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.

31. August 2015

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.

Auf den Punkt gekühlt

Dazu ein kleiner Exkurs zu den Besonderheiten des Kohlendioxids: CO2 ist bei 20 °C und über 57 bar flüssig. Je geringer die Temperatur, desto geringer wird der Druck der Gasphase über der Flüssigkeit (0 °C Flüssigkeitstemperatur entspricht circa 35 bar, 20 °C entsprechen etwa 20 bar). Wird flüssiges CO2 plötzlich entspannt, verdampft es zum Teil, wobei es dem Rest die für die Verdampfung erforderliche Wärme entzieht und damit abkühlt. Es entsteht dabei sogenannter CO2-Schnee, also CO2 in fester Form. In gewünschte Form gepresst wird dieser als ›Trockeneis‹ bezeichnet, im Unterschied zu ›feuchtem‹ Wassereis. Trockeneis ist festes Kohlenstoffdioxid (CO2), das unter Normaldruck bei -78,48 °C sublimiert, also direkt in die Gasphase übergeht, ohne vorher zu schmelzen.

In dem neuen Strahl-Kühlverfahren werden ein zentraler CO2-Schnee-Strahl und ein umhüllender Überschall-Gasstrahl kombiniert. Dank seiner Sublimationstemperatur von 79 °C ist CO2-Schnee ein beliebtes Kühlmedium. Der zentrale CO2-Schnee-Strahl wird gebildet und angetrieben durch die Entspannung von flüssigem CO2, wobei die Temperatur des flüssigen CO2 den Antriebsdruck bestimmt. Folglich ist die Geschwindigkeit des durch Sublimation des Flüssig-CO2 gebildeten Strahls aus CO2-Gas und CO2-Schnee und der Mengenanteil an CO2-Schnee durch die Temperatur des Flüssig-CO2 und dessen Menge durch die Düsengröße steuerbar. Der umhüllende Überschall-Gasstrahl ist in seiner Geschwindigkeit und Erstreckung (Durchmesser, Reichweite) durch den Druck der Gasphase vor dem kritischen Querschnitt sowie durch die Düsenform (Größe und Profil) der Gasdüse steuerbar. Neu ist insbesondere der Effekt der gegenseitigen Wechselwirkung zwischen Überschall-Gasstrahl und Zweiphasen-CO2-Strahl, der zur Verbesserung der Kühlwirkung nutzbar ist.

Modifizierbares Strömungsprofil

Das Strömungsprofil des kombinierten Gas-CO2-Strahls unterscheidet sich deutlich von den bekannten Gasstrahlen oder CO2-Strahlen. Mit dem umhüllenden Überschall-Gasstrahl werden Wärmeverluste im CO2 infolge von Umgebungseinflüssen verringert, insbesondere durch Umgebungsluft, Strahlungswärme und Flammenatmosphären.

Das Strömungsprofil des kombinierten Gas-CO2-Strahls ist modifizierbar – vom Kühlen über das Abschirmen bis zum Oberflächenreinigen. Für das Kühlen während des thermischen Spritzprozesses muss der Einfluss des Beschichtungsprozesses auf den Kühlvorgang minimiert werden.

Weil sich bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Verweildauer des Kühlmediums in Strahlungswärme, Hüllflamme und Sekundärflamme verringert, kann die Kühlung effizienter genutzt werden. Auch der Zerstäubungsgrad und die Partikelgröße des Kohlendioxids lassen sich exakt dosieren. Dadurch kann die Temperatur des Bauteils effektiver gesteuert werden.

Durch die steuerbare Austrittsgeschwindigkeit und Anordnung der Düse werden die an der Oberfläche nicht fest anhaftenden Pulverpartikel, das sogenannte ›Overspray‹, entfernt, somit die Porosität der Beschichtung minimiert und die Haftfestigkeit erhöht. Als Kühlmedium wird im einfachsten Fall CO2 in Verbindung mit Druckluft verwendet.

Das Kühlsystem ist für alle temperaturempfindlichen Beschichtungs- und Fügeaufgaben und Werkstoffe geeignet. Es reduziert die Verweildauer von Kohlendioxid in der Strahlungswärme und steuert die Partikelgröße des Kühlmittels. Eine konstante Zerstäubung und Verteilung des Kühlmittels über den gesamten Düsenquerschnitt wird sichergestellt. Die Partikelsteuerung erfolgt über die Gasphase. Über eine Steuereinheit kann die Kühlung ein- und ausgeschaltet werden.

Interview mit Nobert Semsch

Herr Semsch, beschreiben Sie unseren Lesern doch einmal die Struktur Ihres Unternehmensbereichs!

Air Liquide ist Weltmarktführer im Bereich Gase, Technologien und Services für Industrie und Gesundheit. Mit mehr als 50000 Mitarbeitern in 80 Ländern versorgt Air Liquide mehr als zwei Millionen Kunden und Patienten. Davon rund 100000 in Deutschland. Grundsätzlich gilt: Wir unterstützen unsere Kunden bei der Entwicklung ihres Geschäfts. Das gilt natürlich auch für unsere Kunden aus dem Marktsegment Schweißen & Schneiden, für die Gase ja traditionell eine zentrale Rolle im Produktionsprozess spielen.

Die ingenieurtechnische Kompetenz für die industriellen Gasanwendungen stellt das Air Liquide Technology Center dar, kurz Altec, eine Tochtergesellschaft von Air Liquide mit Sitz in Krefeld. Air Liquide Welding ist ebenfalls Teil der Air-Liquide-Gruppe. Hier werden Schweiß- und Schneidanlagen, Schweißzusatzwerkstoffe, Automationstechnik und Lösungen für die Schweiß- und Schneidtechnik entwickelt, produziert und vertrieben.

Welche Themen stehen in Ihrem Fachbereich aktuell im Fokus?

Wir verstehen uns als Lösungsanbieter für unsere Kunden. Daher arbeiten wir aktuell daran, die Qualität unserer Kundenbeziehungen mit Hilfe neuer Services kontinuierlich zu erhöhen. Das Stichwort heißt hier: Komplettlösungen. Relevantes Know-how aus einzelnen Applikationen, die wir für und mit unseren Kunden entwickeln, stellen wir dem Markt zur Verfügung. Wir sehen hier einen großen Bedarf für den Bereich Schweißen und verwandte Verfahren.

Air Liquide bietet zum Beispiel unterschiedliche Brenngase zum thermischen Beschichten an. Beim Einschmelzen sind generell Hochleistungsbrenngase zu bevorzugen, also Acetylen und auch Flamal 31. Durch den Einsatz von Acetylen oder Flamal 31 anstelle anderer Brenngase können die Flammtemperatur und die Zündgeschwindigkeit erhöht werden.

Welche Services bietet Ihr Unternehmen rund um das thermische Beschichten an?

Neben unterschiedlichen Gasen bietet Air Liquide vor allem in Bezug auf die Gasversorgungsanlagen zahlreiche Produkte und Services an, die den Einsatz wirtschaftlicher machen. Besonders der richtige Umgang ist von Bedeutung, um einen sicheren Einsatz beim Anwender zu gewährleisten. Hier sprechen wir Empfehlungen aus, stellen darüber hinaus Gasversorgungsanlagen, Rohrleitungen und Armaturen zur Verfügung und kümmern uns um die Anlagenauslegung.

Auf Wunsch überprüfen wir die Wirtschaftlichkeit und bieten spezielle technologische Lösungen an, beispielsweise die entsprechende Zuführung des Kühlsystems, die zum sicheren Betrieb benötigt werden.

Ganz wichtig ist das Thema Sicherheit: Hier bieten wir für unsere Kunden ein modular gestaltetes Sicherheitstraining für die Anwendung technischer Gase an. Das umfasst sowohl ein Basis-Training als auch gesonderte Schulungsmodule für inerte, brandfördernde, brennbare und giftige Gase.

Wie differenziert sich die Air Liquide vom Wettbewerb?

Unsere Lösungen profitieren zum einen von der Entwicklung, Anwendung und internationalen Zusammenarbeit der Fachleute innerhalb des großen internationalen Unternehmens Air Liquide. Außerdem profitieren unsere Kunden von Entwicklungsressourcen, wie unseren Forschungseinrichtungen in Europa, Amerika und Asien. Sehen Sie, allein in Deutschland arbeiten 4.500 Mitarbeiter für Air Liquide – davon 800 an Innovationsthemen. Das ist ein Pfund, mit dem wir wuchern können.

Unser Ziel ist es, nicht nur Lieferant von Gasen zu sein. Das können andere auch. Wir verstehen uns vielmehr als Partner unserer Kunden. Wir bieten unseren Kunden berechenbare und reproduzierbare Anwendungstechnologien, um deren Produktionsprozesse umweltfreundlicher oder effizienter zu machen – zusammen mit den dazu optimal geeigneten Materialien, hier insbesondere Gasen.

Blicken wir aufs thermische Spritzen: Nur durch die Reproduzierbarkeit von Prozessbedingungen, wie die Bauteiltemperatur, können bestimmte technologische Kennwerte eingehalten werden. Zu solchen Kennwerten gehören Haftfestigkeit, Härte und Porosität thermischer Beschichtungen. Die Herausforderung beim Thermischen Beschichten liegt ja darin, die Werkstücke innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs zu halten.

Zuviel Wärme kann dazu führen, dass die erzeugten Oberflächen oder Bauteile nicht mehr den Spezifikationen entsprechen und dadurch Lebensdauer und Funktion der Bauteile beeinträchtigt werden. Deshalb hat Air Liquide sich neben der Entwicklung von Brenngasen und Equipment vor allem der Steuerung des Kühlprozesses gewidmet, um die Qualität des Beschichtungsprozesses zu verbessern.

Erschienen in Ausgabe: 05/2015