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PRESSE-INFO (Dezember 2006) Belege
erbeten an die GTS und an: HVOF: Neueste Entwicklungen führen zu mehr
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„Selten haben wir ein so
geballtes Fachwissen auf engstem Raum erlebt.“ – „Wir wollen in
unserem Unternehmen ein neues Verfahren einführen, nirgendwo
können wir uns gezielter und umfassender informieren als hier.“
– „Der Erfahrungsaustausch ist erstklassig.“
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Kaltgasspritzen: Entwicklung zu mehr kinetischer Energie
Die besonderen Eigenschaften des HVOF – dem
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bei dem das beschleunigte Prozessgas
Überschallgeschwindigkeit erreicht – liegen im Vergleich zu anderen
thermischen Beschichtungsverfahren in der größeren Geschwindigkeit bei
gleichzeitig geringerer Temperatur der Spritzpartikel. Die dabei
erzielte höhere kinetische Energie ergibt besser haftende und dichtere
Schichten. Der Fortschritt von der thermischen zur kinetischen Energie
in der Oberflächenbearbeitung zeigt sich in neuen Entwicklungen des
Kaltgasspritzens, dem Schwerpunktthema des Kolloquiums.
Wie ein Schneeball
Über den aktuellen Stand der Forschung informierte zu Beginn des
Kolloquiums Professor Dr. Heinrich Kreye von der Universität der
Bundeswehr Hamburg. Beim Kaltgasspritzen haften die Partikel allein
aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie und der beim Aufprall
ablaufenden Verformung. Die Partikel werden in einer Laval-Düse mit
Hilfe eines vorgeheizten und unter hohem Druck stehenden Gases
beschleunigt. Im Gegensatz zum konventionellen Thermischen Spritzen
werden die Partikel nur geringfügig aufgeheizt und prallen in festem
Zustand auf das Substrat auf. Durch die Expansion des Gases im
divergenten Bereich der Düse beschleunigen Gas und Partikel auf
Überschallgeschwindigkeit und kühlen ab. Anschaulich verglich Professor
Kreye diesen Vorgang mit einem Schneeball, der gegen eine Wand geworfen
wird. Auch dieser haftet nur, wenn die Geschwindigkeit und die
Konsistenz des Schnees stimmen. Die Spritzrate liegt beim
Kaltgasspritzen – vergleichbar mit anderen thermischen Spritzverfahren –
zwischen drei bis sechs Kilogramm Pulver pro Stunde.
Aufprallgeschwindigkeiten von 200–1.200 m/s lassen sich erreichen und
sind abhängig von der Düsenform, der Form und Größe der Partikel, dem
Prozessgastyp sowie dem Zustand des Prozessgases im Hinblick auf Druck
und Temperatur. Die Erwärmung des Gases dient der Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit. Sie begünstigt durch die Erwärmung der
Partikel deren Verformung beim Aufprall und verringert dadurch die zum
Haften erforderliche kritische Geschwindigkeit.
Bisher musste beim Kaltgasspritzen zur Herstellung hochwertiger Schichten entweder das teurere Helium als Prozessgas verwendet oder unter Einsatz des deutlich kostengünstigeren Stickstoffs ein besonders feines Pulver in seiner Körnung auf den Spritzprozess sorgfältig abgestimmt werden. Um mit Stickstoff Wirkungsgrade von ca. 60 % zu erzielen, war bei Kupfer eine Körnung von 5 bis -25 µm erforderlich. Wie Versuche ergaben, lassen sich im Vergleich zum herkömmlich verwendeten Stickstoff mit Helium als Prozessgas wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten erzielen (der Schneeball fliegt schneller). Die Temperatur der Partikel ist jedoch viel geringer. So trifft ein 20 µm Kupferpartikel unter Standardverhältnissen, d.h. bei Verwendung von Stickstoff, mit einer Geschwindigkeit von 490 m/s und 70°C auf das Substrat auf. Mit Helium erreicht das Partikel zwar 690 m/s, aber dafür eine Temperatur, die unterhalb der Raumtemperatur liegt. Nachteilig wirken sich jedoch die Kosten für Helium aus, die ca. 10mal höher liegen als für Stickstoff.
Um den Prozess zu optimieren wurden Düsen mit leicht glockenförmiger Kontur entwickelt und die MOC-Düse aus Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetall hergestellt, wodurch Prozessgastemperatur und Partikelgeschwindigkeit gesteigert und das Anbacken des Pulvers an der Düsenwand reduziert werden konnten. In einem nächsten Schritt folgte eine Vorkammer, bei der die Injektion des Pulvers in einem größeren Abstand vor dem Düsenhals erfolgt. Dadurch erwärmen sich die Partikel vor Eintritt in die MOC-Düse, und die zur Haftung der Partikel erforderliche Geschwindigkeit verringert sich. Da größere Partikel im expandierenden Gasstrahl weniger abkühlen ist ihre Aufpralltemperatur größer als die kleinerer Partikel.
Neue Systeme erhöhen die Wirtschaftlichkeit
Als neueste Entwicklung zur Prozessoptimierung wurde eine
Zusatzheizung in die Spritzpistole integriert, mit der sich das bereits
zuvor aufgeheizte Gas im Fall von Stickstoff auf 900 °C und im Fall von
Helium auf 700 °C aufheizen lässt. Für beide Prozessgase liegt die
Auftreffgeschwindigkeit mehr als 200 m/s über der kritischen
Geschwindigkeit. Unter diesen Bedingungen erreicht man mit Stickstoff
als Prozessgas mechanische Eigenschaften, die vergleichbar mit denen von
Massivmaterial sind. Würde man nur die Düsenauslegung verbessern, wäre
dafür Helium erforderlich. Durch die Optimierung des Spritzprozesses
konnten die Bedingungen mit Stickstoff um 250 m/s und 400 °C gesteigert
werden. Dadurch lassen sich mit Stickstoff ähnliche Bedingungen
erreichen wie mit Helium. Die damit gesteigerte Wirtschaftlichkeit macht
das Kaltgasspritzen für neue Anwendungsbereiche rentabel.
Kaltgasspritzen eignet sich für eine Vielzahl von Metallen, wenn mit der
verfügbaren Anlage die zur Haftung der Partikel erforderlichen
Geschwindigkeiten erreicht werden. Bei den meisten Metallen und
Legierungen ist dies mit Stickstoff als Prozessgas möglich.
Die großen Fortschritte des Kaltgasspritzens zeichnen sich ab beim Vergleich der Schichten, die unter Standardbedingungen und unter Nutzung der neuesten Entwicklungen hergestellt werden. Bei Verwendung der verlängerten Vorkammer und der Zusatzheizung in der Pistole können mit Stickstoff nun bei 30 bar und 900 °C sogar mit Pulvern der Körnung -70+30 µm Schichten mit über 90% Auftragswirkungsgrad gespritzt werden, die eine Haftzugfestigkeit von etwa 80 MPa besitzen. Die geringere kritische Geschwindigkeit und die höhere Aufpralltemperatur der größeren Partikel begünstigen die Qualität der Schichten. Da gröbere Pulver weniger kosten als feine, erhöht sich damit die Wirtschaftlichkeit des Kaltgasspritzens.
Mit der Entwicklung neuer Düsen für eine bessere Beschleunigung der Partikel und unter Verwendung von geeignetem Düsenmaterial zur Vermeidung von Anbacken des Pulvers an der Düsenwand wurden Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel im Moment des Aufpralls erhöht. Somit lassen sich auch gröbere Pulver zum geringeren Preis verwenden.
Das im Labor der Universität vorhandene CGT (Cold Gas Technology)-System wurde weiterentwickelt, um eine effizientere Aufheizung der Partikel und höhere Partikelgeschwindigkeiten zu erhalten. Beide Maßnahmen erhöhen den Abstand zwischen den erreichbaren Aufprallgeschwindigkeiten und der zum Haften erforderlichen kritischen Geschwindigkeit. Mit Kupfer als Spritzwerkstoff und Korngrößen von 10–70 µm konnten dadurch Haftzugfestigkeiten erzielt werden vergleichbar mit HVOF-Schichten und mechanische Eigenschaften vergleichbar mit kalt verformtem Massivmaterial. Dieses Ergebnis ist auf andere Spritzwerkstoffe übertragbar.
Mit Hochdruck zu besseren Eigenschaften
Bisher konzentrierte sich die Prozessoptimierung beim
Kaltgasspritzen hauptsächlich auf die Auslegung neuer Düsen, um zu einer
effektiveren Beschleunigung der Partikel zu gelangen. Spritzpulver
wurden sehr fein gehalten, weil nur feine Partikel die für die Haftung
notwendige Geschwindigkeit erreichten. Wie Tobias Schmidt von der
Universität der Bundeswehr Hamburg darlegte, zeigen neuere Studien, dass
sehr feine Spritzpulver nicht immer zu einer optimalen Schichtqualität
führen, da größere Partikel sich leichter verformen und besser binden.
Optimale Aufprallbedingungen wurden mit einer neu entwickelten
Spritzpistole realisiert, die in eine konventionelle Spritzanlage
integriert ist. Das Ergebnis: Die Eigenschaften von kaltgasgespritzten
Kupferschichten konnten durch höhere Prozessgastemperaturen, durch eine
verbesserte Partikelinjektion und durch optimierte
Partikelgrößenverteilung signifikant gesteigert werden. Die dafür neu
entwickelte Spritzpistole mit 17 kW Heizer und verlängerter Vorkammer
wurde integriert in das CGT-Spritzsystem Kinetiks® 3000 und führte in
der Weiterentwicklung zu Kinetiks® 4000, das Helmut Paul Höll von der
Cold Gas Technology GmbH in seinem Referat vorstellte. Damit lassen sich
bei Stickstoff Prozessgastemperaturen bis zu 900 °C und Prozessgasdrücke
bis zu 45 bar erreichen. Das Spritzpulver lässt sich im Spritzprozess
gezielt erwärmen, im Einzelfall auf über 500 °C. Dies bewirkt z. B. bei
Niob eine wesentlich bessere Schichteigenschaft. Der maximale Druck
wurde auf 44 bar erhöht. Nun sind Temperaturdifferenzen von 550 °C
möglich und damit erhebliche Einsparungen im Gasverbrauch. Die ActiveJet
Pistole kann ohne Vorheizung Temperaturen von 550 °C für Stickstoff
erreichen, mit Vorheizung 800 °C vor der Düse. Zwei Pulverförderer
können parallel betrieben und Schichten aus Pulvergemischen hergestellt
werden. Die neue System Kinetiks® 4000 ist modular aufgebaut und auf die
verschiedensten Anwendungen anpassbar.
Auftragswirkungsgrad deutlich verbessert
Beim Kaltgasspritzen lassen sich verschiedene Spritzwerkstoffe
verarbeiten, ohne sie oder das Substrat hohen thermischen Belastungen
auszusetzen. Im Vergleich zu anderen thermischen Spritzprozessen wie
Plasmaspritzen oder Flammspritzen ermöglicht das Kaltgasspritzen die
Herstellung von Schichten mit extrem geringer Porosität und extrem
geringem Sauerstoffgehalt. Der Auftragswirkungsgrad ist sehr hoch und
kann bis 90 % betragen.
Aufgrund ihrer niedrigen Schmelztemperatur und hohen Zähigkeit haben sich Werkstoffe wie Kupfer, Aluminium oder Zink zu etablierten Beschichtungswerkstoffen für das Kaltgasspritzen herauskristallisiert. Sie gelangen unter anderem in der Luftfahrt-, Automobil- oder Elektronikindustrie zum Einsatz. Am Beispiel von Tantal erläuterte Dr. Stefan Zimmermann von H.C. Starck wie man durch Optimierung der Pulvereigenschaften sowohl den Auftragswirkungsgrad als auch die Schichteigenschaften gezielt verbessern kann. Mit Tantal, Niob oder Nickel lassen sich äußerst dichte Schichten erzeugen, die einen effektiven Korrosionsschutz sicherstellen. Da sich beim Kaltgasspritzen die Zusammensetzung des Werkstoffes durch Oxidation oder metallurgische Reaktionen nicht ändert, sind diese Schichten auch in Fällen zu verwenden, in denen es auf hohe Reinheit und spezifische Phasen ankommt.
Die Optimierung der Pulver erweist sich auch als wirtschaftlich interessant, und zwar durch eine erhebliche Steigerung des Auftragswirkungsgrades sowie die Verbesserung der Prozesssicherheit durch weniger oder keine Düsenanbackungen. Die Kosten für die Herstellung von Schichten aus Tantal, Niob oder aus nickelhaltigen Werkstoffen, bei denen der Auftragswirkungsgrad durch die Weiterentwicklung des Pulvers auf weit über 50 % gesteigert werden konnten, sinkt auf ein wettbewerbsfähiges Niveau.
Überzeugende Erfolge bei Anwendungen in der Praxis
Nicht mehr wegzudenken ist das Kaltgasspritzen aus der Luft- und
Raumfahrtindustrie. Die Zulassung des Verfahrens in dieser
anspruchsvollen Branche beweist, dass es für die Bearbeitung und
Veredelung von Oberflächen der unterschiedlichsten Art eine neue,
überzeugende Perspektive gibt, deren Umsetzung sich bereits in der
Praxis bewährt hat. Dr. Thorsten Stoltenhoff von der Praxair Surface
Technologies GmbH gehörte zu den wenigen Referenten, die bereit waren,
offen über ihre Anwendungen zu sprechen. Er berichtete vom Beschichten
dynamisch hoch beanspruchter Luftfahrtkomponenten aus Aluminium mit
Kaltgasspritzen, wo es u. a. in der Triebwerkstechnik oder beim
Beschichten der Rotorblätter eingesetzt wird. Vor allem in der
Triebwerkstechnik hat das Verfahren zu erheblichen Leistungssteigerungen
beigetragen.
Bei 18 weiteren Anwendungen wurden schon erste Schritte eingeleitet, wobei über Produkte und Einzelheiten noch nicht gesprochen werden durfte, da seitens der Auftraggeber der Wunsch nach absoluter Vertraulichkeit bestand.
Hohes Entwicklungspotenzial in USA und Australien
Viel versprechende, aufstrebende Märkte für das Kaltgasspritzen
zeichnen sich in USA und Australien ab. In beiden Ländern liegen
weitreichende Erfahrungen mit HVOF-Verfahren vor, auf die nun mit dem
neuen Verfahren Kaltgasspritzen aufgebaut werden kann. In den USA werden
in vielen Forschungseinrichtungen Studien zum Kaltgasspritzen
durchgeführt, hauptsächlich unter der Führung von ASB Industries. Es ist
eines der Ziele von CISRO Institute of Management, an den amerikanischen
Forschungseinrichtungen innovative und flexible Trainingsprogramme
anzubieten, die eine Verbindung schaffen zwischen den traditionellen
Lehranstalten und den Erfordernissen des Marktes. HVOF-Spritzen hat sich
vor allem in der Metall- und Stahlindustrie etabliert, in der es
überwiegend als Verschleißschutz eingesetzt wird, so Charles Kay von ASB
Industries, USA. In Australien besteht seit 2003 eine Arbeitsgruppe zum
Kaltgasspritzen. Dr. Mahnaz Jahedi von CSIRO (Commonwealth Scientific
and Industrial Research Organisation) Manufacturing and Materials
Technology, Australien, – die einzige Frau unter den Referenten –
erläuterte, dass Kaltgas-Verfahren als Beschichtungstechnologie
herkömmliche Verfahren zunehmend ersetzen, da sie geringere
Umweltbelastungen verursachen und häufig besseren Oxidationsschutz
bieten. Im Zentrum der Forschungen steht Titan, das im fünften Kontinent
ein großes Vorkommen aufweist und als viel versprechende Alternative
beim Beschichten von Teilen gilt.
Thermisches Spritzen – Wachsen mit Überschall
Dr. Frank Gärtner von der Universität der Bundeswehr Hamburg verwies
in seinem Vortrag auf das fast 100jährige Jubiläum des Thermischen
Spritzens; ein sehr erfolgreicher und zukunftsträchtiger
Industriesektor, weist er doch jährliche Wachstumsraten von 10% und mehr
auf. Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ist der am schnellsten
wachsende Bereich thermischer Spritzanwendungen. Auf dem Markt
konkurrieren verschiedene HVOF-Spritzsysteme, je nach gewünschten
Schichteigenschaften. Die jüngsten Entwicklungen der HVOF-Spritzsysteme
zielen im Wesentlichen auf die Optimierung der Verbrennung sowie eine
verbesserte Partikelbeschleunigung (z. B WOKA®-Star 600 von Sulzer Metco
oder JP 8000 von Praxair) oder HVOF-Düsen, die bei höherem Druck
operieren (CJS HVOF von Thermico).
Draht als ökonomische Alternative
Zu den neuen Entwicklungen gehören auch
Hochgeschwindigkeits-Drahtflammspritzsysteme (HVCW) wie die W1000
Pistole von Metatherm. Im HVCW-Spritzprozess werden
Überschallgeschwindigkeiten durch hohe Prozessgasdrücke von 6 – 8 bar
erreicht. Das heiße Beschleunigungsgas umschließt die Drahtspitze,
schert Tröpfchen ab und beschleunigt diese weiter in Richtung Substrat.
Dabei muss die Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffes überschritten
werden. Die Geschwindigkeit der Tröpfchen ist etwa nur halb so hoch wie
beim HVOF-Pulverflammspritzen. Mit Stahldraht werden Spritzraten von
fünf bis neun Kilogramm pro Stunde realisiert.
Im Vergleich zum HVOF-Spritzen mit Pulver stellt das HVOF-Drahtflammspritzen aufgrund geringerer Investitions- und Betriebskosten für die erforderliche Anlagentechnik eine ökonomische Alternative dar, so Professor Dr. Bernhard Wielage von der Technischen Universität Chemnitz. Beim Drahtflammspritzen werden vorrangig einfache Systeme mit Brenngas und Druckluftkühlung eingesetzt. Als vorteilhaft erweist sich das unkomplizierte Handling, Nachteile bereitet die geringe Auswahl an Spritzwerkstoffen. Voraussetzung für hohe Schichtqualitäten ist ein homogenes Abschmelzen der Spritzdrähte. Dies erfordert eine genaue Abstimmung der Flammenparameter, der Drahtvorschubgeschwindigkeit und des Drahtdesigns.
Mobile Computertomografie für thermische Schichten
Wie lassen sich nun die Eigenschaften einer gespritzten Schicht
feststellen? Über Diagnoseverfahren zur Optimierung und Kontrolle
thermischer Spritzsysteme referierte Professor Dr. Klaus Landes von der
Universität der Bundeswehr Neubiberg. Um während des Spritzprozesses
Kontrollmessungen und eine Überwachung des Prozesses vorzunehmen wurden
zwei neue Verfahren entwickelt: Mit der Computertomografie, bekannt aus
der Medizin, können Daten gewonnen werden, die in dreidimensionaler
Abhängigkeit bislang nicht erhältlich waren. Für den Anwender besonders
interessant ist die Entwicklung eines mobilen Tomografiesystems, das mit
seinem einfachen Aufbau und geringen Gewicht jeweils vor Ort eingesetzt
werden kann. Mit der Axeal Particle Velocimetry (APV) erhält man Daten
über die Partikel im gesamten Spritzstrahl.
Neben den erwünschten Schichteigenschaften ist für bestimmte Anwendungen beim HVOF-Spritzen auch die Wirtschaftlichkeit ein Kriterium. Wie Rainer Schwetzke von der KVT Kurlbaum GmbH in seinem Referat darlegte, sind bei Wirtschaftlichkeitsberechnungen nicht nur die Betriebskosten ausschlaggebend. Die Wirtschaftlichkeit kann auch durch eine verbesserte Pulverförderrate und einen höheren Auftragswirkungsgrad gesteigert werden.
GTS – Eine starke Gemeinschaft
Der Erfolg des Thermischen Spritzens zeigt sich nicht zuletzt im
Zusammenschluss vieler Mitglieder in der GTS Gemeinschaft Thermisches
Spritzen e.V.. Die Arbeit des Verbandes stellte Peter Heinrich,
Geschäftsführender Vorstand, vor. Drei Säulen sind für den langfristigen
Erfolg der Technik verantwortlich – „…eine solide Basis zu besitzen,
fundamentierte Ziele zu haben und unabhängig zu sein“, so Heinrich. Die
Basis der GTS bilden die aktiven Mitgliedsfirmen mit ihren
hochqualifizierten Mitarbeitern. Es ist das Ziel der GTS, die Qualität
des Thermischen Spritzens zu sichern und mit dem GTS-Zertifikat sichtbar
zu machen. Die Unabhängigkeit als dritte Säule wurde mit der Gründung
der GTS 1992 sichergestellt.
Von den heute 75 Vollmitgliedern sind 53 Prozent Betriebe mit weniger als 10 Mitarbeitern. Dies zeigt, dass gerade kleinere und mittlere Unternehmen hier eine gute Interessenvertretung gefunden haben. Vollmitglieder können nur Firmen werden, die Technik und Verfahren des Thermischen Spritzens anwenden und sich nach den hohen GTS-Richtlinien zertifizieren lassen. Der Aufgabenbereich der GTS umfasst z. B. die Vergabe von Zertifikaten für hochwertige Erzeugnisse, Sicherstellung einer ausgefeilten Technik des Thermischen Spritzens durch Zertifizierung, die Aus- und Weiterbildung von Mitarbeitern, Öffentlichkeitsarbeit sowie die Förderung des Informationsaustauschs unter den Mitgliedern. Wie lebendig die Zusammenarbeit ist, zeigen die vielen kleineren Kommunikationskreise innerhalb der GTS. Als besonders zukunftsweisend gestaltet sich der Kreis Newcomer@GTS, in dem speziell die jüngere Generation vertreten ist.
Hohe Erwartungen für die Zukunft
Noch viele andere Themen wurden in Erding vorgestellt und
diskutiert, beispielsweise das Lichtbogen-Strahlspritzen, die
Zertifizierung und Ausbildung. An den Ständen der Aussteller fand ein
reger Informationsaustausch statt. Die Besucher konnten sich über den
aktuellen Stand der Technik und neueste Entwicklungen in den Systemen,
Anwendungen und Materialien informieren. Ein Wermutstropfen blieb
dennoch: Professor Kreye verabschiedete sich auf dem Kolloquium von
seinem langjährigen aktiven Einsatz für dieses Forum in den Ruhestand.
Die ausgesprochen lebhafte Veranstaltung mit Vorträgen, Ausstellern, Diskussionen und Gesprächen hat bewiesen, dass Thermisches Spritzen längst ein etabliertes Verfahren ist, um auf Metalloberflächen Schichten aufzutragen, die gegen Verschleiß, Korrosion oder Hitze schützen. Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen hat sich zu einem immer rentableren Verfahren entwickelt und verspricht auch für die Zukunft noch viele neue Einsatzbereiche.
Die Veranstaltung beschloss der Kolloquiumsleiter Peter Heinrich mit der Aufforderung, in den kommenden drei Jahren Neues zu entwickeln, damit das nächste Kolloquium im Jahre 2009 wieder auf ähnlich hohem Niveau stattfinden kann.
Ursula Mertig
Weitere Informationen sind erhältlich bei
Werner
Krömmer
Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V. (GTS)
c/o Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Carl-von-Linde-Str. 25, D-85716 Unterschleißheim
per Fax: +49 (0) 89-31001-5364
per E-Mail: info@gts-ev.de
Internet: www.gts-ev.de
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