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Thermisches Spritzen - Grundlagen
Grundlagen der thermischenSpritztechnik
Oberflächentechnik 1.15
Dipl. Ing. Martin Kirchgaßner
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Grundlagen der thermischenSpritztechnik
• Einleitung und Prinzip• Vergleich zu anderen Oberflächentechnologien• Beanspruchungsprofil• Verfahren und Technologien• Warmspritzen - Kaltspritzen• Werkstoffe• Charakterisierung von Spritzschichten• Anwendungen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
WerkstoffKonstruktive Gestaltung
Einsatzbedingungen
Maß an Funktionserfüllung
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des thermischen Spritzens
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Zweck des thermischen Spritzens
• Bekämpfung von • Korrosion • Verschleiß
• Oberflächenveredelung• besondere thermische und elektrische Eigenschaften• Dekor
Thermisches Spritzen - Grundlagen
• Verschleißschutz• Korrosionsschutz• Thermische Isolation• Elektrische Isolation• Elektrisch leitende Schichten• Gleitschichten• Antihaftbeläge• Oxidationsschutz• Heißgaskorrosionsschutz• Dekoration
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Schichtdickenbereiche von Oberflächenbeschichtungen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
• 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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Auswahlkriterien
• Beanspruchungsprofil
• Spritzverfahren
• Grundwerkstoff und konstruktive Auslegung eines Bauteiles
Belastung
Kaltspritzschicht
eingeschmolzene Schicht
+
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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.
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Aufbau einer Kaltbeschichtung
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Haftung der Spritzschichten
abhängig von folgenden Faktoren:
• Aktivierungszustand der Grenzschicht, Reinheit
• thermische und kinetische Energie der Spritzpartikel
• Porengehalt
• Oxidgehalt
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Haftungsmechanismen beim thermischen Spritzen
mechanische Verklammerung
Adhäsion(physikal. Adsorption, Chemisorption)
Epitaxie
metallurgische Wechselwirkung(Diffusion, Reaktion)
partielles Verschweißen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Haftzugfestigkeit verschiedener Spritzverfahren
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Vergleich thermische - kinetische Energie
Partikelgeschwindigkeit [m/s]
Temperatur [°C]
1000°C
2000 °C
3000 °C
FSLBS
PS
HGS
DS
100 300 500 700
HGS2. Generation
900
FS...FlammspritzenLBS...LichtbogenspritzenPS...PlasmaspritzenHGS...HochgeschwindigkeitsspritzenDS...Detonationsspritzen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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)
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Mechanisch VorbereitungMechanisch Vorbereitung
45°45°
VorgehenVorgehen
Keine scharfen Kanten
- Verschlissene Welle - Verschlissenes Achsenende
R = 2.5mmR = 2.5mm
R = 2.5mmR = 2.5mm
Mechanische Vorbereitung5 mm
RotoTec B+A/GV 1.0/72/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Aufbau eines Pulverflammspritzgerätes
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Grundwerkstoff
Pulver
Spritzabstand 150 mm
Pulver fürBeschichtung
Beschichtung
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Hauptparameter beim Pulverflammspritzen:
• Flammenleistung• Flammeneinstellung• Preßluft • Pulver-Transportgas Durchfluß • Pulver: Morphologie, Zusammensetzung• Spritzabstand• Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub• Vorwärmtemperatur
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des Drahtflammspritzens:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Hauptparameter beim Drahtflammspritzen:
• Flammenleistung• Flammeneinstellung• Preßluft • Drahtvorschubgeschwindigkeit• Draht: Durchmesser, Zusammensetzung• Spritzabstand• Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub• Vorwärmtemperatur
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des Lichtbogenspritzens:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des Plasmaspritzens:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des Detonationsbeschichtens:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Prinzip des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungBeschichtung
KaltspritzschichtenKaltspritzschichten WarmspritzschichtenWarmspritzschichten
Mechanisch / chemischeBindung
Mechanisch / chemischeBindung
Metallurgische Bindungdurch Diffusion
Metallurgische Bindungdurch Diffusion
BeschichtungBeschichtung
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
RotoTec B+A/GV 1.0/64/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungBeschichtung
KaltspritzschichtenKaltspritzschichten
EigenschaftenPorosität: 1 bis 10 % volStruktur: heterogen
EigenschaftenPorosität: 1 bis 10 % volStruktur: heterogen
EigenschaftenPorenfrei, kompaktesErstarrungsgefüge
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
HaftfestigkeitFlamme: 20 bis 40 MPa
Haftfestigkeit200 bis 500 MPa
Haftfestigkeit200 bis 500 MPa
WarmspritzschichtenWarmspritzschichten
RotoTec B+A/GV 1.0/65/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungBeschichtung
KaltspritzschichtenKaltspritzschichten
Struktur: heterogen, ausSpritztropfen aufgebaut
Struktur: heterogen, ausSpritztropfen aufgebaut
KompaktesErstarrungsgefüge
KompaktesErstarrungsgefüge
Grundwerkstoff
Beschichtung
Grundwerkstoff
Beschichtung
WarmspritzschichtenWarmspritzschichten
RotoTec B+A/GV 1.0/66/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Aufbau einer Warmbeschichtung
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Wolframkarbide in einer selbstfließenden Matrix
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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 - Grundlagen
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 - Grundlagen
Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Standardverfahren (Eutalloy)
• Option 2-stufige Arbeitsweise
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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 - Grundlagen
Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen Anwendungsbeispiele
• Schnecke z. B. Ziegel-Preßschnecken• Stabilizer in der Erdölindustrie• Glasformen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem EinschmelzenWerkstoffe
• selbstfließende Legierungen auf Basis NiCrBSi mit und ohne Hartstoffverstärkung (WC)
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Herstellung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren
Wasserverdüsung
Index:1 Pfanne2 Wasserdüsen3 Reaktor4 Wasser5 Trocknen
1
5
3
2Wasser
4
Thermisches Spritzen - Grundlagen
HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren
Gasverdüsung
Index:1 Pfanne2 Gasdüsen3 Reaktor4 Lagerbehälter5 Zyklon
3
1
2N2
4
5
RotoTec B+A/GV 1.0/35/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren
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
3
2 1
94 5
67
8
Sintern
RotoTec B+A/GV 1.0/36/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
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
umum
%%
3232 150150RotoTec B+A/GV 1.0/37/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
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
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
RotoTec B+A/GV 1.0/38/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
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 +
RotoTec B+A/GV 1.0/39/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Form der Pulverpartikel:Form der Pulverpartikel:rund oderrund oder
unregelmässigunregelmässig
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
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
RotoTec B+A/GV 1.0/40/2000
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Pulverförmige Zusatzwerkstoffe
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Gasverdüstes Pulver
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Wasserverdüstes Pulver
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Sprühgetrocknetes Pulverpartikel
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Gesintert gebrochenes Pulver (Wolframkarbid/Kobalt)
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Wolframschmelzkarbid, geschmolzen gebrochen
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Weitere Charakterisierungsmethoden:
Haftzugversuch
Härteprüfung:
Kleinlasthärteprüfung (HV0,3, HV1)Mindestschichtstärke empirisch 4-15x EindrucktiefeEinfluß von Bindung, Lamellenstruktur, Porosität,Phasenanteile
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Charakterisierung von Spritzschichten:
• Phasen• Homogenität• Poren• Risse• Oxide• Diffusionszonen• teilweise- oder unaufgeschmolzene Partikel• Einschlüsse
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Haftzugversuch nach DIN 50 160:
Thermisches Spritzen - Grundlagen
Fliessverhalten (Hall flow)Fliessverhalten (Hall flow)
BeschichtungswerkstoffeBeschichtungswerkstoffe
siehe ISO 4490: Messeinheit s/50g.
Die Resultate werden durch die spezifische Masse der Pulverbeeinflusst.
Messgerät nach Hall:
Pulver
Kalibrierte Öeffnung
Durchfluss
Auffangbehälter
RotoTec B+A/GV 1.0/41/2000
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