Ein Leitfaden zum Thermischen Spritzen

Was ist thermisches Spritzen?

Thermische Spritztechniken bestehen aus einer Wärmequelle wie einer Flamme und einem Beschichtungsmaterial, in der Regel in Form von Pulver oder Draht, das zu kleinen Tröpfchen geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf Oberflächen gespritzt wird. Dieses industrielle Beschichtungsverfahren wird manchmal auch als “Sprühschweißen bezeichnet.”

Thermische Spritzbeschichtungen werden in der Regel auf Metallsubstrate aufgebracht, manchmal auch auf Kunststoff- oder Keramikgrundmaterialien. Sie steigern die Leistung des Bauteils durch verbesserte Verschleißfestigkeit, Korrosionsfestigkeit oder thermische Barrieren und sind eine vielseitige und effektive Alternative zu anderen Beschichtungsverfahren. Für technische Anwendungen zeichnen sich thermische Beschichtungen dadurch aus, dass sie Metalle, Cermets, Keramiken und Polymere mit minimaler Porosität und sehr hoher Haftfestigkeit auftragen können, ohne das Substrat zu schmelzen oder wesentlich zu erhitzen.

Die Beschichtungsqualität wird normalerweise durch Berechnung von Porosität, Oxidgehalt, Makro- und Mikrohärte, Oberflächenrauigkeit und Haftfestigkeit bewertet. Mit zunehmender Partikelgeschwindigkeit nimmt in der Regel auch die Beschichtungsqualität zu.

Zu den verschiedenen Verfahren des thermischen Spritzens gehören:

• Plasmaspritzen
• Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
• Detonationsspritzen
• Lichtbogenspritzen
• Kaltgasspritzen
• Flammspritzen
• Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVAF)
• Sprühen und Sichern

Das thermische Spritzen bietet die Möglichkeit, eine Reihe von Beschichtungsmaterialien wie Keramiken, Metalle, Legierungen, Cermets, Karbide, Polymere und Kunststoffe aufzubringen. Thermische Spritzbeschichtungen ermöglichen das Entwerfen und Konstruieren eines Bauteils unter Verwendung eines Substrats und eines Beschichtungsmaterials, was mit einem der beiden Werkstoffe allein nicht möglich wäre. Sie ermöglichen auch die Verwendung kostengünstiger Grundwerkstoffe in anspruchsvollen Verschleiß-/Korrosionsanwendungen, indem sie die erforderlichen mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften „an der Oberfläche“ erzeugen. Tausende von Anwendungen in praktisch allen Branchen nutzen die kosteneffizienten Vorteile der thermischen Spritztechnologie.

Eine genaue Kontrolle der Sprühparameter ermöglicht das Auftragen einer Reihe von Beschichtungsstärken, von sehr dünnen, dichten Beschichtungen bis hin zu dicken Beschichtungen mit hoher Kohäsion, die mit hohen Abscheidungsraten und -dicken aufgetragen werden. Während die meisten thermischen Spritzbeschichtungen mechanisch mit dem Substrat verbunden werden, können einige Beschichtungen wärmebehandelt werden, um eine noch stärkere Verbindung mit dem Substrat zu erreichen. Das thermische Spritzen bietet auch die Möglichkeit, Beschichtungsmaterialien mit einem höheren Schmelzpunkt als das Substrat zu spritzen. Die meisten Teile können mit minimaler bis gar keiner Vorwärmung oder Nachbehandlung gespritzt werden, und die Fähigkeit, den Wärmeeintrag in das Grundmetall zu steuern, ist sehr gut bekannt und daher sehr gut kontrollierbar. Die Teile können „neu“ beschichtet oder wiederaufbereitet werden, und zwar zu einem Preis, der in der Regel nur einen Bruchteil des Schmiede- oder Beschaffungspreises Preises beträgt. Die außergewöhnliche Vielseitigkeit und Kosteneffizienz von thermischen Spritzbeschichtungen macht sie zu einem attraktiven Werkzeug für Ingenieure, die neue verschleiß- und korrosionsbeständige Komponenten entwerfen, sowie für Instandhaltungs-Fachleute, die die Gerätebetriebszeit verwalten und gleichzeitig das Budget einhalten müssen.  

Seit Einführung der thermischen Spritzbeschichtungen Mitte des 20. Jahrhunderts verlassen sich Werksleiter und Wartungspersonal auf die thermische Spritztechnologie als wertvolles Mittel zur Verbesserung und Optimierung kritischer Komponenten für Anlagen der Leicht- und Schwerindustrie. Technologen des Thermischen Spritzens haben die thermische Spritztechnologie ständig weiterentwickelt, indem sie neue Zuführungssysteme und Materialien (vor allem Pulver) entwickelt haben und, was vielleicht am wichtigsten ist, das Anwendungs-Know-how perfektioniert haben, das potenzielle neue und spannende Anwendungen ermöglicht. 

Unsere wichtigsten thermischen Spritzverfahren sind Detonation, Flamme, Lichtbogen, Plasma und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF).

Detonationsspritzen
Es handelt sich um ein geschütztes Verfahren, das bei Praxair Surface Technologies erfunden wurde. Gas und Pulver werden in kontrollierten Detonationen kombiniert und mit Überschallgeschwindigkeit auf das Teil gestrahlt. Gängige Materialien sind Wolframkarbid oder Chromkarbid, Metalllegierungen, Keramik und Cermets.

Flammspritzen
Dieses Verfahren ist kostengünstig und kann leicht in der Werkstatt oder vor Ort durchgeführt werden. Es wird auch als Sauerstoff-/Acetylen-Verbrennungsspritzen bezeichnet und ist die älteste thermische Spritztechnik, die vor 100 Jahren entwickelt wurde. Sauerstoff und Brennstoff-Gas wie Acetylen, Propan oder Propylen werden in einen Brenner geleitet und in einer Flamme entzündet. Draht oder Pulver kann in die Flamme eingespritzt werden, wo es schmilzt und dann thermisch auf das Werkstück gespritzt wird. Edelstähle, Nickel, Aluminide, Hastelloy-Legierungen, Zinn und Babbitt-Metall (eine Legierung auf Zinnbasis) sind einige der Materialien, die durch Flammspritzen aufgetragen werden können.

Lichtbogenspritzen
Dabei werden zwei Drähte gleichzeitig an der Düse miteinander in Kontakt gebracht. Wenn die elektrische Last auf den Drähten liegt, schmelzen die Drahtspitzen, sobald sie sich berühren. Zerstäubungsgase wie Luft oder Stickstoff werden verwendet, um das geschmolzene Material von den Drähten zu lösen und auf das Werkstück zu bringen. Das Lichtbogenspritzen ist relativ kostengünstig und in der Praxis gut einsetzbar. Geschwindigkeiten, die geringe Partikel aufweisen, ermöglichen eine hohe Beschichtungsstärke für ein bestimmtes Material. Zu den Materialien, die in der Regel im Lichtbogenspritzverfahren aufgebracht werden, gehören Edelstähle, Hastelloys, Nickelaluminide, Zink, Aluminium und Bronze.

Plasmaspritzen
Das Plasmaspritzen gilt gemeinhin als das vielseitigste der thermischen Spritzverfahren. Gase wie Argon und Wasserstoff werden während des Plasmaspritzens durch einen Brenner geleitet. Die Gase werden durch einen Lichtbogen dissoziiert und ionisiert. Die atomaren Bestandteile rekombinieren nach der Düse und geben dabei eine enorme Menge an Wärme ab. Die Temperatur des Plasmakerns beträgt in der Regel mehr als 10.000 ℃, was mehr ist als die durchschnittliche Schmelztemperatur eines jeden Materials. Das Pulver wird in den Plasmastrahl injiziert, wo es geschmolzen und auf das Werkstück projiziert wird.

Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
Dieses Verfahren ist relativ neu und hat den Anwendungsbereich des thermischen Spritzens in Bereiche verlagert, die früher unerreichbar waren. Beim HVOF-Spritzen wird ein gasförmiger Brennstoff wie Wasserstoff oder ein flüssiger Brennstoff wie Kerosin mit Sauerstoff gemischt und in der Brennkammer des Brenners unter hohem Druck verbrannt. Das Pulver wird in die Flamme eingespritzt, erhitzt und durch die Überschallgeschwindigkeit des Gase’s beschleunigt. Dadurch sind sehr dichte Beschichtungen durch thermisches Spritzen möglich. Das HVOF-Verfahren ist die bevorzugte Technik zum thermischen Spritzen von verschleiß- und korrosionsbeständigen Karbiden sowie von Hastelloy-, Tribaloy- und Inconel-Legierungen.

Zu den Verbesserungen bei der Anwendung des thermischen Spritzverfahrens gehören:

• Verschleißfestigkeit und Kontrolle:

• Abrasionswiderstand
• Anhaftungswiderstand (Reibung)
• Oxidationsfestigkeit
• Kavitationsfestigkeit
• Erosionsfestigkeit
• Ersatz für Metallermüdung

• Korrosionsfestigkeit und Schutz

• Verbesserung der mechanischen Eigenschaften