Praxis des thermischen Spritzens Leseprobe

DVSMediaGmbH

Mathesius ’ Krömmer

Praxis des

thermischen Spritzens

Anleitung für das Fachpersonal

2., aktualisierte Auflage


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.dnb.de abrufbar.

Die Schweißtechnische Praxis

Band 37

ISBN 978-3-945023-00-6

Alle Rechte vorbehalten.

% DVS Media GmbH, Düsseldorf ’ 2014

Herstellung: rewi Druckhaus, Reiner Winters GmbH, Wissen/Sieg


Vorwort zur 2. Auflage

Der Inhalt dieses Buches ist aus einer Sammlung von Erfahrungen entstanden, die über zahlreiche

Jahre bei der Ausbildung von thermischen Spritzern zum European Thermal Sprayer (ETS) und

bei vielen Jahren eigener Praxis in Beschichtungsbetrieben entstanden sind.

Die Praxis des thermischen Spritzens in allen Aspekten darzustellen und zu erläutern, ist ein

schwieriges Unterfangen. Auf dem Weg zur Formulierung haben die jeweiligen Beschreibungen

fast den Charakter eines Nachschlagewerkes angenommen. So sind im Text der einzelnen Kapitel

Wörter mit * gekennzeichnet, deren Erklärungen im Glossar zu finden sind. Vielleicht spürt auch

der Leser, dass vieles doch schwerer auszudrücken ist, als es sich augenscheinlich darstellt.

Unser Dank gilt allen, die uns bei diesem Buch durch Rat und Tat geholfen haben. Dieser Dank

gilt vor allem Frau A. Ohliger-Volmer und Herrn R. Huber, die unermüdlich Material und

Berichte zur Verfügung gestellt haben. Weitere Informationen, Fotos und Hinweise sind

nachfolgenden Firmen und Institutionen zu verdanken:

ElektroPhysik Dr. Steingoever GmbH & Co. KG, Köln

Gemeinschaft Thermisches Spritzen e. V. (GTS), Unterschleißheim

GTV Verschleißschutz GmbH, Luckenbach

Ibeda Sicherheitsgeräte & Gastechnik GmbH & Co. KG, Neustadt/Wied

Linde AG, Unterschleißheim

Munk + Schmitz Oberflächentechnik GmbH & Co. KG, Köln

Oerlikon Metco Europe GmbH, Hattersheim

Praxair Surface Technologies GmbH, Ratingen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV München, Niederlassung der GSI mbH,

München

H. C. Starck GmbH, Goslar

Struers GmbH, Willich

Thermico GmbH & Co. KG, Dortmund

Wheelabrator Group GmbH, Metelen

Zierhut Messtechnik GmbH, München

Des Weiteren danken wir dem Lektor von DVS Media, Herrn Lothar Knittel, und Herrn Dr.-Ing.

Hellmuth Behnisch, die mit ihren Erfahrungen keinen geringen Anteil an der Endfassung des

Buches haben.

Wir freuen uns über die Verwirklichung dieses Buches. So helfen wir mit, ein wichtiges Ziel zu

erreichen: Das Beschichten von Bauteilen mit thermischen Spritzverfahren sollte nur durch Fachpersonal

ausgeführt werden!

Der große Erfolg der 1. Auflage, den dieses Buch in der Fachwelt erfahren hat, macht nun eine

2., aktualisierte Auflage notwendig. Zusätzlich gibt es auch noch eine englische Ausgabe bei DVS

Media, die international Anerkennung finden möge.

Wolfenbüttel und Landshut, im August 2014

Hans Mathesius und Werner Krömmer


Geleitwort

Der Mut, in der heutigen und schnelllebigen Zeit, ein Fachbuch zu schreiben, wurde mit der sehr

positiven Resonanz auf die erste Auflage dieses vorliegenden Buches belohnt. Den beiden

Autoren ist es hervorragend gelungen, Praxis, Theorie und Stand der Technik des thermischen

Spritzens kompakt und übersichtlich zu Papier zu bringen.

Das Buch hat sich mit seinem klaren roten Faden durch die gesamte Technik des thermischen

Spritzens als das Nachschlagewerk bei sowohl langjährigen Experten als auch bei Einsteigern

unentbehrlich gemacht.

Die Stärke dieser Arbeit ist die umfassende Informationsvielfalt, die mit großem Detailwissen

untermauert wird. Ebenso verleiht die sehr gut dargestellte Praxisnähe gepaart mit dem theoretischen

Hintergrund der Technik des thermischen Spritzens den verdient hohen Stellenwert in der

großen Familie der unterschiedlichen Oberflächenbehandlungsmethoden.

Diese zweite Auflage wurde auf den neuesten Stand gebracht und wie erhofft auch in die

englische Sprache übersetzt. Sie ist somit auch weiterhin das aktuelle Nachschlagewerk für die

thermischen Spritzer.

Den beiden Autoren Dr. Hans A. Mathesius und Werner Krömmer und der DVS Media GmbH als

Verlag herzliche Gratulation zu dieser gelungenen Arbeit.

Unterschleißheim, im August 2014

Peter Heinrich

Mitglied des Vorstandes der

Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V.


1 Einführung in das thermische Spritzen

Fertigung und Nutzung von technischen Anlagen und Maschinen in hochtechnisierten Industrieländern

erfordern eine stetige Steigerung von Produktivität und Leistung, um steigenden Personalkosten

und zunehmenden Energie- und Rohstoffkosten entgegenzuwirken. Die dadurch stetig

steigenden Anforderungen an die einzelnen Komponenten sind inzwischen so hoch geworden,

dass der Basiswerkstoff allein, diese Forderungen nicht mehr erfüllen kann. Beispiele, die dieses

verdeutlichen, sind unter anderem die Luftfahrt oder der stationäre Gasturbinenbau. Aus beiden

Bereichen sind thermisch gespritzte Schichten nicht mehr wegzudenken, doch die Anforderungen

an die Temperaturbelastung, um damit Treibstoff zu sparen, sind in den letzten Jahren stetig nach

oben geschraubt worden. Die Beschichtungstechnik ist deshalb dazu übergegangen, durch Verbundkonzepte

die Anforderungen an die Oberfläche von denen des restlichen Werkstoffvolumens

zu trennen. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt, der die Oberflächentechnik nach vorne bringt,

ist die Verknappung von Rohstoffressourcen. Durch das Aufbringen einer thermisch gespritzten

Schicht kann das Bauteil an der Oberfläche „veredelt“, geschützt und gleichzeitig aus einem

„minderwertigerem“, also kostengünstigerem Grundwerkstoff hergestellt werden, den gewünschten

Anforderungen entsprechend.

1.1 Beanspruchung von gespritzten Bauteilen

Die Bauteile können mechanischen, chemischen und thermischen Beanspruchungen sowie

Kombinationen daraus unterliegen oder besondere physikalische Eigenschaften erfordern, um die

Lebensdauer zu verlängern. Die einzelnen Beanspruchungen sind im allgemeinen Sprachgebrauch

durch folgende Begriffe definiert:

– mechanische Beanspruchung: Verschleiß*, Ermüdung* und Zeitstandfestigkeit*,

– chemische Beanspruchung: Korrosion*,

– thermische Beanspruchung: Alterung* und Kriechen*,

– Kombination aus mechanischer und chemischer Beanspruchung: Reibkorrosion* und

Kavitation*,

– Kombination aus mechanischer und thermischer Beanspruchung: Hochtemperaturermüdung*,

– Kombination aus chemischer und thermischer Beanspruchung: Hochtemperaturkorrosion*.

Besondere, durch Oberflächenschichten erreichbare Eigenschaften, sind:

– tribologisches* Verhalten,

– Wärmeleitung,

– Wärmedämmung,

– elektrische Leitfähigkeit,

– elektrische Isolation,

– Benetzbarkeit*,

– Korrosionsschutz,

– Glanz* usw...

* Erklärung, siehe Anhang „Glossar“

1


1.2 Übersicht der verschiedenen Oberflächenbeschichtungen

Die Oberflächenbeschichtungen können nach verschiedenen Methoden aufgebracht werden. Eine

sinnvolle Aufteilung kann nach der Art der Aufbringung, geordnet nach der technisch üblichen

Schichtdicke bzw. Auftragung, Tabelle 1-1, erfolgen. Eine andere wäre die nach Werkstoffen, die

hier jedoch nicht dargestellt ist.

Tabelle 1-1. Art der Beschichtungsverfahren.

Technik Verfahren Vorteil Nachteil

mechanisch Walzplattieren,

Sprengplattieren

großflächig machbar

begrenzte Werkstoffkombinationen

thermisch Auftragschweißen,

Löten, Sintern

gute Bindung

Aufmischung an den

Grenzflächen

thermomechanisch thermisches Spritzen Vielzahl an Grund- und Schichtwerkstoffkombinationen

Haftung, Poren

galvanisch Galvanotechnik kostengünstig bei kleinen Massenteilen,

nur Metalle möglich

optisch ansprechend

chemisch Gasphasenabscheidung

als CVD

Werkstoffkombinationen, die

anders nicht möglich sind, z. B.

kleine Schichtdicken

physikalisch

Gasphasenabscheidung

als PVD

Karbide, Nitride, Oxide, Boride

Werkstoffkombinationen, die

anders nicht möglich sind, z. B.

Karbide, Nitride, Oxide, Boride

kleine Schichtdicken

Die einzelnen Verfahren überschneiden sich bei den erreichbaren Schichtdicken bzw. Auftragungen:

– Plattierungen*: Auftragungen von mehreren Millimetern,

– Auftragschweißungen: Auftragungen von 0,5 bis zu mehreren Millimetern,

– Spritzschichten: von 100 µm bis zu mehreren Millimetern,

– Galvanotechnik*: von 1 µm bis zu 1 mm.

– Gasphasenabscheidung ( CVD*, PVD*): von kleiner 1 µm bis mehrere µm.

Welches der Verfahren für einen bestimmten Anwendungsfall technisch sinnvoll ist, hängt von der

Art der Beanspruchung ab und damit, welcher Grundwerkstoff mit welchem Schichtwerkstoff die

Forderung erfüllen kann. Wenn dieser Werkstoff mit mehreren Verfahren aufgebracht werden

kann, entscheiden meist die Herstellungskosten, welches Verfahren zur Ausführung gelangt. Die

andern Verfahren außer dem thermischen Spritzen werden nachfolgend nicht näher beschrieben.

1.3 Verfahrensprinzip des thermischen Spritzens

In der Technik des thermischen Spritzens wurden viele Verfahren entwickelt, die immer die

gleichen Ziele vor Augen hatten: hohe Qualität, Effizienz* und Reproduzierbarkeit*. Die

Spritzverfahren entwickeln sich in heutiger Zeit sehr schnell weiter, z. B. das Spritzen mit dem

Laser*, die unterschiedlichen Plasmaspritzverfahren, zahlreiche Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsysteme

und nicht zuletzt das Kaltgasspritzen. Die im Folgenden beschriebenen Verfahren

entsprechen dem technischen Stand von 2013.

Beim thermischen Spritzen werden Spritzzusätze mit einer Spritzpistole so aufgeschmolzen

(thermische Energie*) und/oder so beschleunigt (kinetische Energie*), dass auf einer vorbereiteten

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Bauteiloberfläche eine neue Funktionsschicht entsteht, die einen lamellenfömigen Charakter hat,

Bild 1-1. Dieser Aufbau entsteht durch die sich beim Aufprall abflachenden Spritzpartikel, die sich

gleichmäßig an die Oberfläche anlegen und sich dort verklammern.

Bild 1-1. Verfahrensprinzip des thermisches Spritzens (Werkbild: Linde AG).

Bild 1-2. Einteilung der verschiedenen Spritzverfahren nach Temperaturbereichen und Partikelgeschwindigkeiten

(Werkbild: Linde AG).

Die zu beschichtenden Bauteile werden nur geringförmig erwärmt, ohne anzuschmelzen, wodurch

unterschiedlichste Werkstoffkombinationen möglich sind, die mit andern Verfahren nicht zu erreichen

sind. Es lassen sich alle Werkstoffe verspritzen, die sich durch eine Flamme oder ein

Plasma auf- oder anschmelzen lassen oder durch die immer höher werdende kinetische Energie

verformen lassen, sich dabei aber nicht zersetzen. Die erreichbaren Temperaturen und Geschwindigkeiten

sind je nach Spritzverfahren unterschiedlich. Eine Übersicht zeigt das Bild 1-2. Die

Einzelheiten der verschiedenen Verfahren sind im Kapitel 4 näher beschrieben. Die Spritzpartikel

fliegen geradlinig vom Brenner zum Bauteil, somit lassen sich alle, sogar kompliziert geformte

Bauteile beliebiger Größe auch nur in Teilbereichen beschichten, die vom Spritzstrahl erreichbar

sind. Schichtdicken können von etwa 30 µm bis zu mehreren Millimetern je nach gewünschter

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Funktion erreicht werden. Auf Grund des lamellenförmigen Aufbaues einer Spritzschicht und der

Wahlfreiheit der Werkstoffkombinationen ist die Schicht mikroporös mit unterschiedlicher Haftfestigkeit.

Die Belastbarkeit ist daher gegenüber den Massivwerkstoffen eingeschränkt und wird

unter anderem auch durch die unterschiedlichen E-Module von Grund- und Schichtwerkstoff

bestimmt.

Tabelle 1-2. Alphabetische Auflistung von typischen Anwendungen des thermischen Spritzens.

Bereich Bauteil Spritzverfahren Schichtwerkstoff Schutz vor

allg. Maschinenbau allg. Bauteile alle Metalle, Oxide,

Karbide

Verschleiß,

Korrosion

Atomkraftwerksbau Pumpenteile Plasma- Oxide Verschleiß

Automobilindustrie Getriebeteile,

Synchronringe,

Schaltgabeln

Drahtflamm- Molybdän Notlauf

Kolbenringe Plasma- Mo-Gemische Verschleiß

Bauindustrie Förderschnecken Pulverflamm- Ni-Legierungen Verschleiß

Formen für HVOF- WC/Co Verschleiß

Betonsteine

Bergbau Hydraulikzylinder Pulverflamm-, Cr-Stahl,

Verschleiß

Drahtflamm- Ni-Legierungen

Chemieanlagenbau Ventile, Pumpenteile alle u. a. Cr 2 O 3 , WC/Co Verschleiß

Druckindustrie Greiferteile Plasma-, Oxide

Verschleiß

HVOF-

Rasterwalzen Plasma- Chromoxid Verschleiß

Zentralzylinder,

Kalanderwalzen,

Presswalzen

HVOF- Chrom-Nickel-Stahl Verschleiß

Elektrotechnik PC-Kühlkörper. HF-

Abschirmung

Kaltgas-,

Drahtflamm-

Kupfer, Aluminium Wärmestau,

Strahlung

Glasindustrie Formen Pulverflamm- Ni-Legierungen Verschleiß

Konsumgüter Pfanne, Töpfe,

Bügeleisen,

Plasma-

Kaltgas-

Oxide u. Teflon

Oxide u. Farbe

Verschleiß

Optik

Schreibzeug

Fe-Basislegierungen

Kunststoffindustrie Koronawalzen Plasma- Oxide elektrischer

Überschlag

Plastifizierschnecken Pulverflamm- Ni-Legierungen Verschleiß

Luftfahrtindustrie Fahrgestelle HVOF- Karbide Verschleiß

Schaufelfüsse APS- CuNiIn Verschleiß

Triebwerks-Gehäuse HVOF- Karbide Verschleiß durch

Eigenschwingungen

untereinander

Turbinengehäuse Pulverflamm- Einlaufschichten Undichtigkeit

Turbinenschaufeln,

Brennkammerteile,

Verdichterschaufeln

MCrAlY, Oxide,

WC/Co, Cr 3 C 2 /NiCr

VPS-, HVOF-,

APS-, HVOF-

Hochtemperaturkorrosion

Wärmedämmung

Verschleiß

Medizin Implantate VPS- Titan, Hydroxilapatit Körper-Unverträglichkeit

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Tabelle 1-2. Fortsetzung.

Kohle

Stromerzeugung

Müllverbrennung

Stromerzeugung

stat. Gasturbine

Stromerzeugung

Wasserkraft

Stromerzeugung

Windkraft

Textilindustrie

Wasserbau

Off-Shore

Wassertechnik

Bereich Bauteil Spritzverfahren Schichtwerkstoff Schutz vor

Papierindustrie Tragwalzen Plasma- verschiedene Verschleiß

Kalanderwalzen HVOF- Karbide Verschleiß

Prüftechnik Rollen für

Drahtflamm- Nichtrostende Stähle Verschleiß

Reifenprüfstände

Pumpenindustrie Kolbenstangen Plasma- Chromoxid Verschleiß

Wellenhülsen Plasma- Chromoxid Verschleiß

Gleitringdichtungen Plasma- Chromoxid Verschleiß

Schifffahrt Wellenhülsen Plasma- Chromoxid Verschleiß

Dieselmotoren Plasma- Gemische Verschleiß

Stahlindustrie Rollgangsrollen Pulverflamm- Ni-Legierung Verschleiß

Ofenrollen verschiedene Karbide, Oxide Verschleiß,

Wärmedämmung

Zinkbadrollen verschiedene Oxide, Karbide Zinkkorrosion

Drahtziehteile Pulverflamm- Ni-Legierungen Verschleiß

Stromerzeugung Entschwefelungs-

Drahtflamm-, hochlegierte Stähle Korrosion,

anlagen

Flossenwände

HVOF-

Drahtflamm-,

HVOF-,

Lichtbogenhochlegierte

Stähle

Verschleiß

Korrosion,

Verschleiß

Leitringsegmente VPS-, HVOF- MCrAlY Hochtemperatur-

Korrosion,

Wärmedämmung

Turbinengehäuse Pulverflamm- Einlaufschichten Undichtigkeit

Turbinenschaufeln,

Brennkammerteile

MCrAlY, Oxide

VPS-, APS-,

HVOF-

Hochtemperatur-

Korrosion,

Wärmedämmung

Francis-, Kaplan-, HVOF- Karbide Verschleiß

Pelton-Turbinenteile

Windradteile Drahtflamm- Zink Korrosion

Galetten Drahtflamm- legierte Stähle Verschleiß

Haspelräder,

Quetschwalzen

Drahtflamm- legierte Stähle Verschleiß

Fadenführer, Plasma- Oxide Verschleiß

Kräuselwalzen

Kolbenstangen Plasma- Oxide Verschleiß,

Korrosion

Pumpenteile Plasma- Oxide,

Verschleiß

Ni-Legierungen

Tanks, Ventile, Pulverflamm- Kunststoffe Korrosion

Rohrdurchführungen

Um den Prozess reproduzierbar und entsprechend aller sicherheitstechnischen und technischen

Anforderungen genügend auszuführen, gehören neben den Brennern noch einige sehr wichtige

Komponenten zu einem System. Dies sind eine auf das Verfahren abgestimmte Gasversorgung,

diverse Kontrolleinheiten für den Prozess. Pulverförderer bis hin zu einer leistungsstarken Absauganlage

inklusive der Filterelemente, die den Spritzstaub (Overspray*) separieren. Eine schematische

Aufstellung der Komponenten ist in Bild 1-3 dargestellt.

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Bild 1-3. Komponenten einer Anlage zum thermischen Spritzen (Werkbild: Linde AG).

1.4 Anwendungen des thermischen Spritzens

Auf Grund der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen und Partikelgeschwindigkeiten haben

sich im Laufe der letzten Jahre die einzelnen Spritzverfahren in bevorzugten Einsatzgebieten

etabliert, die sie besonders wirtschaftlich und effektiv beherrschen. In Tabelle 1-2 sind typische

Bauteile aus verschiedenen Anwendungsgebieten aufgelistet. Fast alle Industriebereiche nutzen die

thermischen Spritzverfahren. Eine Auflistung nach Schichtwerkstoffen wird im Kapitel 6 in der

Tabelle 6-1 wiedergegeben.

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2 Vorbereitung zum thermischen Spritzen

Die richtige Vorbereitung zum beschichten ist ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer eines

Bauteiles, da der Erfolg von Spritzschichten in Bezug auf ihre Haftung eindeutig von der sorgfältigen

Vorbereitung der Oberfläche abhängt. Da die Haftung beim thermischen Spritzen (mit

Ausnahme von Spritzschichten mit nachträglichem Einschmelzen und beim Vakuumspritzen) von

einer mechanischen und keiner chemischen Verbindung abhängt, ist diese Vorbereitung von

ebenso großer Bedeutung wie die Beschichtung selbst. Die Bindung hängt sowohl von der Art der

Spritzpartikel in Form von Aufschmelzgrad, Teilchengröße und Teilchengeschwindigkeit ab als

auch von der Reinheit und Rauheit der zu beschichtenden Oberflächen. In der Praxis hat sich daher

eine bestimmte Vorbereitung des Grundwerkstoffes zum thermischen Spritzen als optimal herausgestellt.

Die übliche Vorbereitung setzt sich aus folgenden Teilschritten zusammen:

– Entfetten (chemische Reinigung),

– Maskieren (Abdecken) zum Strahlen,

– Aufrauen zum Beschichten (Strahlen, Raudrehen usw.),

– Maskierung (Abdeckung) vom Strahlen entfernen,

– Maskieren zum Beschichten,

– Nachreinigung,

– thermisches Spritzen (siehe Kapitel 4),

– Maskierung (Abdeckung) entfernen (siehe Abschnitt 2.4).

Die einzelnen Arbeitsschritte werden im Folgenden näher beschrieben.

2.1 Entfetten (chemische Reinigung)

Im Anfangszustand ist die zu beschichtende Oberfläche durch die vorausgegangenen Arbeitsschritte

oder durch den schon erfolgten Betriebseinsatz mit Ölen, Fetten oder anderen haftungsmindernd

wirkenden Substanzen kontaminiert, die entfernt werden müssen. Feste Verunreinigungen

wie Rost, Zunder oder Farbe werden durch Strahlen entfernt. Als Entfettungsmöglichkeiten

bieten sich an:

– Verbrennen durch entsprechend hohe Temperaturen im Ofen, mit der Flamme eines Schweißbrenners

oder mit der Spritzpistole ohne Pulvereinsatz. Das Entfetten im Ofen ist dann

besonders angebracht, wenn ältere Bauteile, im Speziellen Gusswerkstoffe, nach dem Einsatz

durch Öle oder Fette im Inneren verunreinigt sind, und daher kaum durch fettlösende Flüssigkeiten

erreichbar sind.

– Lösen in fettlösenden Flüssigkeiten durch Tauchen, Besprühen oder Abreiben. Die Lösemittel

sind unterschiedlich stark wassergefährdend, feuergefährlich und teilweise gesundheitsgefährlich.

Massenteile werden häufig in geschlossenen Systemen entfettet, um die Verdunstung bei

leicht flüchtigen Lösungsmitteln möglichst gering zu halten. Bei den Tauchverfahren ist darauf

zu achten, dass die Flüssigkeiten ohne Probleme nach der Entnahme auslaufen können.

Wässrige Lösungen mit geringer Alkalität können ein nachfolgendes Spülen verlangen. Dies

erfordert anschließend ein sorgfältiges Trocknen der Bauteile. Das Entfetten durch Tauchen

kann auch mit Unterstützung durch Ultraschall erfolgen, was den Prozess durch die mechanisch

wirkenden Kräfte erheblich verbessert.

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Als fettlösende Flüssigkeiten sind benutzbar:

– Aceton*: farblos, süßlicher Geruch, geringe Viskosität (dünnflüssig), leicht entzündlich, bildet

explosive Gemische, mit Wasser und den meisten organische Lösungen beliebig mischbar. Hier

ist unbedingt, wie bei allen Reinigern, das Sicherheitsdatenblatt zu beachten.

– Alkohol: farblos, für technische Zwecke vergällt (ungenießbar) und damit steuerfrei.

– Nitroverdünnung: Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen, daher teilweise gesundheitsgefährlich,

häufigste Anwendung Verdünnung und Reinigung von Nitrolacken. Hier ist

auch unbedingt, wie bei allen Reinigern, das Sicherheitsdatenblatt zu beachten.

– Alkalische wässrige Lösungen (Laugen): bei höheren Konzentrationen ätzend, ähnlich fettlösend

wie Seifenlösungen. Hier ist auch unbedingt, wie bei allen Reinigern, das Sicherheitsdatenblatt

zu beachten.

Nicht benutzt werden sollen giftige oder gefährliche Produkte wie:

– Per* (Perchlorethylen) – ein FCKW*-Produkt,

– Tri* (Triperchlorethylen) – ein FCKW*-Produkt,

– Methylalkohol = Methanol (führt beim Einatmen zu Nervenschädigungen bis hin zur Erblindung).

Eine im jeweiligen Anwendungsfall richtige Methode kann hier nicht empfohlen werden, sondern

ist jeweils entsprechend der Kosten sowie der Vor- und Nachteile abzuwägen. Die jeweiligen Vor

und Nachteile sind in der Tabelle 2-1 aufgeführt.

Tabelle 2-1. Vor- und Nachteile der Entfettungsmittel.

Methode Vorteile Nachteile

Verbrennen

absolut fettfrei, keine gesundheitlichen

Nachteile

gegebenenfalls hohe Bauteiltemperaturen,

die zum Verzug führen können,

feste Verbrennungsprodukte als Oxide

oder Ruß haften noch auf der Oberfläche,

Rauchentwicklung

Aceton sehr guter Fettlöser relativ teuer, leicht flüchtig und entzündlich,

wirkt stark entfettend auf der

Haut

Alkohol (Ethanol), auch bezeichnet

als Äthanol, Spiritus

Nitroverdünnung

kostengünstig, gutes Lösungsmittel

kostengünstig, da es in großen

Mengen produziert wird; teilweise

besserer Fettlöser als Alkohol

leicht entzündlich, verursacht Rauschzustände

leicht entzündlich, gesundheitsgefährlich

alkalische wässrige Lösung nicht entzündlich Bauteiltrocknung erforderlich

2.2 Maskieren (Abdecken) zum Strahlen

Um nicht zu strahlende Flächen an Bauteilen zu schützen, werden Maskierungsmittel benötigt. Die

verschiedenen Mittel unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, ob sie einmalig als selbstklebende

Bänder mit unterschiedlichen Beständigkeiten Anwendung finden oder wiederverwendbar sind als

metallische oder gummierte Masken, Tabelle 2-2. Am Markt gibt es zahlreiche selbstklebende

* Erklärung, siehe Anhang „Glossar“

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Bänder von verschiedenen Herstellern. Eine Empfehlung kann nicht gegeben werden, da die

Eigenschaften ständig wechseln und abhängig von der Strahlmethode sind. Die beste Möglichkeit,

um dies herauszufinden, ist, sich von den Lieferanten bemustern zu lassen.

Tabelle 2-2. Vor- und Nachteile der Abdeckmittel.

Trennmittel (Auftragen

per Pinsel als „Lack“)

Trennmittel (Auftragen

durch Tauchen als

„Wachs“

massive Metallmaske

Blechmaske

Silikonmaske

sofort einsetzbar, wasserlöslich,

kostengünstig

sofort einsetzbar, für das Ausfüllen von

Hohlräumen sehr gut geeignet

exakte Abdeckung, mehrfach verwendbar,

für wiederkehrende Teile

kostengünstig

für alle Spritzschichten geeignet, hohe

Temperaturbeständigkeit, keine Nachaufbereitung

bei Massenstahlteilen

(Wegwerfteil), oft in Kombination mit

Selbstklebeband, um dieses mit dessen

Vorteilen zu schützen

exakte Abdeckung, mehrfach verwendbar,

für wiederkehrende Teile

kostengünstig, ideal für kritische

Konturen

Abdeckmittel Vorteil Nachteil

selbstklebendes Band sofort einsetzbar, kein Spalt zum

Eindringen von Strahl- oder

Spritzpartikeln

genaue Position vom Ausführenden abhängig,

nur einmal verwendbar, hoher

Zeitaufwand, wegen begrenzter Temperaturbeständigkeit

für HVOF-Spritzschichten

zur Zeit nicht einsetzbar

nicht für Strahlen geeignet, ungenaue

Abgrenzung wegen Pinselauftrag, hoher

Zeitaufwand, besonders beim Entfernen

selten für Strahlen geeignet, hoher

Zeitaufwand, wenig temperaturbeständig

je nach Ausführung hoher Preis,

teilweise Nachaufbereitung nötig

je nach Ausführung hoher Preis,

Verzugsgefahr bei Temperaturbelastung

hoher Preis, nicht sofort einsetzbar

Bei den metallischen Masken zum Strahlen ist darauf zu achten, dass der Spalt zwischen zu

schützender Bauteilfläche und der Maske größer ist als die Korngröße des Strahlgutes. Auch auf

die Gefahr hin, dass durch den Spalt die zu schützende Fläche am Rand mit gestrahlt wird, sollte

der Spalt so groß gewählt werden, dass ein eingeklemmtes Strahlgutteilchen nicht die Maske

verklemmt, so dass sie nicht oder nur mit großem Aufwand anschließend zu entfernen ist. In

Tabelle 2-2 sind die Vor- und Nachteile der Abdeckmittel aufgeführt.

2.3 Aufrauen zum Beschichten

Das Aufrauen der zu beschichtenden Oberflächen hat die Aufgabe, durch die größere Oberfläche

die mechanische Verankerung und somit die Haftung der Spritzschicht zum Untergrund zu

verbessern sowie Verunreinigungen und Oxide zu entfernen, um eine aktive Oberfläche zu

bekommen. In der Praxis haben sich im Wesentlichen drei Methoden der Oberflächenvergrößerung

durchgesetzt: Raudrehen, Rauschleifen und Strahlen.

2.3.1 Raudrehen

Dieses soll eine gewinde- oder sägezahnähnliche Struktur erzeugen. Es ist von Vorteil, wenn

besonders bei Guss- oder Schmiedeteilen die Defekte der Teileherstellung beseitigt werden können

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und besonders dicke Schichten von mehreren mm Dicke erzeugt werden sollen. Die „Gewindestruktur“

soll dabei 0,5 mm und mehr betragen. Nachteilig ist, dass dieses „Gewinde“ zuerst mit

Spritzschichtwerkstoff zugespritzt werden muss, bevor mit der Sollschichtdicke gerechnet werden

kann. Es erfordert daher mehr Kosten und Zeit.

Mit Spezialdrehstählen lassen sich auch feinste Konturen in die Oberfläche einarbeiten, die eine

Verklammerung verbessern. Dies wird heute auch bei dünneren Schichten angewendet und findet

bei bestimmten Anwendungen immer größere Bedeutung.

2.3.2 Rauschleifen

Dieses soll eine dem Strahlen ähnliche Struktur darstellen, besonders wenn im Kreuzschliff mit

grobem Schleifstein geschliffen wird. Es ist eine selten angewendete Methode und wurde wie das

Raudrehen oft in der Vergangenheit angewandt.

2.3.3 Strahlen (als gängigste Methode)

Allgemeine Grundlagen

Bei den für das thermische Spritzen oft verwendeten Anlagen zum Strahlen wird mit Druckluft das

Strahlgut auf die Oberfläche geschleudert. Durch die Beschleunigung entsteht kinetische Energie*,

die mit speziellen Strahldüsen (Lavaldüsen*) nochmals erhöht werden kann. Durch die gestrahlte

Oberfläche werden die atomaren Anziehungskräfte (Van-der-Waals*-Bindung oder Adhäsion*

oder Kohäsion*) aktiviert und erhöht, wodurch die Haftung wesentlich verbessert wird Die

Haftung auf der aufgerauten Oberfläche ist zeitabhängig und halbiert sich in etwa 4 h, gemessen

nach dem Haftzugversuch. Für die Praxis bedeutet dies, dass der zeitliche Abstand zwischen

Strahlen und Beschichten möglichst nicht mehr als 4, besser nur maximal 2 h betragen soll.

Unbedingt zu beachten ist, dass ein Reinigungsstrahlen bei starken Verschmutzungen in einer

gesonderten Anlage geschieht. Dies gilt ebenso für das Entfernen von Lacken oder Zunder.

Praktische Beispiele

– Nicht während der Spätschicht strahlen und dann in der Frühschicht beschichten.

– Bei großen Bauteilen mit Strahlzeiten von über vier Stunden haben sich folgende Arbeitsweisen

bewährt: Zuerst komplettes Strahlen mit optimalen Strahlparametern, dann unmittelbar vor dem

Beschichten erneut strahlen mit reduzierten Parametern. Hier muss nicht mehr aufgeraut,

sondern die Oberfläche nur noch aktiviert werden. Gegebenenfalls kann der Strahl- und Spritzprozess

nebeneinander erfolgen. Damit sich die beiden Arbeitsschritte nicht gegenseitig beeinflussen,

sollte ein ausreichender Abstand gewählt werden. Der Strahlprozess kann durch

mobile Anlagen, die gleichzeitig das Strahlgut absaugen, gekapselt werden. Den Aufbau solcher

Anlagen findet man in Bild 2-5.

Strahlparameter

Es werden nur die Parameter aufgezählt, die einen wesentlichen Einfluss haben:

– Strahldruck, Strahlwinkel und Strahlabstand,

– Art der Strahlmittel und Zusammensetzung,

– Größe und Form der Strahlmittel,

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– Strahlprinzip,

– Werkstoff (Zusammensetzung) und Härte des Bauteils,

– Strahlmittelrückgewinnung,

– Pflege der Strahlmittel,

Art der Strahlmittel

Für den praktischen Einsatz haben sich im Wesentlichen fünf Arten von Strahlmitteln bewährt.

Die Wahl richtet sich nach den Kosten und der Abwägung von Vor- und Nachteilen der jeweiligen

Art, Tabelle 2-3.

Schlacke: Ist das preiswerteste Strahlmittel. Sie kann jedoch nur einmal verwendet werden, meist

nur zum Vorreinigen von verunreinigten Oberflächen, bevorzugt bei Strahlarbeiten im Freien oder

vor Ort in Großanlagen.

Tabelle 2-3. Strahlmittelarten.

Schlacke Stahlkies Korund, rein Korund, legiert Siliziumkarbid

Kosten besonders niedrig niedrig mittel mittel hoch

Vorteile sehr wirtschaftlich

sehr rein, häufig

eingesetzt

sehr hart

Nachteile

Normung

nur einmal verwendbar,

nur zur

Vorreinigung

geeignet

DIN EN ISO

11126-3,

DIN EN ISO

11126-4

wirtschaftlich,

hohe Zähigkeit,

lange

Lebensdauer

nur bei Bauteilen

aus

schwach legiertem

Stahl

verwendbar

DIN EN ISO

11126-2

niedrige Zähigkeit,

relativ

kurze Lebensdauer

DIN EN ISO

11126-7

rein, sehr

häufig

eingesetzt

bessere Zähigkeit,

bricht

nicht so schnell

wie reiner

Korund

DIN EN ISO

11126-7

reagiert auf Kobalt,

relativ kurze

Lebensdauer

bezogen auf die

Kosten

Stahlkies: Besteht aus Hartguss, kantig, (martensitisches* Gusseisen mit Eisenkarbiden, Härte

> 60 HRC) oder Stahlguss, kantig, (Chromstahl, Härte 60 HRC) oder rund (Chrom-Nickel-Stahl,

Härte 45 HRC). Stahlkies ist das wirtschaftlichste Strahlmittel bezogen auf Kosten und

Lebensdauer. Die Reste, die nach dem Strahlen in der Oberfläche verbleiben, dürfen jedoch die

Funktion des Bauteiles nicht beeinträchtigen. Deshalb wird Stahlkies vorwiegend an unlegierten

Stahlbauteilen eingesetzt. Zu empfehlen ist Stahlkies bei Beschichtungen, die nachträglich

eingeschmolzen werden, da er sich nicht durch die hohen Temperaturen verändert und die Schicht

negativ beeinträchtigt.

Korund, rein oder legiert: Ist das meist gebrauchte Strahlmittel. Reiner Korund (chemisch =

Aluminiumoxid, Al 2 O 3 ) ist weiß. Verunreinigter oder legierter Korund ist braun. Er ist für fast alle

Grundwerkstoffe geeignet und verhältnismäßig kostengünstig. Der legierte Korund (legiert mit

Titanoxid) ist zwar etwas weicher als der reine, dafür aber deutlich zäher und hat deshalb eine

höhere Lebensdauer.

Siliziumkarbid (chemisch = reines SiC): Ist besonders hart, daher besonders geeignet, wenn der

Grundwerkstoff gehärtet ist oder wenn die Strahlrückstände nicht in der Oberfläche verbleiben

dürfen. Da es spröde ist, kann es sich bei höheren Strahldrücken rasch zerlegen.

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