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Ruppex

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Dienstag, 24. August 2010, 08:26

6-1 Thermische Spritzverfahren - Teil 1

6.1 Drahtflammspritzen
Das Drahtflammspritzen (Abbildung 12) zählt zu den ersten erfolgreich in der Industrie eingesetzten Spritzverfahren und zeichnet sich dadurch aus, dass nahezu jeder Werkstoff, der in Drahtform bereitgestellt werden kann, verarbeitbar ist. In den meisten Fällen kommen Massiv- oder Fülldrähte zum Einsatz. Materialien geringer Duktilität lassen sich in Form von Schnüren oder Stäben verarbeiten (DIN EN ISO 14919). Gebräuchliche Drahtdurchmesser liegen im Bereich zwischen 1 mm und 3,2 mm. Da die Zuführung der Prozessenergie durch eine Flamme erfolgt, müssen die zu verarbeitenden Materialien nicht wie beim Lichtbogenspritzen elektrisch leitfähig sein. In Abhängigkeit vom verwendeten Prozessgas und dem Brenngas-Sauerstoff-Verhältnis werden Flammentemperaturen bis 3160°C (bei Acetylen-Sauerstoff) erreicht. Als Prozessgase dienen Acetylen, Propan, Ethen, Methan, Erdgas, Wasserstoff und Sauerstoff. Die Zerstäubung des kontinuierlich von der Drahtspitze abschmelzenden Materials wird durch das so genannte Zerstäubergas (in der Regel Druckluft) unterstützt. Um die Oxidation des Spritzzusatzes und der Bauteiloberfläche zu minimieren, können inerte Gase, wie Argon oder Stickstoff, genutzt werden. Aufgrund der Brennerkonstruktion dient das Zerstäubergas auch der Kühlung thermisch belasteter Düsenkomponenten (luftgekühlte Systeme). Der Draht wird axial in den Flammbereich injiziert. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit sollte so eingestellt werden, dass der Draht homogen, d.h. ortsstabil und mit einer sich verjüngenden Drahtspitze, abschmilzt. Sowohl zu hohe, als auch zu niedrige Vorschubgeschwindigkeiten wirken sich negativ auf die Prozessstabilität aus. Die maximale Abschmelzleistung konventioneller Drahtflammspritzbrenner wird in der Literatur mit bis zu 8 kg/h angegeben (Gärtner 2007). Die Partikel erreichen maximale Partikelgeschwindigkeiten von ca. 200 m/s (Rupprecht 2006). Die Abbildung 13 zeigt eine Aufnahme des Spritzprozesses und die Abbildung 14 eine typische Drahtflammspritzschicht aus AISI 316L.


Abb. 12: Schematische Darstellung des Drahtflammspritzens (DIN EN 657)


Abb. 13: Drahtflammspritzen von AISI 316L Massivdraht


Abb. 14: Querschliff einer drahtflammgespritzten AISI 316L-Schicht

6.2 Pulverflammspritzen
Beim Pulverflammspritzen (Abbildung 15) wird der pulverförmige Spritzzusatz axial in die Flamme injiziert, komplett oder partiell aufgeschmolzen und durch die expandierenden Verbrennungsgase bzw. die Gasströmung zum Bauteil beschleunigt. Die meisten marktgängigen Systeme sind als Handbrenner ausgelegt und verfügen über einen aufgesetzten Pulvervorratsbehälter (Abbildung 16). Im Unterschied zum Drahtflammspritzen, bei dem die Spritzpartikel durch das Abschmelzen des Drahtes entstehen, liegen beim Pulverflammspritzen definierte Partikel vor, welche die Ausbil-dung homogener Schichtstrukturen begünstigen. Da die Pulverpartikel weniger stark überhitzen als beim Drahtflammspritzen, können Schichten mit geringeren Oxidgehalten erzeugt werden (Abbildung 17). Als wichtige Verfahrensvariante ist das Pulverflammspritzen von Kunststoffen zu nennen. Es ermöglicht die Verarbeitung aller gängigen Thermoplaste. Eine typische Anwendung ist die Herstellung flüssigkeitsdichter Korrosionsschutzschichten [Wielage 2007].


Abb. 15: Schematische Darstellung des Pulverflammspritzens ([DIN EN 657)


Abb. 16: Pulverflammspritzen von Hand


Abb. 17: Querschliff einer pulverflammgespritzten Kupferschicht

6.3 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen werden sowohl gasförmige als auch flüssige Brennstoffe wie Propan, Ethen, Wasserstoff, Acetylen, Kerosin, Ethanol oder Petroleum Verwendung eingesetzt (Kreye 2003). Die entsprechenden Brennerschemata sind in den Abbildungen 18 und 19 dargestellt. HVOF-Systeme (High Velocity Oxygen Fuel) lösten Anfang der 1980er Jahre das Detonationsspritzen weitestgehend ab, welches bis dahin das einzige in der Industrie eingesetzte hochkinetische Beschichtungsverfahren darstellte. Im Unterschied zum Detonationsspritzen arbeiten HVOF-Brenner mit einer kontinuierlichen Verbrennung der Prozessmedien in einer Brennkammer bzw. einer Düse. Aufgrund der hohen Ausströmgeschwindigkeiten der Reaktionsprodukte werden die in den Heißgasstrahl injizierten Pulverpartikel stark beschleunigt und führen zu Resultaten, die mit detonationsgespritzten Schichten vergleichbar sind. Gegenüber konventionellen Flammspritzschichten weisen sie deutlich verringerte Porositäten, hohe Haftzugfestigkeiten und geringe Oberflächenrauheiten auf. Die am Markt verfügbaren Systeme zeigen im Prozess charakteristische Freistrahlbilder (Abbildungen 20, 21, 24) mit ausgeprägten Verdichtungsstößen, den so genannten Schockknoten. Diese sind ein Indikator für Überschallbedingungen, deuten aber auch auf den unangepassten Auslegungszustand klassischer Düsen hin. Aufgrund der kurzen Verweilzeit der Partikel im Heißgasbereich erfolgt ein geringer thermischer Energieeintrag. Dadurch lassen sich Zusatzwerkstoffe weitestgehend ohne Phasenumwandlung oder komplettes Aufschmelzen und mit geringer Oxidation verarbeiten (Wank 2006). Diese Prozesscharakteristik prädestiniert das Verfahren für die Verarbeitung von Cermets (Brandt 2004). Eine typische Spritzschicht vom Typ WC/Co 88/12 ist in den Abbildungen 22 und 23 dargestellt.


Abb. 18: Schematische Darstellung des HVOF-Verfahrens für gasförmige Brennstoffe nach DIN EN 657


Abb. 19: Schematische Darstellung des HVOF-Verfahrens für flüssige Brennstoffe nach DIN EN 657


Abb. 20: HVOF-Freistrahl eines gasbetriebenen, luftgekühlten Brenners mit Pulver (WC/Co 88/12)


Abb. 21: HVOF-Freistrahl eines Kerosinbrenners mit Pulver (WC/Co 88/12)


Abb. 22: REM-Aufnahme des Querschliffs einer HVOF-Spritzschicht aus WC/Co 88/12


Abb. 23: Querschliff einer HVOF-Spritzschicht aus WC/Co 88/12 bei 5000facher Vergrößerung

Neuste Entwicklungen im Bereich der HVOF-Brennertechnik (Abbildungen 24 und 25) ermöglichen deutlich erhöhte Prozessleistungen bei luftgekühlten HVOF-Brennersystemen. Dazu wird das verwendete Kühl- bzw. Mantelgas verdrallt und durch eine lavalförmige Expansionsdüse geführt. Das verdrallte Hüllgas führt zu einer Fokussierung und Stabilisierung des Freistrahls (Wielage 2010).


Abb. 24: HVOF-Brenner für das Spritzen mit drallstabilisiertem Hüllgasstrom


Abb. 25: Freistrahlgeometrie des Brenners aus Abb. 24 bei hoher Prozessleistung

6.4 Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen
Im Gegensatz zur Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens von Pulvern (HVOF) wurden für das Drahtflammspritzen mit Überschallgasströmungen zunächst keine speziellen Brennertypen entwickelt. Vielmehr wurden hohe Gasdurchflussmengen in Kombination mit klassischen, leicht modifizierten Düsenkonfigurationen zum Einstellen der gewünschten Prozessbedingungen genutzt. Diese sollen zur Abscheidung sehr dichter Schichten mit geringer Oberflächenrauheit und hoher Haftfestigkeit bei gleichzeitig erhöhten Abschmelzleistungen bis ca. 15 kg/h führen (Gärtner 2007, Wilden 2000).
Als charakterisierende Verfahrensmerkmale für Hochgeschwindigkeitsspritzprozesse gelten allgemein das Vorherrschen einer Überschallgasströmung und hohe Partikelgeschwindigkeiten. Konventionelle Drahtspritzbrenner mit konvergenter Düse, die mit hohen Gasflüssen betrieben werden, erreichen in der Regel durchschnittliche Partikelgeschwindigkeiten < 250 m/s. Nur durch eine angepasste konvergent divergente Düsenkontur sind aufgrund der deutlich höheren Gasgeschwindigkeiten Partikelgeschwindigkeiten > 350 m/s möglich. Ein moderner Brenner mit konvergent divergenter Düse ist in der Abbildung 26 dargestellt. Das charakteristische Abschmelzverhalten eines Massivdrahtes zeigt die Abbildung 27. Bei optimierten Prozessbedingungen können mit dem Verfahren Schichten sehr hoher Qualität hergestellt werden (Abbildungen 28 und 29) (Rupprecht 2008 ).
Das Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen wird auch als HVOF-Drahtspritzen, HVCW-Verfahren (High Velocity Combustion Wire) oder HVWFS (High Velocity Wire Flame Spraying) bezeichnet. Im Gegensatz zum HVOF-Pulverspritzen mit flüssigem Brennstoff werden beim industriellen Einsatz des Drahtspritzverfahrens nur gasförmige Brennstoffe verwendet.


Abb. 26: Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen von AISI 316L


Abb. 27: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer abschmelzenden Drahtspitze


Abb. 28: Querschliff einer hochgeschwindigkeitsdrahtflammgespritzten AISI 316L Schicht


Abb. 29: Querschliff einer hochgeschwindigkeitsdrahtflammgespritzten Molybdänschicht

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

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