

EigenschaftenPorenfrei, kompaktesErstarrungsgefüge

Schichtdicke: 0.05 bis 2 mmSchichtdicke: 0.05 bis 2 mm Schichtdicke: 0.3 bis 3 mmSchichtdicke: 0.3 bis 3 mm

HaftfestigkeitFlamme: 20 bis 40 MPa

Haftfestigkeit200 bis 500 MPa

WarmspritzschichtenWarmspritzschichten

KaltspritzschichtenKaltspritzschichten

Struktur: heterogen, ausSpritztropfen aufgebaut

KompaktesErstarrungsgefüge

Grundwerkstoff

Beschichtung

Grundwerkstoff

Beschichtung

WarmspritzschichtenWarmspritzschichten

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 EinschmelzenWerkstoffe

• 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

RöhrchendrahtFalzdraht

Herstellung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe

BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe

HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren

Wasserverdüsung

Index:1 Pfanne2 Wasserdüsen3 Reaktor4 Wasser5 Trocknen

2Wasser

Gasverdüsung

Index:1 Pfanne2 Gasdüsen3 Reaktor4 Lagerbehälter5 Zyklon

Agglomeration durch Sprühtrocknen:Sehr feine Partikel + organischer BinderIndex:1 Pulverkollektor2 Reaktor (teilweise Verdampfung des

Bindemittels)3 Zyklon4 Düsen zum Versprühen5 Warmluftdüsen6 Heizen der Luft7 Pumpe8 Mischer (Co +WC + organischer Binder)9 Lagerbehälter

Sintern

Durchmesser - KornverteilungDurchmesser - Kornverteilung

Zur genauen Charakterisierung der Korngrösse eines Pulvers istder Korngrössenbereich und die Verteilung nach Korngrösse zumessen und dokumentieren.

Messmethoden:

- Röntgenabsorption- Laserstrahlstreuung

Diagramm: 150/32 oder - 150 + 32

3232 150150RotoTec B+A/GV 1.0/37/2000

KorngrössenbereicheKorngrössenbereiche

Beispiele von üblichen Korngrössenbereichen (um):

45/22 -45 +22

90/45 -90 +45

45/5 -45 + 5

75/14 -75 +14

150/32 -150 + 32

2020 4040 6060 8080 10010000 umum

Korngrössenbereiche, nach SpritzverfahrenKorngrössenbereiche, nach Spritzverfahren

Beispiele von üblichen Korngrössenbereichen (um):

Flammspritz- Plasma- Plasma HVOF pulver (kalt) pulver Keramik Pulver

45/22 -45 +22 + + +

90/45 -90 +45 +

45/5 -45 + 5 + +

75/14 -75 +14 +

150/32 -150 + 32 +

Form der Pulverpartikel:Form der Pulverpartikel:rund oderrund oder

unregelmässigunregelmässig

KornformKornform

Die Form der Pulverpartikel kann unter dem Raster -Elektronenmikroskop oder Stereomikroskop ermittelt werden.

Verdüste oderVerdüste oderagglomerierte Pulveragglomerierte Pulver

(WC-Co)(WC-Co)

Gebrochene PulverGebrochene Pulverzum Beispiel:zum Beispiel:

WW22C/WC SchmelzkarbideC/WC Schmelzkarbide

Form der Pulverpartikel: kantigForm der Pulverpartikel: kantigUngeeignet für KaltspritzenUngeeignet für Kaltspritzen

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 EindrucktiefeEinfluß von Bindung, Lamellenstruktur, Porosität,Phasenanteile

Charakterisierung von Spritzschichten:

• Phasen• Homogenität• Poren• Risse• Oxide• Diffusionszonen• teilweise- oder unaufgeschmolzene Partikel• Einschlüsse

Haftzugversuch nach DIN 50 160:

Fliessverhalten (Hall flow)Fliessverhalten (Hall flow)

siehe ISO 4490: Messeinheit s/50g.

Die Resultate werden durch die spezifische Masse der Pulverbeeinflusst.

Messgerät nach Hall:

Pulver

Kalibrierte Öeffnung

Durchfluss

Auffangbehälter

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