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Ruppex

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Dienstag, 24. August 2010, 08:27

5 Zusatzwerkstoffe

Als Zusatzwerkstoffe oder Spritzzusätze werden die Materialien bezeichnet, die dem Spritzgerät zugeführt und als Schicht auf das Bauteil aufgetragen werden. Für den Großteil der Anwendungen kommen Drähte und Pulver zum Einsatz. In seltenen Fällen werden auch Schnüre, Stäbe und Suspensionen verspritzt. Nachfolgend werden die verschiedenen Zusatzarten erläutert.

5.1 Pulverförmige Zusätze

Die Mehrzahl der am Markt erhältlichen Pulver wird anhand der chemischen Zusammensetzung, des Herstellungsverfahrens und der Partikelgrößenverteilung (in der Literatur häufig als Korngrößenverteilung bezeichnet) spezifiziert (siehe DIN EN 1274) (Lugscheider 2002). Die wichtigste Technologie zum Herstellen metallischer Pulver ist die Verdüsung. Mit Hilfe der so genannten Gasverdüsung wird die Ausbildung sphärischer Partikel, die sehr gut fließ- und förderfähig sind, erreicht. Inertgasverdüste Pulver zeichnen sich durch einen geringen Oxidgehalt aus. Alternativ werden auch wasserverdüste Pulver angeboten, die in Bezug auf Kornform und Oxidgehalt deutliche Unterschiede aufweisen können (Abbildung 5 und 6). Bei der Wasserverdüsung wird der Schmelzstrahl mit Hilfe eines Wasser- oder Gasstrahls zerstäubt und das dabei erzeugte Pulver in einem Wasserbad aufgefangen. Werkstoffe mit hohen Schmelztemperaturen, die sich nur unter hohem technologischem Aufwand verdüsen lassen, wie bspw. Keramiken, liegen häufig in geschmolzener und gebrochener Form vor (Abbildung 7 und 8 ). Typisches Herstellungsverfahren für Cermets (Mehrkomponentensysteme) oder Metalllegierungen mit hohem Schmelzpunkt ist das Agglomerieren und Sintern. Die Abbildungen 9 und 10 zeigen typische HVOF- Spritzpulver, WC/Co 88/12 und reines Molybdän. Durch das Agglomerieren und Sintern wird eine in erster Näherung ideale sphärische Partikelform erreicht. Die Pulver sind sehr gut fließ- und förderfähig.
Neben den genannten typischen Pulverherstellungsverfahren existieren weitere Technologien, die zu verarbeitbaren Pulvern führen. Häufig werden auch Pulvermischungen angeboten. Prozessbedingt ist neben der guten Fließfähigkeit auch eine enge Partikelgrößenverteilung entscheidend. Spritzpulver werden im Bereich zwischen ca. 10 µm bis ca. 80 µm verarbeitet. Je enger die Fraktionierung erfolgt, desto homogenere Schichten sind zu erwarten. Bei sehr feinen Partikeln besteht die Gefahr des vorzeitigen Aufschmelzens, was zu Verstopfung von Injektoren oder Bildung von Anbackungen an Düsenkörpern des Spritzbrenners führen kann. Zu große Partikel können nicht genügend stark und homogen aufgeheizt werden und können zu Anbindungsfehlern in der Schicht führen.[/align]


Abb. 5: Gasverdüstes NiCr 80/20


Abb. 6: Wasserverdüstes NiCr 80/20


Abb. 7: Geschmolzenes und gebrochenes Al2O3/TiO2


Abb. 8: Geschmolzenes, gebrochenes und wärmebehandeltes Cr2O3 Pulver


Abb. 9: Morphologie von agglomeriert-gesintertem WC/Co 88/12


Abb. 10: Morphologie von agglomeriert-gesintertem Molybdänpulver

5.2 Drähte, Stäbe und Schnüre
Große Vorteile bei der Verwendung von Drähten anstelle von Pulvern ergeben sich aus dem einfacheren Handling bei Transport, Lagerung und Förderung. Drähte sind weniger empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit, zeigen keine Entmischungs-erscheinungen und können sehr präzise gefördert bzw. dosiert werden. Hauptan-wendungsgebiete für Spritzdrähte sind das Lichtbogendraht- und Drahtflamm-spritzen (Wilden 2000, Gärtner 2007). Keramische Stäbe werden ausschließlich mit-tels Flammspritzen verarbeitet. Schnüre bestehen aus einer Kunststoffhülle, in die Pulver und Binder eingebracht sind. Beim Flammspritzen verbrennt der Kunststoff und gibt das Pulver frei. Eine Übersicht zur Einteilung der Werkstoffe gemäß dem Herstellungsprozess und dem resultierenden Drahtdesign nach DIN EN ISO 14919 ist in der Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Einteilung der Werkstoffe zum Thermischen Spritzen gemäß dem Herstellungsprozess und dem resultierenden Drahtdesign nach DIN EN ISO 14919


Mit Fülldrähten stehen dem Anwender Werkstoffe zur Verfügung, die aufgrund gerin-ger Duktilität nicht zu Massivdraht verarbeitet werden können. Sie erweitern das Ma-terialspektrum deutlich. Für Fülldrähte existieren verschiedene herstellungsbedingte Drahtdesigns. Der schematische Aufbau eines Fülldrahtes ist in der Abbildung 11 dargestellt. Es wird zwischen mit Falz formgeschlossenen, auf Stoß formgeschlosse-nen und nahtlosen Fülldrähten unterschieden (Tabelle 3) (Rupprecht 2006).


Abb. 11: Schematischer Aufbau eines Fülldrahtes für das Thermische Spritzen

Tabelle 3: Übersicht unterschiedlicher Drahtdesigns und der entsprechenden Querschliffaufnahmen des Werkstoffs AISI 316L (unten)


5.3 Suspensionen
Suspensionen bestehen aus einem flüssigen Trägermedium, in das Pulverpartikel eingebracht sind. Durch die thermische Energie des Spritzprozesses wird das Trä-germedium verdampft bzw. dissoziiert. Die Flüssigkeit dient zur Verbesserung der Förderbarkeit und Injektion der Pulver in den Prozess. Vorteile ergeben sich insbe-sondere bei sehr feinen und schlecht fließfähigen Fraktionen. Obwohl nur wenige technische Anwendungen für suspensionsgespritzte Schichten bestehen, erfährt die Technologie einen stetig steigenden Zuspruch. Hauptanwendungsgebiet ist die Ver-arbeitung nanoskaliger Partikel mittels Plasmaspritzen. Möglich ist aber auch die Verarbeitung mittels Flammspritztechnik. Die Verfahrensvariante unter Einsatz eines HVOF-Brenners wird in der Literatur als HVSFS (High Velocity Suspension Flame Spraying) bezeichnet (Killinger 2006).


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

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