Thermisches Spritzen

Präzise Oberflächenveredelung

Die Verfahren des Thermischen Spritzens sind Oberflächenbeschichtungsverfahren. Laut der normativen Definition (DIN EN 657) werden dabei Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Die Bauteiloberfläche wird dabei (im Gegensatz zum Auftragschweißen) nicht angeschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen.

Die DURMAT®-Produktpalette bietet für die Verfahren Lichtbogendrahtspritzen (Libo), Pulver-Flammspritzen, Draht-Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF/HVAF) sowie Plasmaspritzen eine große Bandbreite an qualitativ hochwertigen Werkstoffen an.
Im Folgenden werden die verschiedenen Thermischen Spritzverfahren kurz dargestellt. Bei weiteren Fragen kontaktieren Sie uns einfach, wir helfen Ihnen gerne weiter!

Thermische Spritzverfahren

Thermische Spritzverfahren

Lichtbogendrahtspritzen (Libo)

Das Lichtbogenspritzen zeichnet sich vor allem durch hohe Auftragsraten von bis zu 80 kg/h und möglicher Herstellung von Schichtdicken bis zu mehreren Millimetern sowie einer sehr robusten Technik mit gleichzeitig leichter Handhabung aus, wodurch das Spritzverfahren oftmals auch mobil auf Baustellen Anwendung findet. Ein ausschlaggebender Vorteil des Lichtbogenspritzens ist die Tatsache, dass keine brennbaren Prozessgase erforderlich sind, womit das Verfahren an Sicherheit gewinnt und eine gute Energieausnutzung erzielt. Als Haupteinsatzgebiet gilt der Korrosions- und Verschleißschutz.

Es werden hierzu zwei Drähte, in der Regel aus demselben Material, verwendet. An diese beiden sich durch geeignete Drahtführung an der Spitze der Spritzpistole in Kontakt stehenden Drähte wird eine elektrische Spannung erzeugt. Von allen Teilwiderständen im so gebildeten Stromkreis besitzt die Berührungsstelle der beiden in 30 – 60° zueinander orientierten Drähte den geringsten Ohmschen Widerstand. Hierdurch kommt es zu einem kurzfristigen Spannungsabfall und einem sehr hohen Kurzschlussstrom mit zeitgleich starker Erwärmung, sodass an dieser Stelle das Metall beginnt aufzuschmelzen.

Gleichzeitig findet mit Hilfe eines kontinuierlichen Drahtvorschubes bei Unterschreiten eines kritischen Mindestabstandes eine konstante Gasentladung statt und durch Elektroemissions- sowie Ionisationsvorgänge wird im Luftraum zwischen den Drahtenden ein beständiger Lichtbogen ausgebildet. Beide Mechanismen haben zur Folge, dass es zum An-, Ab- bzw. Aufschmelzen des Spritzdrahtmaterials kommt, welches daraufhin durch die eingeblasene Druckluft (Zerstäubergas, Primärgas) aus einer axialen Düse sowohl zerstäubt als auch zur Werkstückoberfläche beschleunigt wird. Der Einsatz von Argon anstelle von Druckluft reduziert den Oxidgehalt der Schicht. Über den Drahtvorschub wird auch die Anzahl der Gasentladungen pro Zeiteinheit (Stromstärke) geregelt, da der Lichtbogen nicht kontinuierlich brennt, sondern mit hoher Frequenz fluktuiert. Mit zunehmender Drahtvorschubgeschwindigkeit steigt die Frequenz der Gasentladungen und somit die Stromstärke. Abgrenzend zu den meisten anderen Verfahren kommt es beim Lichtbogenspritzen in der Regel zu einem vollständigen Aufschmelzen der Partikel.

Für das Lichtbogendrahtspritzen kommen zahlreiche DURMAT®-Fülldrähte (Eisenbasislegierung, Nickelbasislegierung, Kobaltbasislegierung) zum Einsatz.


Typische DURUM-Produkte:
DURMAT® AS-761, AS-775, AS-802, AS-812, AS-906
 

Pulver-Flammspritzen

Beim Pulverflammspritzen wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff im Düsensystem der Spritzpistole mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme (thermische Energie) an- oder aufgeschmolzen und mit entsprechender Geschwindigkeit (kinetische Energie) auf die vorgesehenen Werkstuckbereiche aufgebracht. Falls erforderlich, kann zur Beschleunigung der Pulverteilchen auch noch ein zusätzliches Gas (z.B. Argon oder Stickstoff) verwendet werden. Die Vielfalt der Spritzzusatzwerkstoffe ist bei den Pulvern mit weit über 100 Materialien sehr weit gefächert.

Bei den Pulvern unterscheidet man selbstfließende und selbsthaftende Pulver. Die selbstfließenden Pulver benötigen meist zusätzlich eine thermische Nachbehandlung. Dieses "Einschmelzen" erfolgt überwiegend mit den dafür hervorragend geeigneten Acetylen-Sauerstoff-Brennern.

Durch den thermischen Prozess wird die Haftung von Spritzschicht auf dem Grundwerkstoff erheblich gesteigert; die Spritzschicht wird gas- und flüssigkeitsdicht.

Typische DURUM-Produkte:
DURMAT® 356, 456
 

Draht-Flammspritzen

Beim Drahtflammspritzen wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff im Düsensystem der Spritzpistole mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme (thermische Energie) an- oder aufgeschmolzen und mit entsprechender Geschwindigkeit (kinetische Energie) auf die vorgesehenen Werkstuckbereiche aufgebracht. Falls erforderlich, kann zur Beschleunigung der Pulverteilchen auch noch ein zusätzliches Gas (z.B. Argon oder Stickstoff) verwendet werden. Die Vielfalt der Spritzzusatzwerkstoffe ist bei den Pulvern mit weit über 100 Materialien sehr weit gefächert.

Bei den Pulvern unterscheidet man selbstfließende und selbsthaftende Pulver. Die selbstfließenden Pulver benötigen meist zusätzlich eine thermische Nachbehandlung. Dieses "Einschmelzen" erfolgt überwiegend mit den dafür hervorragend geeigneten Acetylen-Sauerstoff-Brennern. Durch den thermischen Prozess wird die Haftung von Spritzschicht auf dem Grundwerkstoff erheblich gesteigert; die Spritzschicht wird gas- und flüssigkeitsdicht.


Typische DURUM-Produkte:
DURMAT® AS-761, AS-775, AS-802, AS-812, AS-906
 

Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF/HVAF)

Das Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (HVOF, abgeleitet von High-Velocity-Oxygen-Fuel) ist ein thermisches Beschichtungsverfahren zur Oberflächenbearbeitung. Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen erfolgt eine kontinuierliche Kraftstoffverbrennung unter hohem Druck innerhalb einer wasser- oder luftgekühlten Brennkammer. Als Kraftstoffe werden Brenngase (wie z. B. Propan, Ethylen, Propen, Butan, Acetylen, Wasserstoff), flüssige Brennstoffe (z. B. Diesel, Kerosin) sowie auch Kombinationen von diesen eingesetzt. Das Oxidationsmittel ist meistens Sauerstoff, aber auch Luft (gebräuchliche Verfahrensbezeichnung: HVAF, abgeleitet von High-Velocity-Air-Fuel). Der in der Brennkammer erzeugte hohe Druck des brennenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisches und die (meist nachgeordnete) Expansionsdüse (Lavaldüse) erzeugen die notwendige hohe Geschwindigkeit des Gasstrahls.

Meistens pulverförmige (aber auch als Stäbe und Drähte) Spritzwerkstoffe (Korngröße 1–150 µm) werden axial in der Brennkammer oder radial im Bereich der Expansionsdüse zugeführt. Dadurch werden die Spritzpartikel auf die hohen Geschwindigkeiten beschleunigt, die zu sehr dichten Spritzschichten mit hervorragenden Hafteigenschaften führen. Durch die regelbare und gerade ausreichende Wärmeeinbringung wird der Spritzwerkstoff durch den Spritzprozess nur gering metallurgisch verändert.

Einsatzgebiete sind: Kraftwerke, Luftfahrt-, Auto-, Papier- und Maschinenbau-Industrie.

Typische DURUM-Produkte:
DURMAT® 101, 131, 131
 

Plasmaspritzen

Beim Atmosphärischen Plasmaspritzen sind in einem Plasmabrenner eine Anode und bis zu drei Kathoden durch einen schmalen Spalt getrennt. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt. Das durch den Plasmabrenner strömende Gas oder Gasgemisch wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert. Die Dissoziation, beziehungsweise anschließende Ionisation, erzeugt ein hochaufgeheiztes (bis 20000 K), elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet wird Pulver (übliche Kornverteilung: 5–120 µm, bei bestimmten Geräten ist auch eine Körnung von bis hinunter zu 100 nm möglich) eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück / Bauteil / Substrat. Die Gasmoleküle kehren bereits nach kürzester Zeit wieder in einen stabilen Zustand zurück und so sinkt die Plasmatemperatur bereits nach kurzer Wegstrecke wieder ab. Die Plasmabeschichtung erfolgt in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre (unter Schutzgas wie Argon), in Vakuum oder auch unter Wasser. Für die Schichtqualität sind die Geschwindigkeit, Temperatur als auch die Zusammensetzung des Plasmagases von Bedeutung. Besondere Abwandlungen wie das PTWA (PTWA-Verfahren für Plasma Transferred Wire Arc) verwenden anstatt des Pulvers einen Draht, was zu einem einfacheren Aufbau des Brenners führt.

Bei dem Schutzgas Plasmaspritzen wird der gesamte Vorgang mit Schutzgas (meist Stickstoff) als Transportgas durchgeführt. Vorteil hierbei ist die sehr geringe Oxidation der Partikel zwischen Brenner und Substrat.

Verwendete Gase sind Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder Kombinationen daraus. Durch die sehr unterschiedlichen Prozessparameter können eine Vielzahl von Beschichtungen realisiert werden, sodass es nahezu in jeder Branche Anwendungsfelder gibt. Wichtige Industriezweige, in denen Plasmaspritzen eingesetzt werden, sind die Automobilindustrie, die Papier- und Druckindustrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Abfallindustrie und die energieerzeugende Industrie.

Typische DURUM-Produkte:
DURMAT® 601, 602, 644