26. AUGUST 2016

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Damit zusammen bleibt, was zusammen gehört


Fokus/Beschichtung

Thermische Beschichtungsverfahren haben einen hohen industriellen Stellenwert, etwa für die Luft- und Raumfahrt, im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der chemischen Industrie. Unterschiedliche Werkstoffe werden kombiniert, um die Eigenschaften eines Bauteils zu verbessern oder völlig neue Oberflächeneigenschaften zu erhalten.
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Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufgeschmolzen.« (Definition nach DIN EN 657)

Das thermische Spritzen als Beschichtungsprozess ist seit etwa 50 Jahren im industriellen Einsatz. Anfänglich hatte das Flammspritzen metallischer Werkstoffe eine eher geringe Bedeutung: Es wurde hauptsächlich zu Reparaturzwecken oder zum Aufbringen von Schutzschichten verwendet. Der größte Technologieschub setzte in den letzten 20 Jahren mit der Einführung neuer Beschichtungsverfahren ein, wobei sich besonders Hochgeschwindigkeits- und Plasmaspritzen etablieren konnten. Durch wachsende technische Anforderungen an funktionale Beschichtungen erlangten die Verfahren des thermischen Spritzens zunehmende Bedeutung in vielen Bereichen.

Dazu haben vor allem die Entwicklung neuartiger Materialien, neue Variationen der Beschichtungsverfahren, die Verbesserung der Prozesskontrolle und somit die Steigerung der erzielbaren Beschichtungsqualitäten beigetragen.

Das Beschichtungsmaterial (metallisch, keramisch, Kunststoffe ) wird durch eine Energiequelle bis zu einem teigigen Zustand oder über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt und anschließend auf die Oberfläche gesprüht. Die Zuführung des Spritzwerkstoffes erfolgt als Draht, Stab, Pulver, Schnur oder bei speziellen Verfahren bereits als geschmolzenes Material. Prinzipiell kann jedes Material verarbeitet werden, das durch Wärmekopplung in einen teigigen oder schmelzflüssigen Zustand versetzt werden kann, und wenn dabei keine thermische Zersetzung durch den Spritzprozess erfolgt. Die Herausforderung jedoch bleibt stets dieselbe: die Spannung (durch unterschiedliche Wärmeausdehnung) zwischen dem Basisbauteil und der Spritzschicht so gering wie möglich zu halten.

Während der Beschichtung ist eine konstante Bauteiltemperatur und -ausdehnung einzuhalten. Dies erfordert die gezielte Zuführung eines äußeren Kühlmediums, wie sie das CO2-Kühlsystem von Air Liquide sicherstellt.

Schwächen konventioneller Systeme

Der Beschichtungswerkstoff wird zunächst erhitzt, angeschmolzen und dann im Spritzstrahl in mehreren Durchgängen auf die Oberfläche eines Bauteils geschleudert. Dazu werden je nach Werkstoff unterschiedliche Verfahren, vom Flamm- bis zum Plasmastrahlspritzen, eingesetzt. Wird beim thermischen Beschichten eine bestimmte Grenztemperatur überschritten, kann sich das Bauteil übermäßig ausdehnen. Beim Abkühlen entstehen dann Scherspannungen zwischen der Beschichtung und der Werkstückoberfläche, weil beide in den meisten Fällen unterschiedlich stark schrumpfen. Folge: Die Beschichtung weist Risse auf oder blättert ab.

Genau hier liegt die Schwäche konventioneller Kühlsysteme: Oft wird die Wirkung des Kühlmediums durch die Strahlungshitze des Brenners wieder aufgehoben. Um eine Überhitzung zu vermeiden, bleibt dann nur noch eine Möglichkeit: Den Beschichtungsvorgang mit Unterbrechungen durchzuführen.
Das reduziert nicht nur die Produktivität, sondern hat zudem einen erhöhten Verbrauch an Hilfsstoffen wie Brenngasen und Pulver zur Folge.

Bei rotierenden Bauteilen bildet sich darüber hinaus in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit eine laminare Grenzschichtströmung aus heißen Gasen. Konventionell zugeführte Kühlmedien werden abgelenkt und können die Werkstückoberfläche nicht erreichen; somit ist die Kühlung uneffektiv.

Ein spürbarer Kapazitätsengpass bei einem Air-Liquide-Kunden gab Anlass, ein neues Strahl-Kühlverfahren zu entwickeln, das nicht nur die Unterbrechungen überflüssig macht, sondern die Qualität der Beschichtung insgesamt erheblich verbessert: Mit einem ein flexibel einsetzbaren CO2-Düsensystem lässt sich die Kühlung exakt an die Materialeigenschaften eines Bauteils anpassen. Das neue Strahl-Kühlverfahren nutzt die Kälte, die bei der Sublimation von CO2-Schnee entsteht.


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Ausgabe:
bbr 05/2015
Unternehmen:
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