Kein Folientitel

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Grundlagen der thermischen Spritztechnik Oberfläc
hentechnik 1.15 Dipl. Ing. Martin Kirchgaßner
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Grundlagen der thermischen Spritztechnik

• Einleitung und Prinzip
• Vergleich zu anderen Oberflächentechnologien
• Beanspruchungsprofil
• Verfahren und Technologien
• Warmspritzen - Kaltspritzen
• Werkstoffe
• Charakterisierung von Spritzschichten
• Anwendungen

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Einsatzbedingungen
Maß an Funktionserfüllung
Konstruktive Gestaltung
Werkstoff
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Prinzip des thermischen Spritzens
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• Zweck des thermischen Spritzens
• Bekämpfung von
• Korrosion
• Verschleiß
• Oberflächenveredelung
• besondere thermische und elektrische
  Eigenschaften
• Dekor

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• Verschleißschutz
• Korrosionsschutz
• Thermische Isolation
• Elektrische Isolation
• Elektrisch leitende Schichten
• Gleitschichten
• Antihaftbeläge
• Oxidationsschutz
• Heißgaskorrosionsschutz
• Dekoration

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Anwendungen
Anwendungen
Vorbeugende Instandhaltung Beschichten
Vorbeugende Instandhaltung Beschichten
Instandsetzung Aufbau und Beschichten
Instandsetzung Aufbau und Beschichten
Verschleissschutz
Verschleissschutz
Korrosionsschutz (Oxidation)
Korrosionsschutz (Oxidation)
Ausbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche
Toleranzen
Ausbessern von Bearbeitungsfehlern / falsche
Toleranzen
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Die wichtigsten OberflächenverfahrenBeeinflussung
der Randschicht

• Mechanische
• Oberflächenverfestigung
• Strahlen
• Rollen
• Druckpolieren
• Randschichthärten
• Flammhärten
• Induktionshärten
• Impulshärten
• Elektronenstrahlhärten
• Laserstrahlhärten
• Thermochemische
• Oberflächenverfahren
• Aufkohlen
• Borieren
• Carbonitrieren
• Chromieren
• Nitrieren

• Physikalische Abscheidung aus der
• Gasphase (PVD)
• Aufdampfen
• Sputtern
• Ionenplattieren
• Chemische Abscheidung aus der
• Gasphase (CVD)
• Titannitrid
• Titancarbid
• Titancarbonitrid
• Aluminiumoxid

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Die wichtigsten OberflächenverfahrenAufbringen
bzw. Abscheiden von Überzügen

• Mechanische Verfahren
• Walzplattieren
• Sprengplattieren
• Thermische Verfahren
• Auftragschweißen
• Aufschmelzen
• Auflöten
• Aufsintern
• Mechanothermische Verfahren
• Thermisches Spritzen ohne Einschmelzen
• Thermisches Spritzen mit Einschmelzen
• Detonationsbeschichten

• Chemische Verfahren
• Stromlose Metallabscheidung (z.B. Vernickeln)
• Chem. Reaktionsschichten (z.B. Phosphatieren)
• Elektrochemische Verfahren
• Verchromen
• Vernickeln
• Dispersionsschichten
• Anodische Oxidation

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(No Transcript)
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Schichtdickenbereiche von Oberflächenbeschichtung
en
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Vorteile des thermischen Spritzens

• optimale Anpassung der Bauteiloberfläche
• an die Beanspruchung
• geringe thermische Beanspruchung
• des Grundwerkstoffes
• Verarbeitung nahezu aller Werkstoffe
• Metalle, Legierungen
• Keramik
• Kunststoffe
• großer Schichtdickenbereich 0,1- 10 mm

lt 250C !
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(No Transcript)
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Verfahrensübersicht nach DIN 32530
Thermisches Spritzen mit nachträglichem
Schmelzverbinden
Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Schmelzverbinden
Thermisches Spritzen ohne Nachbehandlung
Schmelzbad-spritzen
FlammspritzenDraht/Pulver
Kondensator-entladungsspr.
FlammspritzenPulver
Flammschock-spritzen
Draht-Licht-bogenspritzen
Hochgeschwin-digkeitsspr.
Plasmaspritzen
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(No Transcript)
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Aufbau einer Kaltbeschichtung
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(No Transcript)
19
(No Transcript)
20
(No Transcript)
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• Phasen des Spritzprozesses
• Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes
• Zerstäuben und Beschleunigung des auf- bzw.
  angeschmolzenen Partikel
• Flugphase
• Aufprall und Verbindung mit dem Grundwerkstoff
• Flugphase
• große spezifische Oberfläche der Pulverpartikel
• rasche Wärmeabgabe
• temperaturabhängiges Gaslösungsvermögen
• Reaktion mit Gasatmosphäre
• kein Gleichgewichtszustand durch rasche
  Abkühlung
• viele Fehlstellen, teils haftungsverbessernd

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(No Transcript)
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Haftung der Spritzschichten

• abhängig von folgenden Faktoren
• Aktivierungszustand der Grenzschicht, Reinheit
• thermische und kinetische Energie der
  Spritzpartikel
• Porengehalt
• Oxidgehalt

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Haftungsmechanismen
mechanische Verklammerung Adhäsion physikalisch
Annäherung auf Gitterdimension chemisch
Austausch von Valenzelektronen bei affinen
Werkstoffen Epitaxie strukturgleiches,
orientiertes Anwachsen des Gastgitters
auf dem Wirtsgitter metallurgische
Wechselwirkungen Diffusion Reaktion partielles
Verschweißen
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Haftungsmechanismen beim thermischen Spritzen
mechanische Verklammerung
Adhäsion (physikal. Adsorption, Chemisorption)
Epitaxie
metallurgische Wechselwirkung (Diffusion,
Reaktion)
partielles Verschweißen
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Haftzugfestigkeit verschiedener Spritzverfahren
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Vergleich thermische - kinetische Energie
FS...Flammspritzen LBS...Lichtbogenspritzen PS...P
lasmaspritzen HGS...Hochgeschwindigkeitsspritzen D
S...Detonationsspritzen
Temperatur C
3000 C
PS
2000 C
DS
LBS
FS
HGS 2. Generation
HGS
1000C
100
300
500
700
900
Partikelgeschwindigkeit m/s
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• Vorbereiten der Oberfläche
• metallisch blank
• fettfrei
• Vorwärmen 70 - 80 C
• Mechanische Aktivierung der Oberfläche
• Rauhstrahlen (Hartgußkies, Al2O3)
• Rauhtiefe Rtgt30 µm
• Gewindeartiges Vordrehen (Vorsicht bei
  dynamischer Beanspruchung)
• Schleifen (keramisch gebundene Schleifsteine)
• Vorwärmung (60 - 200C)

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(No Transcript)
30
(No Transcript)
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Flammspritzen

• Flammentemperatur bis 3160C
• Partikelgeschwindigkeit 20-100m/s
• Spritzabstand 100-200mm
• Spritzzusätze Pulver, Drähte
• Substrate Metall, Keramik, Holz, Kunststoff,
  Glas
• Auftragsrate Draht 2-15kg, Pulver 1-5kg

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Aufbau eines Pulverflammspritzgerätes
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(No Transcript)
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Hauptparameter beim Pulverflammspritzen

• Flammenleistung
• Flammeneinstellung
• Preßluft
• Pulver-Transportgas Durchfluß
• Pulver Morphologie, Zusammensetzung
• Spritzabstand
• Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub
• Vorwärmtemperatur

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Prinzip des Drahtflammspritzens
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Hauptparameter beim Drahtflammspritzen

• Flammenleistung
• Flammeneinstellung
• Preßluft
• Drahtvorschubgeschwindigkeit
• Draht Durchmesser, Zusammensetzung
• Spritzabstand
• Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub
• Vorwärmtemperatur

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Vorteile der Flammspritzens

• breite Palette an Zusatzwerkstoffen v. a. in
  Pulverform
• metallisch oder nichtmetallisch
• geringe Investitionskosten
• geringe Bauteilerwärmung
• nachträglich einschmelzbare Legierungen
• Warmspritzen
• WC-hältige Beschichtungssysteme

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Prinzip des Lichtbogenspritzens
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Hauptparameter beim Lichtbogenspritzen

• Drahtvorschub/Stromstärke
• groß grobe Struktur, niedrigere Spannungen,
  niegrigere Oxidgehalte, höhere Porosität
• klein feinere Struktur, höhere Spannungen,
  weniger Wärmeeinbringung,
• geringere Porosität, höherer Oxidgehalt
• Spannung
• hoch höhere Lichtbogentemperatur, feinere
  Struktur, höherer Oxidgehalt, höhere Spannung
• niedrig niegrigere Lichtbogentemperatur,
  gröbere Struktur, niedrigere Oxidgehalt,
• Druck des Zerstäubermediums
• hoch feinere Struktur, höherer Oxidgehalt,
  geringere Porosität, höhere Spannung
• niedrig gröbere Struktur, niedrigerer
  Oxidgehalt, höhere Porosität, geringere
  Spannungen
• Umfangsgeschwindigkeit\Vorschub
• Spritzabstand
• groß höherer Oxidgehalt, weniger
  Wärmeeinbringung, weniger Spannungen
• klein weniger Oxide, höherer Wärmeeintrag, mehr
  Spannungen

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Lichtbogenspritzen Anwendungen

• Maschinenteile Verschleißschutz, Reparatur
• Werkstoff Stahl, NiCr, Fülldraht
• Korrosionsschutz Atmosphäre, Offshore
• Al, Zn, AlZn
• Elektrik, Elektronik Widerstände, Varistoren,
• Kondensatoren, usw.
• Al, Cu, Zn, NiCr
• Andere Anwendungen z.B. Formenbau
• Zn, Pb, Al, NiAl, Fülldrähte

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Lichtbogenspritzen

• Lichtbogentemperatur bis 5000C
• Partikelgeschwindigkeit 100-300 m/s
• Spritzabstand 100-250mm
• Anlagen bis 600A
• Spritzzusätze elektrisch leitfähige Drähte
• Durchmesser 1,6 - 4,8 mm
• Substrate Metall, Keramik, Holz, Kunststoff,
  Glas
• Auftragsraten Al bis 15kg/h
• Zn bis 200kg/h
• Stahl bis 30kg/h

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Hauptvorteile des Lichtbogenspritzens

• hohe Spritzgutmenge
• große Flächenleistung
• gute Reproduzierbarkeit
• hohe Haftzugfestigkeit
• kostengünstiges Verfahren
• keine Kosten für Brenngas/Sauerstoff
• hohe Auftragsrate
• Lichtbogen brennt nur während
• des eigentlichen Beschichtens
• geringere Vorwärmung

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Prinzip des Plasmaspritzens
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Prinzip des Detonationsbeschichtens
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Prinzip des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Aufbau einer Warmbeschichtung
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Wolframkarbide in einer selbstfließenden Matrix
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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Standardverfahren (Eutalloy)

• Aufspritzen mit gleichzeitigem Einschmelzen
• Gasschmelzschweißen - v.a. Diffusionsbindung zum
  Grundwerkstoff
• in allen Positionen verwendbar
• sparsame und punktgenaue Auftragung an Kanten
• Reparatur von Graugußteilen
• Korrosions- und Verschleißschutz
• Arbeiten mit Zusatzstab

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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Arbeitsweise Standardverfahren
(Eutalloy)

• Werkstückvorbereitung Entfetten, Schmutz,
  Zunder entfernen
• metallisch blanke Oberfläche am besten mit
  keramisch gebundenen
• Schleifscheiben schleifen
• Kanten brechen, auf r2-3 abrunden
• vorwärmen auf 50-200 C - Vorpulvern (0,1-0,2 mm
  Schicht aufspritzen)
• zur Vermeidung von Oxidation
• bei massiven Bauteilen weiterwärmen auf 300C
  (Blauwärme)
• örtlich weitererwärmen und gleichzeitig spritzen
  und schmelzen
• Abkühlung an ruhender Luft bzw. in Granulat
• Schichtdicke 0,5 - 2,0 mm

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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Standardverfahren (Eutalloy)

• Option 2-stufige Arbeitsweise

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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Hochleistungsverfahren (Eutalloy SF)

• wassergekühltes Spritzsystem für hohe
  Auftragsraten
• bei gleichzeitigem Spritzen und Schmelzen,
  konzentrierte Flamme
• bis 4kg/h Spritzgutmenge
• Auftragsrate gt 90
• dichte, eingeschmolzene Beschichtungen,
  Diffusion zum Grundwerkstoff
• thermische Leistung bis 28 kW
• Auftragsdicke in einer Lage 0,8 - 3,0 mm
• Auftragungen in Position

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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Anwendungsbeispiele

• Schnecke z. B. Ziegel-Preßschnecken
• Stabilizer in der Erdölindustrie
• Glasformen

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Thermisches Spritzen mit gleichzeitigem
Einschmelzen Werkstoffe

• selbstfließende Legierungen auf Basis NiCrBSi
• mit und ohne Hartstoffverstärkung (WC)

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Drahtförmige Zusatzwerkstoffe
Massivdrähte Stähle, Al, Cu, Zn, Sn, Ni, Mo
sowie entsprechend ziehbare Legierungen Fülldräht
e Legierungen FeCrBC
Kompositschichten Metall/Karbid, Metall/Borid,
Metall/Oxid intermetallische
Verbindungen 3Ni Al --gt Ni3Al Q
Röhrchendraht
Falzdraht
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Herstellung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Pulverförmige Zusatzwerkstoffe
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Gasverdüstes Pulver
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Wasserverdüstes Pulver
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Sprühgetrocknetes Pulverpartikel
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Gesintert gebrochenes Pulver (Wolframkarbid/Kobalt
)
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Wolframschmelzkarbid, geschmolzen gebrochen
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Weitere Charakterisierungsmethoden Haftzugversuc
h Härteprüfung Kleinlasthärteprüfung (HV0,3,
HV1) Mindestschichtstärke empirisch 4-15x
Eindrucktiefe Einfluß von Bindung,
Lamellenstruktur, Porosität, Phasenanteile
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• Charakterisierung von Spritzschichten
• Phasen
• Homogenität
• Poren
• Risse
• Oxide
• Diffusionszonen
• teilweise- oder unaufgeschmolzene Partikel
• Einschlüsse

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Haftzugversuch nach DIN 50 160
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(No Transcript)