Flammspritzen

Schützen und Leistung steigern

Thermische Beschichtungen für Kunststoff- und Metallkomponenten. Zu den größten Ausfallrisiken hochbelasteter Bauteile zählen Abrasion, Erosion und Korrosion. Ein inzwischen etablierter Standard, um Standzeiten zu verlängern und Belastbarkeitsgrenzen zu erweitern, ist die thermische Beschichtung kritischer Komponenten. Kombinationsmöglichkeiten von Schichtwerkstoff und Substrat erschließen ein breites Anwendungsspektrum für Ersatz, Regenerationen, Reparaturen, Aufwertung und Veredelung von Kunststoffen und Metallen.

Verschleißschutz auch für Composites: Atmosphärisches Plasmaspritzen verarbeitet in der bis zu 20 000 Grad Celsius heißen Plasmaflamme sogar hochschmelzende Keramiken. (Bild: Pallas)

Hochbeanspruchte Komponenten und Werkstoffe stehen leistungsmäßig vor der Quadratur des Kreises. Anforderungen wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig herausragender mechanischer Festigkeit kann ein Werkstoff allein oftmals nicht erfüllen. Ein vergleichbarer Zielkonflikt ergibt sich häufig aus der Notwendigkeit zu Leichtbau und Reibungsreduktion im Zusammenspiel mit steigenden Leistungsansprüchen der Kunden. Nachhaltige Abhilfe können neue Fertigungstechnologien und individuell angepasste thermische Schichten bilden. Mit ihnen lassen sich die unterschiedlichen Aufgaben von Bauteiloberfläche und -kern funktional trennen und somit voneinander lösen. Durch die nur lokal begrenzte Bearbeitung der verschlissenen oder durch Fertigungsfehler beeinträchtigten Bereiche bleibt das oft teure Grundbauteil erhalten. Dies bedeutet eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis.

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Mit sechs thermischen Beschichtungsverfahren bietet Pallas ein breites Bearbeitungsspektrum für Einzelteile sowie Klein- und Mittelserien: Neben Pulver- und Drahtflammspritzen umfasst das Verfahrensangebot bei Lichtbogen-, Plasma- und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) sowie Laserbeschichtung. Dementsprechend breit ist die Auswahl der Beschichtungswerkstoffe, Schichtaufbauten und -dicken.

Reparaturbeschichtung: Pulverflammspritzen erzeugt bis zu mehrere Millimeter dicke Schichten. (Bild: Pallas)

Unterschiedliche Energie
Je nach Art und Einsatzgebiet der Komponenten werden thermische Korrosions- und Verschleißschutzbeschichtungen per Flamme, Lichtbogen-, Plasma-, HVOF- oder Laser-Verfahren aufgetragen. Hauptunterscheidungsmerkmal für die einzelnen Verfahren ist die abweichende thermische und kinetische Energie, mit der die Spritzpartikel auf den Grundwerkstoff aufgebracht werden. Pulverflammspritzen erzeugt bis zu mehrere Millimeter dicke Schichtstärken und eignet sich besonders zur Reparaturbeschichtung mit Metallen. Mit Drahtflammspritzen kann nahezu jeder drahtförmig vorliegende Werkstoff aufgetragen werden. So entstehen beispielsweise aus Aluminium, Bronze oder Molybdän leistungsfähige Verschleiß-, Einlauf- und Korrosionsschutzschichten. Auch selbstschmierende Oberflächen werden mit diesem Verfahren hergestellt. Im Lichtbogenspritzen entstehen mit elektrischer Energie auf wirtschaftliche Art je nach eingesetztem Beschichtungswerkstoff sehr belastbare, fest haftende, hochtemperaturfeste und oxidationsresistente Oberflächen. Atmosphärisches Plasmaspritzen verarbeitet in der bis zu 20 000 Grad Celsius heißen Plasmaflamme sogar hochschmelzende Keramiken und deren Verbindungen zu harten und verschleißfesten Schichten. Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) treffen die Partikel mit bis zu 750 Meter pro Sekunde auf das Substrat. Die Verbindung dieser hohen kinetischen Energie mit vergleichsweise niedriger thermischer Energie erzeugt sehr gut haftende, homogene und dichte Hartmetallschichten. Laserverfahren verbessern Randschichteigenschaften von teuren, hochbeanspruchten Komponenten. Die auf eine Fläche von ein bis zwei Quadratmillimeter begrenzte Energiezufuhr werden Bauteil und Werkstoff nur gering belastet. Die schmelzmetallurgisch angebundene Schicht mit geringer Aufmischung haftet auch bei hoher Belastung dauerhaft.

Anders als in der Galvanik werden alle diese Schichten nicht als Trommel- oder Gestellware erzeugt, sondern – auch bei automatisierten Prozessen – einzeln, was laut Unternehmen sich in einem entsprechend geringeren Ausschuss widerspiegelt. Die schnelle Umsetzung, bei fest integrierten Großbauteilen vor Ort beim Kunden, kann ein Argument für das Verfahren sein. Zudem ist es vergleichsweise schnell: Soll ein Lagersitz mit 120 Millimeter Durchmesser und 200 Millimetern mit 0,2 Millimeter Hartchrom beschichtet werden, muss er dafür – abhängig von den zu wählenden Parametern – mehr als zwölf Stunden im Bad bleiben. Die analoge thermische Spritzschicht ist in weniger als zwei Stunden aufgebracht. Rotationssymmetrische Bauteile wie Rollen, Walzen, Wellen und Zylinder sind konstruktionsbedingt besonders für thermische Beschichtungen geeignet. Durch die lokal begrenzte Bearbeitung und steuerbare thermische Bauteilbelastung können auch Grundstoffe wie Holz oder Kohlefaser- oder Glasfaserkomposites beschichtet werden. Bei Kombination mehrerer dieser thermischen Spritzverfahren kann die Effizienz einer Veredelung, Regeneration oder Reparatur von belasteten Komponenten eventuell verbessert werden.

Die Verbindung hoher kinetischer Energie mit vergleichsweise niedriger thermischer Energie erzeugt beim HVOF gut haftende, homogene und dichte Hartmetallschichten. (Bild: Pallas)

Schichten für alle Fälle
Schichtdicken von 20 Mikrometer bis zu mehrere Millimeter, kaum Einschränkungen bei den Grundwerkstoffen und eine breite Auswahl an Beschichtungswerkstoffen, kennzeichnen die Flexibilität des thermischen Spritzverfahrens. Die so aufgebrachten Schichten haften vorwiegend durch mechanische Verklammerung. Neben Korrosions- und Verschleißschutz leisten sie elektrische oder thermische Isolation und erlauben die Herstellung von Gleit-, Antihaft-, Einlauf- und selbstschmierenden Schichten. Als Korrosionsschutzschichten für Dichtsitze, Walzen und Formteile kommen vor allem Edelstahl, Aluminium oder Zink zum Einsatz. Dichtsitze und Walzen erhalten mit niedrigschmelzenden Metallen kostengünstige und im Bedarfsfall bis zu mehrere Millimeter dicke Schichten. Zum Verschleißschutz werden auf die Anwendung abgestimmte Hartmetalle wie Wolframcarbid und Chromcarbid oder Keramik eingesetzt. Sie substituieren beispielsweise im Fahrwerksbau in der Luftfahrtindustrie zunehmend Hartchrom für die Beschichtung der Hydraulikstangen. Zunehmend zeichnet sich auch ein Trend zu Titancarbiden ab. Diese leichteren Werkstoffe verfügen zwar über weniger Härte, sind aber deutlich temperaturfester und kommen somit Forderungen nach Gewichtsreduktion und Temperaturbeständigkeit entgegen. Extrem harte und verschleißfeste Keramikbeschichtungen bieten in abrasiven und thermisch oder chemisch aggressiven Atmosphären sicheren Schutz vor Korrosion und Verschleiß.

Zum Veredeln der in zahlreichen Branchen aus Gewichtsgründen eingesetzten Faserverbundwerkstoffe setzen immer mehr Anwendungen auf keramische Beschichtungen. Ob für Walzen in der Druck- und Papierindustrie, an Luftleitblechen für Bremsscheiben von Formel-1-Boliden oder für Thermalschutzschindeln in der Luft- und Raumfahrtindustrie: Für den jeweiligen Einsatz ausgelegte, hochleistungsfähige Keramikbeschichtungen schützen diese stark belasteten Komponenten vor vorzeitigem Verschleiß, thermischer oder korrosiver Beanspruchung.

Laserverfahren verbessern Randschichteigenschaften von teuren, hochbeanspruchten Komponenten bei minimaler Belastung der Bauteile. (Bild: Pallas)

Thermische oder elektrische Isolationsschichten entstehen durch Pulverbeschichtung oder Plasmaspritzen. Keramische Werkstoffe überzeugen auch hier durch ihre effiziente Wärmedämmung und Hochtemperaturbeständigkeit. Ihre Korrosions- und Verschleißfestigkeit ist dabei oftmals ein zusätzlicher Vorteil. Je nach Schichtdicke bieten sie durch gezielte Nachbearbeitung Durchschlagsfestigkeiten von über 10 Kilovolt, wodurch sie Anlagen zuverlässig vor Beschädigung durch Kriechströme oder Kontaktreaktionen schützen. Abhängig von Rahmenbedingungen wie Anwendungstemperatur, Korrosions- und Diffusionsbeständigkeit kommen auch spezielle Beschichtungen mit Kunststoff oder PEEK zum Einsatz. Wärmeleitfähige Metallschichten für Verdampfer können beispielsweise die Effizienz von Klimaanlagen in Autos um ein Vielfaches steigern und ermöglichen somit deutlich kleinere, also auch leichtere Konstruktionen. Aus wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Gründen vielversprechend sind derzeit laufende Versuche, durch thermisch gespritzte Kupferbeschichtungen auf Faserverbundstoffen elektrische Kabel in Kabelbäumen zu ersetzen.

Weitreichendes Wissen
Aufwendig gefertigte Komponenten, schwer lieferbare Werkstoffe und zentrale, zeitkritische Funktionen machen Reparaturen, Regenerationen oder Verbesserungen der betreffenden Bauteile durch thermische Beschichtung oft alternativlos. Das breite Anwendungsspektrum von thermischen Beschichtungen und die Einstellung maßgeschneiderter Eigenschaften setzen jedoch langjährige Erfahrung mit den Verfahren und weitreichende Werkstoffkenntnisse voraus. Eine detaillierte Kosten-Nutzen-Analyse und eine Vielzahl zu berücksichtigender Parameter geben Aufschluss darüber, welches Verfahren im Einzelfall die geeignete Variante ist. Neben der Art der Belastung fließen Faktoren wie chemische und thermische Randbedingungen, das Zusammenspiel mit Umgebungsmedien, Bauteilstückkosten und -funktionen sowie Dauer und generelle Machbarkeit einer Ersatzbeschaffung in diese Bewertung ein.

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