Kaltgasspritzen:

Technologiesprung für oxidarme, dichte Schichten

Das Thermische Spritzen ist heute aus vielen Bereichen der industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Doch der Siegeszug dieser äußerst vielseitigen Oberflächentechnologie ist noch lange nicht abgeschlossen. Durch die Optimierung bewährter sowie die Erarbeitung neuer Verfahrensvarianten erschließen sich ihr immer mehr Anwendungsgebiete.

Im Rahmen des 5. Kolloquiums für Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) wurde im November 2000 in Erding bei München die jüngste industrietaugliche Verfahrensneuheit vorgestellt: das Kaltgasspritzen. Es führt die vom HVOF-Verfahren eingeschlagene Richtung weg von der thermischen und hin zur kinetischen Energie konsequent weiter. Dichtere und oxidärmere Schichten denn je sind das Ergebnis.

Das hohe Interesse der 390 Kolloquiumsteilnehmer aus 24 Ländern ließ keinen Zweifel daran, dass sich das Kaltgasspritzen binnen kurzer Zeit als wertvolle Ergänzung zu den bisher bekannten Spritzverfahren etablieren wird. Anwendungsmöglichkeiten sind zum Beispiel im Korrosions- und Verschleißschutz, in der Herstellung mehrerer Zentimeter dicker Strukturen sowie in der Erzeugung elektrisch leitender Schichten zu sehen. Als Einsatzgebiet kommt die Elektrotechnik ebenso in Frage wie etwa die Automobilindustrie, der Schiffbau oder der Maschinen- und Anlagenbau.

Eine überraschende Entdeckung

Wie bei vielen bahnbrechenden Erfindungen, spielte auch in der Geburtsstunde des Kaltgasspritzens der Zufall eine entscheidende Rolle. Als das Institut für Theoretische und Angewandte Mechanik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nowosibirsk Mitte der 80er Jahre mit partikelbeladener Strömung im Überschallwindkanal experimentierte, war das eigentliche Ziel die Untersuchung von Erosionsvorgängen an Flugkörpern. Doch da machten die Wissenschaftler um Professor Anatolii Papyrin eine überraschende Entdeckung: Ab einer bestimmten Partikelgeschwindigkeit kehrt sich die abtragende Wirkung der Teilchen in eine – sehr starke – Haftung um.

Mit seinem Wissen wanderte Papyrin in die USA aus, wo er das Kaltgasspritzen entwickelte. Unterstützung erfuhr er durch ein Konsortium, an dem sich u.a. der Autohersteller Ford beteiligte. 1995 wurde das inzwischen patentrechtlich geschützte Verfahren erstmals auf einer größeren Spritzkonferenz in den Vereinigten Staaten präsentiert. Bei dieser Gelegenheit begegnete der russische Professor zwei Männern, die an der Erforschung und Einführung des Kaltgasspritzens entscheidend mitwirken sollten: Peter Heinrich von der Linde Gas AG, Höllriegelskreuth bei München, der zudem als Geschäftsführer der GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V. tätig ist, und Professor Heinrich Kreye von der Universität der Bundeswehr, Hamburg. Auf Betreiben der beiden Deutschen hin riefen Universität und Gasehersteller ein „Kompetenzzentrum Kaltgasspritzen“ ins Leben. In den folgenden Jahren wurden die Vorzüge und Möglichkeiten der neuen Technik an zwei identischen Anlagen in Hamburg und München systematisch untersucht. Während die Hochschule sich in erster Linie wissenschaftlichen Fragestellungen widmete, kümmerte sich die Linde Gas AG vor allem um praktische Aspekte wie die Entwicklung der Anlagentechnik. „So haben wir den Prototyp der Gasheizung gebaut, mit der das Prozessgas auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird“, berichtet Werner Krömmer, der bei Linde maßgeblich an der praxisnahen Weiterentwicklung des Verfahrens beteiligt war. Ende 2000 endlich schlug der industriellen Nutzung des Kaltgasspritzens die Stunde: Anlagen inklusive Lizenz zum Spritzen bietet nun die neu gegründete Cold Gas Technology GmbH (CGT) in Ampfing an.

Kein Aufschmelzen – keine Oxidation

Das Besondere am Kaltgasspritzen ist, dass der Schichtwerkstoff nicht mehr, wie bei den bisher üblichen Verfahren, an- oder aufgeschmolzen werden muss. Allein die hohe kinetische Energie der Spritzpartikel bewirkt die Entstehung einer dichten Schicht oder Struktur auf dem Substrat. Schon beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (kurz: HVOF; nach engl.: High-Velocity Oxy-Fuel) genügt ein teilweises Aufschmelzen, um eine hochwertige Schichtqualität zu erreichen. „Das Kaltgasspritzen bedeutet eine konsequente Weiterentwicklung des HVOF-Prozesses“, erklärt Thorsten Stoltenhoff, ein enger Mitarbeiter von Kreye.

Ähnlich wie beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen dient beim Kaltgasspritzen eine konvergente-divergente de Laval’sche Düse dazu, ein Gas – vorzugsweise Stickstoff – auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Vor der Düse in den Gasstrahl injiziert, wird der pulverförmige Spritzwerkstoff auf das Substrat geschleudert. „Überschreiten die Spritzpartikel eine für den jeweiligen Werkstoff charakteristische Geschwindigkeit – bei Kupfer sind das zum Beispiel 570 m/s –, bilden sie beim Aufprall eine dichte und fest haftende Schicht“, erläutert Stoltenhoff den Prozess.

Eine vorhergehende moderate Aufheizung des Gasstrahls erhöht nicht nur dessen Strömungs- und damit auch die Partikelgeschwindigkeit; die ebenfalls daraus folgende Erwärmung der Teilchen begünstigt deren Verformung beim Aufprall. Dabei liegt jedoch die Gastemperatur deutlich unter dem Schmelzpunkt des Beschichtungswerkstoffs. Mit dem Schmelzen verbundene unerwünschte Veränderungen des Materials wie Oxidation und andere Phasenumwandlungen werden dadurch vollständig vermieden. Dieser Vorteil gegenüber allen herkömmlichen thermischen Spritzverfahren – sogar dem modernen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen – wirkt sich positiv auf viele Schichteigenschaften aus, beispielsweise auf die elektrische Leitfähigkeit.

Hohe elektrische Leitfähigkeit dank geringem
Sauerstoffgehalt und hoher Dichte

Zum Kaltgasspritzen eignen sich plastisch verformbare Metalle und Kunststoffe sowie Werkstoffgemische mit plastisch verformbaren Anteilen. Das Spektrum der spritzbaren Metalle reicht von relativ niedrig schmelzendem Zink bis zu hochschmelzendem Titan und Niob. Neben den klassischen Anwendungen von Spritzschichten im Korrosions- und Verschleißschutz wird das neue Verfahren in der Elektrotechnik und im Maschinen- und Anlagenbau besondere Aufgaben erfüllen. So sind Kupferschichten erzeugbar, die 90% der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer (IACS Standard) aufweisen. Durch Flamm- oder HVOF-Spritzen lassen sich keine 50% erreichen. Dieser Fortschritt erklärt sich zum einen daraus, dass während des Spritzens offensichtlich keine Oxidation erfolgt: „Der Sauerstoffgehalt in der Schicht liegt bei nur 0,2 Gewichtsprozent – nicht mehr als beim unverarbeiteten Pulver“, erklärt Stoltenhoff. „Die Vergleichswerte bei flamm- und HVOF-gespritzten Überzügen betragen 1,1 bzw. 0,5 Gewichtsprozent.“

Zum anderen überzeugt auch die Dichte kaltgasgespritzter Kupferschichten. Sie unterscheidet sich kaum messbar von der massiven Kupfers und entspricht sogar den Anforderungen an Hochvakuumkomponenten. Gefügeaufnahmen zeigen keinerlei Poren. Nur die letzte Partikellage ist etwas lockerer, was darauf hinweist, dass die hohe Schichtdichte durch eine Art Mikroschmieden zu Stande kommt. Die nachfolgenden Partikel hämmern dabei den Überzug quasi fest. Mit 140 bis 160 HV0,1 ist auch die Härte der Kupferschichten hoch. Die Haftzugfestigkeit einer auf Aluminium gespritzten Schicht wurde mit 35 bis 40 MPa gemessen. In den hier durchgeführten Versuchen erzielte das Team um Kreye bei einer Spritzrate von 3 kg Kupfer pro Stunde einen Spritzwirkungsgrad von über 70%. Kaltgasspritz-Anlagen können aber je nach Bedarf auch auf höhere Spritzraten ausgelegt werden, wenn es um die Beschichtung großer Flächen geht – beispielsweise im Schiffblau. „Als idealen Spritzabstand haben wir den Bereich von 20 bis 50 mm ermittelt“, berichtet Stoltenhoff. „Wichtig ist außerdem die Beschränkung auf relativ kleine Partikel, im Fall von Kupfer in der Größe von 5 bis 25 µm.“ Spritzbar sind nicht nur Metalle sondern auch Kunststoffe sowie Gemische aus Metall, Kunststoff und Keramik.

Erschließung völlig neuer Anwendungen

Der geringe Wärmeeintrag beim Kaltgasspritzen bringt noch weitere große Vorteile gegenüber etablierten Spritzverfahren mit sich: die sehr geringe Temperaturbelastung des Substrats sowie die weitgehende Vermeidung thermisch induzierter Spannungen im Überzug. Somit sind einige Zentimeter dicke Schichten herstellbar. Über die Wahl der Düsengeometrie lässt sich zudem der Querschnitt des Spritzstrahls stark variieren. Das ermöglicht ein sehr endformnahes Spritzen freier Strukturen, z.B. von Motor- oder Fahrgestell-Teilen für die Automobilindustrie. Ein auf wenige Millimeter fokussierbarer Spritzstrahl erlaubt zudem die Beschichtung komplexer Werkstücke und macht dabei ein Abdecken von Bauteilbereichen teilweise überflüssig. „Das Kaltgasspritzen ist aber nicht als Ersatz für die bereits etablierten thermischen Verfahren anzusehen, sondern als wertvolle Ergänzung“, klärt Stoltenhoff auf. „Sie kann der Spritztechnik insgesamt neue Anwendungen erschließen – nicht nur bei der Herstellung von Schichten, sondern auch als formgebendes Verfahren und in der Verbindungstechnik.“

Ein wichtiger Pluspunkt des Kaltgasspritzens besteht darin, dass es keinen höheren Aufwand erfordert als das HVOF-Spritzen. Wie alle thermischen Spritzverfahren, erfolgt es in einer Lärmschutzkammer mit Luftabsaugung und Abluftreinigung. Die Lärmentwicklung ist dabei jedoch deutlich geringer als beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. Anlagen zum Kaltgasspritzen sind zur Zeit auf einen Maximaldruck von 35 bar und Gastemperaturen bis zu rund 600 °C ausgelegt. Gasdruck und Gastemperatur am Düseneintritt lassen sich über die Anlagensteuerung regeln.

Fundierte Ausbildung durch die SLV München

Um die Vorzüge thermischer und kinetischer Spritzverfahren voll nutzen zu können, sind gut ausgebildete Fachkräfte nötig. Jahrzehntelang bestand hier ein Mangel an offiziellen Ausbildungsmöglichkeiten. Doch seit Ende 1999 bietet die als Ausbildungs-, Überwachungs-, Prüf- und Zertifizierungsstelle akkreditierte Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV München, Niederlassung der GSI mbH als derzeit einzige Institution in Deutschland eine Ausbildung zum international anerkannten „Europäischen Thermischen Spritzer“ an. Selbstverständlich stehen auch neue Technologien wie das Kaltgasspritzen auf dem Lehrplan. Bereits seit einem halben Jahrhundert fördert die SLV München gemeinnützig, neutral und wirtschaftlich unabhängig die Anwendung von schweißtechnischen und verwandten Verfahren wie das Thermische Spritzen. Zu ihren vielseitigen Aktivitäten zählt u.a. die Organisation von Fachtagungen. So veranstaltet die SLV München gemeinsam mit der GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V., der Linde Gas AG und der Universität der Bundeswehr, Hamburg alle drei Jahre in Erding bei München ein Kolloquium für Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. Das letzte im Herbst 2000 brachte als größte Innovation das Kaltgasspritzen auf den Plan. Dank der weiterhin regen Forschungstätigkeit darf man gespannt sein, welche zukunftsweisenden Neuheiten der Industrie beim nächsten Kolloquium am 13./14. November 2003 präsentiert werden.

Weitere Informationen sind erhältlich bei

SLV München, Niederlassung der GSI mbH
Prof. Dr. Dieter G.F. Böhme
Fax: 089 / 18 16 43
E-Mail: slv@slv-muenchen.de
Internet: http://www.slv-muenchen.de

Universität der Bundeswehr Hamburg
Thorsten Stoltenhoff
Fax: 040 / 65 41-20 06
E-Mail: werkstoff.technik@unibw-hamburg.de
Internet: http://www.unibw-hamburg.de

CGT Cold Gas Technology GmbH
Peter Richter
Fax: 08636 / 98 33 830
E-Mail: cgt@crp-ag.de
Internet: http://www.crp-ag.de/cgt

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