Fachinformationen zum thermischen Spritzen

Fachinformationen zum thermischen Spritzen 

In den vergangenen Jahren hat das thermische Spritzen sowohl im Bereich der Neuteilfertigung als auch im Bereich von Reparaturen konstant an Bedeutung gewonnen. Ein Grund hierfür ist, dass die gesteigerte Produktivität und die immer höheren Leistungen von Maschinen und technischen Anlagen zwangsläufig dazu führen, dass Bauteile stärker beansprucht werden.

Durch das thermische Spritzen wird es möglich, gefährdete Oberflächen so zu schützen oder durch geeignete Beschichtungswerkstoffe zu verändern, dass sie der hohen Beanspruchung standhalten.

 

Ein weiterer Grund liegt darin, dass es die allgemeine Rohstoffknappheit und die daraus resultierenden Mehrkosten notwendig machen, Bauteile aus Grundwerkstoffen herzustellen, die in ausreichender Menge vorhanden sind. Diese Grundwerkstoffe weisen aber nicht immer die erforderlichen Eigenschaften auf.

Durch das thermische Spritzen können nun Werkstoffe aufgebracht werden, die einerseits den Grundwerkstoff schützen und andererseits die Oberfläche so verändern, dass sie den gestellten Anforderungen gerecht wird. Die zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten von Grundwerkstoffen mit Beschichtungswerkstoffen machen das thermische Spritzen zu einem vielseitig einsetzbaren und flexiblen Verfahren auch im Hinblick auf die Reparatur von verschlissenen Bauteilen.

Verglichen mit anderen Fertigungs- und Instandsetzungsverfahren ergeben sich durch die verhältnismäßig geringen Kosten und die recht kurzen Zeiten, die das Verfahren in Anspruch nimmt, zwei weitere wichtige Pluspunkte. 

Fachinfos zum thermischen Spritzen

Die Bezeichnung Thermisches Spritzen fasst als Oberbegriff verschiedene Spritzverfahren zusammen, die gemäß DIN 32530 anhand des Spritzzusatzwerkstoffes, der Fertigungsmethode oder des Energieträgers voneinander unterschieden werden.

Gemeinsam ist allen thermischen Spritzverfahren, dass mit der thermischen und der kinetischen Energie zwei Energiearten notwendig sind, um eine Spritzschicht zu erzeugen. Durch die thermische Energie wird der Spritzzusatzstoff an- oder aufgeschmolzen. Die kinetische Energie wirkt sich zusammen mit der Geschwindigkeit der Partikel darauf aus, wie dick die Spritzschicht und wie haftzugfest die Schicht in sich und zum Grundwerkstoff ist.

Beim thermischen Spritzen werden unter anderem
folgende Verfahren voneinander unterschieden:
 

Das Draht- oder Stabflammspritzen 

Beim Flammspritzen mit Draht oder einem Stab wird der Spritzzusatzstoff in einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme aufgeschmolzen. Die tröpfchenförmigen Spritzpartikel werden anschließend unter Zuhilfenahme von einem Zerstäubergas wie Stickstoff oder Druckluft aus dem Schmelzbereich abgelöst und auf die Oberfläche des Werkstücks geschleudert.

Die Spritzschichten beim Drahtflammspritzen weisen einen sehr hohen Qualitätsstandard auf, weshalb dieses thermische Spritzverfahren beispielsweise in der Automobilbranche weit verbreitet ist.  

Das Pulverflammspritzen

Beim Pulverflammspritzen kommt ein Spritzzusatz in Pulverform zum Einsatz, der in einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme an- oder aufgeschmolzen und anschließend durch die sich ausdehnenden Verbrennungsgase auf die Oberfläche des Werkstücks geschleudert wird.

Um die Pulverpartikel zu beschleunigen, kann zusätzlich ein Gas wie Argon oder Stickstoff verwendet werden. Als Pulver kommen mehr als 100 verschiedene Spritzzusatzwerkstoffe in Frage, wobei zwischen selbstfließenden und selbsthaftenden Pulvern unterschieden wird.

Selbstfließende Pulver müssen meist thermisch nachbehandelt werden, wobei dieses Einschmelzen die Haftung auf dem Grundwerkstoff deutlich verbessert. Aufgebracht werden die gas- und flüssigkeitsdichten Spritzschichten unter anderem auf Ventilatoren, Rotoren von Extruderschnecken und Lagersitzen. 

Das Kunststoff-Flammspritzen

Im Unterschied zu anderen Flammspitzverfahren kommt der Kunststoffzusatz beim Kunststoff-Flammspritzen mit der Acetylen-Sauerstoff-Flamme nicht unmittelbar in Berührung. Stattdessen wird das Kunststoffgranulat durch die Strahlungswärme und die erhitzte Luft aufgeschmolzen.

Hierfür ist die Flammspritzpistole in der Mitte mit einer Förderdüse ausgestattet, die von zwei ringförmigen Düsenaustritten umschlossen ist. Aus dem inneren Ring tritt Luft oder ein inertes Gas aus, aus dem äußeren Ring die Acetylen-Sauerstoff-Flamme als thermischer Energieträger.

Das Kunststoff-Flammspritzen ist ein mobiles Verfahren, das vor Ort angewandt werden kann.

Es kommt beispielsweise bei der Beschichtung von Geländern, Trinkwassertanks, Gartenmöbeln, Schwimmbeckenmarkierungen oder auch von Bauteilen aus recyceltem Kunststoff zum Einsatz.   

Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen

Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, kurz HVOF, wird unter hohem Druck konstant Gas in einer Brennkammer verbrannt. Als Brenngase kommen Acetylen, Ethylen, Propan, Propen und Wasserstoff in Frage. In der Brennkammer befindet sich eine zentrale Achse, über die der pulverförmige Spritzzusatz zugeführt wird.

Der hohe Druck des Gemisches aus Brenngas und Sauerstoff in der Brennkammer und der Expansionsdüse sorgen für eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrahl. Durch die Beschleunigung der Spritzpartikel entstehen extrem dichte und gleichzeitig sehr dünne Schichten mit hoher Maßgenauigkeit und hervorragenden Hafteigenschaften.

Gleichzeitig verändert die vergleichsweise geringe Temperatureinbringung den Spritzzusatzwerkstoff metallurgisch nur in geringem Ausmaß.

Eingesetzt wird das HVOF unter anderem bei Gleitflächen von Dampfbügeleisen, bei Walzen für die Fotoindustrie und bei Bauteilen von chemischen und petrochemischen Maschinen.

Eine neue Generation des HVOF ist das Kaltgasspritzen, bei dem die kinetische Energie und damit die Partikelgeschwindigkeit erhöht und die thermische Energie gleichzeitig reduziert wird. Dadurch entstehen nahezu oxidfreie, extrem dichte und außerordentlich haftzugfeste Spritzschichten. Einsatzgebiete des Kaltgasspritzens sind beispielsweise der Automobilbau und die Elektronik. 

Das Detonationsspritzen

Das Detonationsspritzen wird auch als Flammschockspritzen bezeichnet. Bei der sogenannten Detonationskanone handelt es sich um ein Austrittsrohr, an dessen Ende die Austrittskammer angeordnet ist. Durch einen Zündfunken wird das zugeführte Gemisch aus Acetylen, Sauerstoff und Spritzpulver in der Brennkammer zur Detonation gebracht.

Die Schockwelle, die daraufhin im Austrittsrohr entsteht, beschleunigt die Spritzpartikel, die in der Flammenfront aufgeheizt und in einem gerichteten Strahl auf die Oberfläche des Werkstücks geschleudert werden. Nach jeder Detonation werden die Brennkammer und das Austrittsrohr durch das Spülen mit Stickstoff gereinigt.

Die Spritzschichten weisen einen sehr hohen Qualitätsstandard auf, allerdings verursacht das Detonationsspritzen höhere Kosten als andere thermische Spritzverfahren. Angewandt wird das Detonationsspritzen beispielsweise bei Papiermaschinen, Turbinen und Walzen im Nassbereich.  

Das Plasmaspritzen

Beim Plasmaspritzen schmilzt ein Plasmastrahl den pulverförmigen Spritzzusatz in oder außerhalb der Spritzpistole und schleudert die Spritzpartikel auf die Werkstücksoberfläche. Dabei erzeugt ein Lichtbogen, der gebündelt in Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder Gemischen daraus brennt, das Plasma.

Dieser Lichtbogen brennt zwischen einer Elektrode als Kathode und einer wassergekühlten Spritzdüse als Anode innerhalb der Spritzpistole und ist damit nicht übertragend.

Angewandt wird das Plasmaspritzen in normaler und in inerter Schutzgasatmosphäre, im Vakuum sowie unter Wasser, durch spezielle Düsenaufsätze ist auch ein Hochgeschwindigkeitsplasma möglich. Einsatzgebiete des Plasmaspritzens sind unter anderem die Medizintechnik, Wärmedämmschichten sowie die Luft- und Raumfahrt.  

Das Laserspritzen

Beim Laserspritzen gelangt ein Spritzzusatz in Pulverform über eine Pulverdüse in den Laserstrahl. Durch die Laserstrahlung schmelzen das Pulver und im Mikrobereich auch ein Teil der Grundwerkstoffsoberfläche auf, was zu einer metallurgischen Verbindung des Spritzzusatzes mit dem Grundwerkstoff führt.

Um das Schmelzbad zu schützen, wird ein Schutzgas verwendet. Mithilfe des Laserspritzens werden beispielsweise Schneid-, Stanz- und Biegewerkzeuge beschichtet. 

Das Lichtbogenspritzen

Beim Lichtbogenspritzen schmelzen zwei gleiche oder zwei unterschiedliche Spritzzusätze in Drahtform in einem Lichtbogen ab und werden durch ein Zerstäubergas auf die Oberfläche des Werkstücks geschleudert. Als Zerstäubergas kommt Druckluft in Betracht, während Stickstoff oder Argon als Zerstäubergase einer Oxidation der Materialien entgegenwirken.

Mit dem leistungsstarken Lichtbogenspritzen können ausschließlich Beschichtungen aus elektrisch leitenden Materialien realisiert werden. Angewandt wird das Verfahren unter anderem im Bereich vom Korrosionsschutz und beim großflächigen Beschichten von Behältern.

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