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Mönchengladbach, 24. März 2021

Thermisches Spritzverfahren für Oberflächenschutz

PERFECT spray® erweitert Möglichkeiten des Drahtspritzens

Durch Thermische Spritzmethoden werden Schutzschichten auf Oberflächen aufgebracht, um sie etwa gegen Korrosion und Verschleiß zu schützen oder auch das Anwendungsfeld zu erweitern. Unser PERFECT spray® kombiniert das Lichtbogendrahtspritzen mit einer digitalen Stromquelle und erweitert damit die Möglichkeiten des klassischen Drahtspritzens durch höhere Effizienz und eine einfache Wartung.

Wer im Winter auf den Skipisten dieser Welt unterwegs ist kennt die Situation: Wenn man friert, hat man die falsche Kleidung an. Sie bildet sozusagen unsere Schutzschicht. Ähnlich wirkt sich der Prozess des Thermischen Beschichtens auf Bauteile aus. Mittels unterschiedlicher Thermischer Spritzmethoden werden Schutzschichten auf Oberflächen aufgebracht, um diese gegen äußere Einflüsse zu schützen. So können Bauteile resistent gemacht werden, beispielsweise gegen Korrosion oder Verschleiß. Das kann ein Bauteil nicht nur langlebiger machen, sondern zusätzlich auch dessen Anwendungsfeld erweitern.

Beim Thermischen Spritzen werden Beschichtungswerkstoffe, wie Draht, Pulver und Stab, einer Spritzpistole oder einem Brenner zugeführt. Die Werkstoffe werden erhitzt und anschließend in Richtung des Bauteils beschleunigt. Dabei erreichen die aufgeschmolzenen Partikel hohe Geschwindigkeiten von bis zu 800 Metern pro Sekunde und prallen auf die Oberfläche des Bauteils. Nach der Wärmeübertragung an den Grundwerkstoff erstarren die Partikel an der Oberfläche des Bauteils. Dort bilden sie eine Schicht. Allerdings legt sich die Spritzschicht nicht einfach nur auf die Oberfläche, sie verklammert sich praktisch damit. Abhängig von der gewünschten Dicke der Schicht wird dieser Vorgang wiederholt.

Unter dem Begriff Thermisches Spritzen werden mehrere unterschiedliche Verfahren zusammengefasst, die jedoch in ihrer Anwendung nicht direkt in Konkurrenz zueinander stehen. Im Gegenteil, sie ergänzen sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften in Bezug auf Verfahren und erzeugter Schicht.

Neue Anwendungsfelder mit der richtigen Schutzschicht

Stark beanspruchte Bauteile können sich mit einer entsprechenden Schutzschicht für die Nutzung im Maschinen- und Anlagenbau, aber auch in der Luft- und Raumfahrttechnik oder in der Automobilbranche qualifizieren. Darüber hinaus können leichtere Grundwerkstoffe für Applikationen zur Anwendung kommen, für die sie bisher aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften nicht geeignet waren.

Für eine Beschichtung mittels Thermischen Spritzens kommen dabei fast alle Grundwerkstoffe infrage. Neben Metallen können auch Keramiken, Kunststoffe, Faserverbunde oder sogar Naturstoffe wie Stein und Holz beschichtet werden. Letzteres stellt beispielsweise einen beliebten Baustoff dar, der hohe Druckfestigkeit mit gleichzeitiger Elastizität verbindet. Die oft hohe Beständigkeit lässt sich mit einer gespritzten Schicht verlängern und schützt das Holz darüber hinaus vor Schädlingen wie Insekten und vor Pilzbefall. Dank der funktionalisierten Oberfläche kann der Baustoff für ein breiteres Anwendungsfeld eingesetzt werden. Zusätzlich können ästhetische Aspekte eine Rolle spielen: Bei Trendmöbeln kommt beispielsweise mit Kupfer beschichtetes Holz zum Einsatz.

Auch die Medizintechnik bietet Anwendungsbeispiele für Thermisches Spritzen, zum Beispiel bei Implantaten, die dank der zusätzlichen Schicht besser vom natürlichen Gewebe des Körpers angenommen werden.

In der Praxis hat sich für Anwendungen wie geschweißte Rohrnähte der Thermische Spritzprozess des Lichtbogendrahtspritzens als außerordentlich geeignet erwiesen. Beim Thermischen Beschichten mittels Lichtbogen werden zwei metallische Drähte als Ausgangsmaterial in einen Brennpunkt geführt. Dort schmilzt ein Lichtbogen die Drahtspitzen auf. Es bilden sich Tröpfchen, die durch eine Sekundärzerstäubung mit einem hochkinetischen Gasstrahl in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks beschleunigt werden. Die zerstäubten Partikel bilden auf dem Werksstück eine feinstrukturierte, homogene Beschichtung mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, wie eine gesteigerte Härte und/oder Abriebfestigkeit,  Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sogar bei hohen Temperaturen.

Thermische Schichten punkten beim Korrosionsschutz im Salzwasser

Mit einer thermischen Beschichtung können große Stahlkonstruktionen im Offshore-Bereich dauerhaft gegen die Seewasserkorrosion geschützt werden. Der große Vorteil gegenüber einer Lackierung liegt in der Selbstheilung der thermischen Beschichtung. Das heißt, kleinere Beschädigungen an der Oberfläche „heilen“ aufgrund der elektrolytischen Wirkung zwischen Grundmaterial und der aufgetragenen Zink-Beschichtung selbsttätig aus.

„Die Baugruppen von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind in der Regel aus niedrig legierten Baustählen hergestellt. Um einen dauerhaften Korrosionsschutz über die gesamte geplante Lebensdauer von 25 Jahren und mehr zu erzielen, spielen Duplex-Systeme, die aus der Kombination einer lichtbogendrahtgespritzen Zink-Aluminium15(ZnAl15)-Schicht und einer passenden organischen Deckbeschichtung bestehen, eine große Rolle. Für das Aufbringen dieser Schicht ist das Lichtbogendrahtspritzen das am häufigsten verwendete Verfahren, da es hohe Abschmelzraten und damit hohe Flächenleistungen ermöglicht“, so Dr. Frank Prenger, Grillo-Werke AG.  „Moderne Lichtbogenspritzanlagen bieten für diesen Anwendungsbereich beste Qualität, enge Schichttoleranzenund einen nachhaltigen Korrosionsschutz.“

Tatsächlich zählt der Korrosionsschutz zu einem der häufigsten Einsatzzwecke für Thermisches Spritzen. Innerhalb von Maschinen und Anlagen sorgt Korrosionsschutz für eine Standzeitverlängerung und damit im Optimalfall für einen Produktionsvorteil.

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Das System PERFECT spray® beim Beschichten eines Windtowers.
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Das Lichtbogendrahtspritzsystem PERFECT spray® beim SMS group-Reparaturservice in Hilchenbach im Einsatz.
PERFECTly equiped: Das Lichtbogendrahtspritzsystem der SMS group

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist der Korrosionsschutz von Pipelines, um diese langlebiger und widerstandsfähiger zu machen. Bei der SMS group kombinieren wir den Prozess des Lichtbogendrahtspritzens mit einer inhouse entwickelten digitalen Strom-/Spannungsquelle. Das Ergebnis ist ein Produkt, das über die Möglichkeiten des klassischen Lichtbogendrahtspritzens hinausgeht. Die Beschichtungspistole ist mit einem innovativen Düsendesign ausgestattet, das gezielt Zerstäuberluft erzeugt und so für eine höhere Effizienz sorgt. Der geringe Verschleiß und der gleichmäßige elektrische Kontakt der Drähte garantieren einen reibungslosen Spritzvorgang. Die Pistole bietet ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit gepaart mit einem wartungsarmen Konzept, wobei für alle Komponenten hochfunktionelle und langlebige Materialien verwendet werden.

Das System von SMS group ist modular aufgebaut und bietet mehrere technische Vorteile – darunter die Möglichkeit, die Strömung an den Drahtenden weit in den Überschallbereich zu führen oder das Gas auf Unterschallgeschwindigkeiten abzubremsen. Keramische Strömungsinnenkonturen, die an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst sind, wurden nach gasdynamischen Gesichtspunkten ausgelegt und können an den gewünschten Gasvolumen- oder Massendurchfluss angepasst werden.

Auch in der Bauteilfertigung wird permanent an Prozessen zur Kostensenkung gearbeitet. Mit der thermischen Beschichtung besteht die Möglichkeit Bauteile zu „retten“, die während des Bearbeitungsprozesses abgenutzt oder beschädigt worden sind. Das Thermische Beschichten stellt dafür eine wirtschaftliche Lösung dar. Darüber hinaus lässt sich der Ausschuss senken und die Produktivität steigern.

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