Thermisches Spritzen

Die Verfahren des Thermischen Spritzens (klassiert in den Normen EN 657 und ISO 14917) bieten innerhalb der modernen Oberflächentechnologien vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Bauteile aus verschiedenen Grundwerkstoffen lassen sich zum Schutz z.B. gegen Verschleiss und Korrosion mit Schichten aus hochschmelzenden Metallen oder Keramiken versehen. Andererseits lassen sich auf thermisch stark belastete Bauteile thermisch leitende oder Wärme isolierende Schichten auftragen. Nahezu alle Beschichtungswerkstoffe, die in Pulver- oder Drahtform herstellbar sind, können so verarbeitet werden.

Die Beschichtungswerkstoffe werden beim Thermischen Spritzen einer energiereichen Wärmequelle (Brenngas-Sauerstoff-Flammen, Lichtbogen oder Plasmen aus Edelgasen wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium) zugeführt und aufgeschmolzen. Die an- oder aufgeschmolzenen Partikel werden dabei in Richtung des Werkstücks beschleunigt und prallen dort mit hoher Geschwindigkeit (40–600 m/s) auf. Nach der Wärmeübertragung an den Grundwerkstoff erstarren sie und bilden lageweise eine Schicht. Durch ein wiederholtes Überfahren mit dem Brenner wird die gewünschte Dicke erreicht.

Vorgang des Thermischen Spritzens – Verschleissschutz, Schutz vor Korrosion, Abrasionsschutz

Grundwerkstoffe des thermischen Spritzens

Nahezu alle Grundwerkstoffe können beschichtet werden, seien es Metalle, Keramiken, Kunststoffe, Faserverbunde oder Naturstoffe wie Stein, Holz usw. Dadurch bietet Thermisches Spritzen eine grosse Flexibilität an Grund- und Beschichtungswerkstoff-Kombinationen.

Schichtdicke der Beschichtung

Optimale Schichtdicken, die je nach Anwendungsfall stark variieren können, sind Voraussetzung für gute Resultate im Einsatz. Je nach Werkstoff und verwendetem Verfahren können Schichtdicken von einigen 10 μm bis mehreren Millimetern erreicht werden. Bei verschlissenen Teilen, an welchen die Gesamtschichtstärke nicht frei bestimmt werden kann, können zunächst Aufbauschichten aufgebracht werden.

Bauteiltemperatur beim Beschichten

Werkstücke werden während des Beschichtens in der Regel höchstens 150°C warm, und ihre Oberflächentemperatur wird überwacht. Veränderungen im Grundmaterial sind mit Ausnahme von selbst fliessenden Legierungen, die bei Temperaturen von über 1000°C nachträglich um- und eingeschmolzen werden, weitgehend ausgeschlossen.

Vor- und Nachbearbeitung aus einer Hand

Der rationellen Nachbearbeitung der Spritzschichten und der geforderten Oberflächengüte muss mindestens ebenso grosse Bedeutung beigemessen werden wie der optimalen Werkstoffwahl und Qualität. Die Nova Werke verfügen dazu über modernste Einrichtungen zum Drehen, Schleifen, Läppen, Honen und Polieren.

Qualitätssicherung bei Werkstoffen, Anlagen, Messmethoden (Normen) und Personal

Thermisches Spritzen ist nicht nur Vertrauenssache, sondern basiert auf einem konsequent umgesetzten Qualitätsbewusstsein auf vier Ebenen; der 4M-Regel: Material, Maschine, Mensch und Messung/Prüfung. Für eine umfassende Qualitätsüberwachung verfügen die Nova Werke über moderne Prüfmittel zur dreidimensionalen Toleranzüberwachung sowie über ein Metallographie-Labor, wo neben Mikroschliffen, Härtemessungen und Haftfestigkeitstests auch Rauheitsmessungen mit Rauprofilaufzeichnung durchgeführt werden können. Die QS-Massnahmen werden jeweils bei Auftragserteilung auf der Grundlage einschlägiger Normen mit dem Kunden abgestimmt.

Gültige Normen im Bereich Thermisches Spritzen PDF, 139,7 KiB

Thermische Spritzverfahren bei Nova Swiss:

Flammspritzen, Lichtbogen-Spritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) und Plasma-Spritzen (APS)

Welches Verfahren eingesetzt wird, hängt vom konkreten Anwendungsfall ab. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen spielen dabei immer eine wichtige Rolle.

	Gastemperatur [°C]	Partikelgeschw. [m/s]	Haftzugfestigkeit [MPa]	Porosität [Vol.-%]
Lichtbogenspritzen	4’000	100	10-15	10
Flammspritzen	3’100	40	10	10-15
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen	3’100	800	> 70	1-2
Plasmaspritzen	15’000	200	> 50	2-5

Beschichtungswerkstoffe zum thermischen Spritzen und deren Einsatzmerkmale

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Reine Metalle	Aluminium / Al	660	80	Weich	Korrosionsschutz gegen Industrie- und Seewasseratmosphäre
	Kupfer / Cu	1080	120	Gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeiten	Leitende Schichten, z.B. auf Nichtleitern
	Molybdän / Mo	2600	700	Gute Gleit- und Notlaufeigenschaften, hart, zäh, guter Verschleisswiderstand, geeignet auch als Korrosionsschutz. Extrem dichte Schichten möglich, gute Druckfestigkeit	Gleitflächen allgemein. Kurbelwellen, Synchron- und Kolbenringe, Pumpen-Teile, Führungen, Dieselmotoren-Komponenten, Pass- und Presssitze, Vermeiden von Passungsrost
	Zink / Zn	420	30	Niedrig schmelzend, guter Korrosionsschutz	Korrosionsschutz wie Aluminium (oftmals auch als Al/Zn-Legierung), insbesondere für Brücken- und Krankonstruktionen sowie an Behältern usw.
	Wolfram / W	3400	300	Hochschmelzendes Element	Elektrische Kontakte, Elektroden

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Stähle	Verschiedene Legierungen	1325 - 1536	160 - 600	Je nach Legierung: drehbar bis sehr hart, sehr reibverschleissfest, rost- und säurebeständig	Allgemeine Reparaturen von stark verschlissenen Bauteilen
	NiCr-Legierung	1400	350	Korrosionsbeständig, sehr gute Haftung, temperaturbeständig.	Grund- und Zwischenschichten
	MCrAlY M = Ni, Co, Fe,	1360 - 1410	400 - 500	Hochtemperatur- und korrosionsbeständig	Grund- und Haftschichten
	Stellite	bis 1400	bis 700	Korrosionsbeständig, verschleissfest	Verschleissschutz allgemein, Dampfturbinenteile
	Tribaloy (Kobalt- oder Nickelbasis)	bis 1600	bis 650	Verschleiss- und korrosionsfest. Gute Warmhärte	Reibverschleissschutz mit guten Gleiteigenschaften

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Selbst-fliessende Legierungen	NiCrBSi, NiCoBSi, CoCrNiMoBSi, CoCrNiWBSi	1000 - 1100	bis 800	Hart, zäh, dicht, sehr verschleissfest. Einschmelzen möglich. Gute Warmhärte	Verschleissschutz allgemein, insbesondere Ventilpanzerung. Auch als Korrosionsschutz im Einsatz. Eingeschmolzene Schichten sind absolut dicht

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Nicht-Eisen- Legierungen	Alu-Bronze	1060	210	Hart, zäh, druckfest, korrosionsfest, gute Notlaufeigenschaften	Reibverschleissschutz mit sehr guten Notlaufeigenschaften
	Nickel-Aluminium / NiAl	1400	230	Sehr dicht und gute Haftung, wärmeschock- und korrosionsbeständig	Grund- oder Zwischenschichten. Lagersitze

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Keramiken	AIuminiumoxid rein / Al2O3	2050	bis 1000	Sehr hart, abrasionsfest, jedoch relativ spröde, guter elektrischer Isolator	Textilmaschinenteile, Elektro- und Wärmeisolationen, sehr verschleissbeständig, z.B. Einsatz als Mischerflügel
	Aluminiumoxid + Titanoxid /Al2O3 -TiO2	1900	850	Der Titanoxidanteil verbessert die Dichte, die Gleiteigenschaften sowie die Polierbarkeit, ferner wird die Sprödigkeit reduziert, aber geringere Härtewerte erreicht	Gleitringdichtungen, Wellenschutzhülsen, Textilmaschinenteile, Hydraulikteile, Druckwalzen
	Chromoxid / Cr2O3	2435	1200	Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, hart, sehr abriebfest, sehr dichte, glatte Schichten	Pumpenteile, Plunger, Wellenschutzhülsen, Dichtungssitze, Textil-maschinenteile
	Zirkonoxid / ZrO2 - Y2O3 stab. - MgO stab. - CaO stab.	bis 2680	bis 800	Wärmedämmschicht, schlecht benetzbar durch Metallschmelzen, elektrisch leitend bei hohen Temperaturen	Giessmaschinenteile, Kokillen, Hochtemperaturdüsen, Brennkammern, Hochtemperatur-Heizelemente (>2’000oC)

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Cerments	Mischwerkstoffe aus Keramik und Metallen oder Metalllegierungen			Diese Werkstoffe sind in der Regel eine Kombination von zwei oder mehreren stark unterschiedlichen Komponenten.	Sonderanwendungen und geeignet auch als Zwischenschichten
	Wolframkarbid + Kobalt / WC-Co	(bis 1500)*	1450	Hart, sehr reibverschleissfest, korrosions-, erosions-, wärmeschockbeständig. Sehr dichte Schichten, sehr gute Haftung	Allgemeiner Verschleissschutz bei Abrasion und Erosion
	Wolframkarbid + Kobalt-Chrom / WC-CoCr	(bis 1500)*	1450	Eigenschaften siehe WC-Co-Schichten	Korrosionsbeständig in wässrigen Lösungen
	Wolframkarbid + Nickel / WC-Ni	(bis 1500)*	1450	Wie Wolframkarbid, zudem sehr verschleissbeständig bei korrosiven Medien und hohen Temperaturen	Chemieanlagenteile, Auskleidungen, hydraulische Ventile, Maschinen und Werkzeugteile aller Art. Idealer Verschleissschutz auf Aluminiumbauteilen

Werkstoff gruppen	Werkstoff	Schmelztemp. [°C]	Vickers-Härte [HV 0,3]*	Typische Merkmale	Anwendungsgebiete
Pseudolegierungen	Nickel-Graphit	(bis 1450)*	44	Selbstschmierend dank freiem Graphit	Gleitlager. Je nach Anwendung auch für Trockenlauf geeignet
	Keramik-Metall Keramik-Kunststoff Metall-Kunststoff	-	-	Keine homogene Legierung mehr, jedoch oftmals Eigenschaften der beiden Partner vereint	Hart, Verschleissschutz (siehe «Cermets»), hart, nicht benetzend (Lebensmittel-/Drucktechnik), z.B. Al-Si-Polyester (Einlaufschichten)

[ ]* Die Angaben der Vickers-Härten [HV 0,3] sind Richtwerte der thermisch gespritzten Schichten.

( )* Anstelle des Schmelzpunktes wird hier bei den Verbundwerkstoffen die Sintertemperatur angegeben.