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Ruppex

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Dienstag, 24. August 2010, 08:25

6-2 Thermische Spritzverfahren - Teil 2

6.5 Lichtbogendrahtspritzen
Das Lichtbogendrahtspritzverfahren basiert auf einem Patent von M.U. Schoop und wurde im Jahr 1917 erstmals mit einem industrietauglichen Brenner umgesetzt. Dabei werden zwei unter Spannung stehende artgleiche oder -fremde Spritzdrähte zusammengeführt. Der zwischen den Drähten gezündete Lichtbogen schmilzt das Material kontinuierlich ab. Die entstehende Schmelze wird durch das zentrisch injizierte Gas (in der Regel Druckluft) zerstäubt und auf das Bauteil geschleudert (Abbildung 30) (Wielage 2007, Lugscheider 2002). Damals wie heute zeichnet sich die Technologie durch eine preiswerte und robuste Anlagentechnik aus. Zum Betrieb eines Lichtbogenspritzsystems sind neben einer elektrischen Stromversorgung und einer Druckluftanbindung (abgesehen von arbeitschutztechnischen Einrichtungen) keine weiteren Anlagenkomponenten notwendig. Aus diesem Grund wird das Verfahren häufig mobil, auf Baustellen und durch kleinere Betriebe zur Erstbeschichtung und Instandsetzung verwendet. Als Besonderheit des Verfahrens sind die vielfältigen Möglichkeiten zur Herstellung von hochlegierten Schichten zu nennen. Dazu eignen sich einerseits Fülldrähte und anderseits der Einsatz zweier artfremder Drähte. Auf diesem Weg können auch Pseudolegierungen abgeschieden werden.
Das charakteristische Freistrahlbild beim Lichtbogenspritzen ist in der Abbildung 31 dargestellt. Eine Spritzschicht aus AISI 316L Massivdraht zeigt die Abbildung 32. Moderne Verfahrensvarianten nutzen inerte Zerstäubergase oder Schutzgasglocken (Schutzgaslichtbogenspritzen), um die Oxidation des Werkstoffs zu minimieren. Durch den Einsatz moderner Inverterstromquellen werden stabilere Prozessbedingungen, d.h. weniger starke Lichtbogenfluktuationen, erreicht. Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Schichtqualität sind der Einsatz von brennstoffhaltigen Zerstäubergasen und hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten (Hochgeschwindigkeitslichtbogenspritzen). Elektrisch nichtleitende Werkstoffe können dem konventionellen Prozess als zusätzlicher, so genannter „Kaltdraht“, zugeführt werden.


Abb. 30: Schematische Darstellung des Lichtbogendrahtspritzens nach DIN EN 657


Abb. 31: Lichtbogendrahtspritzen von AISI 316L Massivdraht


Abb. 32: Querschliff einer lichtbogendrahtgespritz-ten AISI 316L Schicht

6.6 Plasmaspritzen
Die Nutzung eines Plasmafreistrahls für das Thermische Spritzen geht auf Entwicklungen von Rudolf Reinecke aus den 1940er Jahren zurück. Durch die Anwendung von plasmagespritzten Wärmedämmschichten in der Luftfahrt erfuhr die Technologie seit den 60er Jahren einen deutlichen Aufschwung. Aufgrund der hohen Plasmatemperaturen bis > 20.000 °C ist es möglich, hochschmelzende Werkstoffe wie bspw. Keramiken zu verarbeiten. Dazu wird der Zusatzwerkstoff in der Regel radial in den aus dem Brenner austretenden Freistrahl injiziert (Lugscheider 2002). Der Brenneraufbau eines Einkathodenbrenners geht aus den Abbildungen 33 und 34 hervor. Die Abbildung 35 zeigt eine typische oxidkeramische APS-Spritzschicht. Moderne Bren-nersysteme verfügen über 4 Elektroden. Diese ermöglichen hohe Prozessleitungen bis zu 70 kW und die Ausbildung eines stabilen Lichtbogens (geringe Fluktuationen). Die Verwendung von 4 Elektroden (eine Anode + drei Kathoden oder drei Anoden und eine Kathode) erleichtert die radiale Injektion des Zusatzwerkstoffs in das Zentrum des Freistrahls. Multi-Elektrodenpaar-APS-Systeme (drei Kathoden + drei Anoden) verfügen über eine axiale Pulverinjektion (Bach 2005). Neben Plasmaspritzsystemen, die an der Atmosphäre betrieben werden (APS), existieren auch Verfahrensvarianten im Vakuum (VPS) bzw. bei Niederdruck (LPPS) und in Schutzgasatmosphäre. Diese Systeme schützen den Werkstoff vor Oxidation und ermöglichen die Herstellung verunreinigungsfreier Schichten.


Abb. 33: Schematische Darstellung des Plasmaspritzens nach DIN EN 657


Abb. 34: Plasmaspritzbrenner vom Typ F6


Abb. 35: Querschliff einer plasmagespritzten Al2O3-TiO2-Schicht

6.7 Kaltgasspritzen
Aus dem klassischen HVOF-Verfahren entwickelte sich in den 90er Jahren eine Verfahrensvariante mit deutlich niedrigeren Partikeltemperaturen, das so genannte Kaltgasspritzen. Dabei werden die Spritzpartikel fast ausschließlich mit kinetischer Energie beaufschlagt und haften durch mikrostrukturelle Verschweißungen mit der Oberfläche (Kreye 2003). Das 1986 von Anatoli Papyrin patentierte Verfahren basiert in gewisser Weise auf den ersten Beobachtungen von Max Schoop, der sich das Verschweißen von Bleikugeln auf einem Jagdschießstand zum Vorbild für die Entwicklung der Spritztechnik machte (Kretschmar 1970). Die relativ einfach aufgebaute Brennertechnik (Abbildung 36) ist gekennzeichnet durch eine konvergent-divergente Düse (De-Laval-Düse) und eine axiale Pulverinjektion. Das eingesetzte Prozessgas (Stickstoff oder Helium) wird vorgeheizt, um einerseits bei der Entspannung nicht zu stark abzukühlen (Vereisen der Anlage) und andererseits, um den Auftragwirkungsgrad zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, dass für erwärmte Spritzpartikel niedrigere, zum „Kaltverschweißen“ notwendige Partikelgeschwindigkeiten erforderlich sind als für kalte Partikel. Die Abbildung 37 zeigt den Beschichtungsvorgang zum Aufbringen einer Aluminiumhaftvermittlerschicht für das nachfolgende Spritzen einer Leiterstruktur aus Kupfer. Das finale Beschichtungsergebnis ist in der Abbildung 38 dargestellt.


Abb. 36: Schematische Darstellung des Kaltgasspritzens nach DIN EN 657


Abb. 37: Kaltgasspritzen von Aluminium


Abb. 38: Querschliff einer kaltgasgespritzen Cu-Schicht mit Al-Zwischenlage

6.8 Weitere Spritzverfahren
Neben den bereits genannten, sehr verbreiteten Spritzverfahren existieren eine Reihe weiterer Technologien, die für Sonderanwendungen oder nur relativ selten eingesetzt werden. Die wichtigsten dieser Technologien sind nachfolgend kurz zusammengefasst (Kretschmar 1970, Wielage 2007).

a) Schmelzbadspritzen
Beim Schmelzbadspritzen wird der Zusatzwerkstoff in einem Tiegel aufgeschmolzen, durch ein Rohrsystem geführt, von einem vorgeheizten Trägergas mitgerissen und auf das Bauteil geschleudert.

b) Detonationsspritzen
Das Detonationsspritzen oder auch Flammschockspritzen genannte Verfahren arbeitet mit einer diskontinuierlichen Verbrennung eines Brenngas-Sauerstoff-Gemisches. Die Zündung erfolgt in Intervallen, wobei bei jeder Zündung eine definierte Pulvermenge im Expansionsrohr beschleunigt und aufgeheizt wird (Abbildung 39). Wie beim HVOF-Spritzen werden die Partikel nur unvollständig aufgeschmolzen. Aufgrund der enormen und niederfrequenten Geräuschemission erfordert das Verfahren Lärmschutzmaßnahmen, die über jene beim HVOF-Spritzen hinausgehen.


Abb. 39: Schematische Darstellung des Detonationsspritzens nach DIN EN 657

c) Induktionsplasmaspritzen
Das Induktionsplasmaspritzen ist ein Sonderfall des Plasmaspritzens, wobei die Energiezufuhr bzw. Plasmaerzeugung durch induktive Einkopplung erfolgt. Da für die Plasmaerzeugung keine Elektroden benötigt werden, können Plasmen mit hoher Reinheit generiert werden. Die Zuführung der Prozessgase und des Pulverträgergases erfolgt axial in ein von der Induktionsspule umgebenes Rohr.

d) Induktionsspritzen
Beim Induktionsspritzen wird ein axial injizierter, drahtförmiger Zusatzwerkstoff induktiv erwärmt und aufgeschmolzen. Zur Erhöhung der Feldstärke im Bereich der Drahtspitze wird die Spule um einen Konzentrator geführt. Der kinetische Energieeintrag in den Prozess erfolgt ähnlich dem Drahtflammspritzen mit Hilfe eines Zerstäubergases.

e) Laserspritzen
Das Prinzip des Laserspritzens geht aus der Abbildung 40 hervor und erinnert an das Laserauftragschweißen. Der Laser dient der Erwärmung des radial in den Hüllgasstrahl injizierten Pulvers und des Substrates. Aufgrund der Prozesscharakteristik ist die Abschmelzleistung dieses Verfahrens relativ gering.


Abb. 40: Schematische Darstellung des Laserspritzens nach DIN EN 657

f) Verfahren zum Innenbeschichten
Verfahrensvarianten für das Innenbeschichten von Bauteilen existieren für fast alle gängigen Spritztechnologien. Die entsprechenden Spritzbrenner werden dafür in modifizierten Varianten, bspw. mit abgewinkelten Brennaufsätzen und -gasführungen angeboten. In der Regel rotieren die Bauteile um den statisch positionierten Brenner. Einige Hersteller bieten aber auch spezielle Manipulatoren und Komponenten der Gaszuführung an, um mit rotierenden Brennern zu arbeiten. Insbesondere für das Beschichten von schweren Bauteilen und in der Serienfertigung (z.B. simultanes Beschichten von mehreren Motorzylindern) sind diese Anlagen vorzufinden.


(c) Dr.-Ing. Christian Rupprecht (Verwendung von Text- und Bildmaterial nur mit ausdrücklicher Erlaubnis)