Warum Kompromisse machen?

Auftrag von Keramikpulvern durch Plasmaspritzen

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06.10.2016 Salopp formuliert, könnte man es als die Suche nach der eierlegenden Wollmilchsau bezeichnen: Bei vielen metallischen Bauteilen im Maschinen- und Anlagenbau wünscht sich der Konstrukteur Eigenschaften, die eher bei Keramiken als bei Metallen zu finden sind. Hier können Oberflächenbeschichtungen aus diversen Keramik-Werkstoffen helfen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • An vielen Stellen wünschen sich Konstrukteure Stoffeigenschaften, wie sie eine Keramik bietet. Allerdings ohne die mit diesem Werkstoff einhergehenden negativen Eigenschaften wie eine niedrige Schlagfestigkeit.
  • Beschichtungen können hier die Lösung für Entwickler sein, indem sie einen metallischen Grundkörper beispielsweise chemisch Resistent machen.
  • Das Unternehmen hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich eine Beschichtung mit vom Kunden gewünschten Eigenschaften aufbringen lässt, ohne dabei das Werkstück durch hohe Temperaturen negativ zu beeinflussen.

Deren Eigenschaften reichen – je nach Werkstoff – von hoher Härte über Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, chemischer Resistenz, elektrischer Durchschlagfestigkeit bis guter thermischer Isolation. Neben diesen Vorteilen weisen Keramiken allerdings auch diverse Nachteile auf, insbesondere mit Blick auf Zähigkeit, Schlagfestigkeit oder dynamische Belastbarkeit. Deshalb kommen reine Keramikbauteile im Maschinenbau eher selten zum Einsatz. Interessanter ist stattdessen aus Sicht der Konstrukteure die Möglichkeit, sich die positiven Eigenschaften beider Werkstoffkategorien dadurch zu erschließen, wenn die Keramik in Form einer vergleichsweise dünnen Beschichtung auf einem metallischen Grundkörper wie einer Welle aufgetragen ist. Das Unternehmen Bührer, ein Spezialist für das Beschichten durch thermische Spritzverfahren, setzt auf ein System, das sich für das Aufbringen solcher keramischer Schichten eignet. Da die beiden Werkstoffkategorien untereinander keine chemische oder metallurgische Verbindung eingehen, erfordert dies den Einsatz vergleichsweise robuster Methoden. Zur Beschichtung durch Plasma-Spritzen ist es erforderlich, die Keramik­partikel innerhalb weniger Sekundenbruchteile auf Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunktes aufzuheizen und mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufzutragen.

Atmosphärisches Plasmaspritzen

„Erreicht wird dies durch die extrem hohen Temperaturen eines Plasmabrenners, in dem Gas auf mehrere 10.000 °C aufgeheizt wird“, erläutert Martin Bührer, Inhaber von Bührer in Otelfingen, Schweiz. Das eingesetzte Verfahren wird als atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) bezeichnet, bei dem ein Gleichspannungs-Lichtbogen zwischen mehreren Elektroden als Energiequelle dient. Durch diesen Lichtbogen strömt ein Gasgemisch, das bei der hohen Temperatur ionisiert, sodass sich ein sehr heißes Plasma bildet. Das Gasgemisch besteht zum größten Teil aus Argon, dem der Hersteller je nach Anwendungsfall noch weitere Gase wie Stickstoff oder Wasserstoff zusetzt. Durch entsprechende Auslegung des Arbeitskopfs entsteht ein Wirbel, der den Lichtbogen rotieren lässt. In den mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gasstrahl bringt das System dann den aufzutragenden Werkstoff in Form eines feinen Pulvers mit Korngrößen zwischen 5 und 120 µm ein. Die hohe Temperatur des Plasmas schmilzt die Keramikteilchen in Sekundenbruchteilen auf, die dann als flüssige Tröpfchen auf die Zielfläche auftreffen. Dadurch schmiegen sie sich dicht an die Oberfläche an und verklammern sich dort mit winzigen Vorsprüngen und Vertiefungen. So entsteht eine fest haftende, dichte Schicht aus dem gewünschten keramischen Material.

Folgeseite: Möglichkeiten und Grenzen
Heftausgabe: Oktober 2016
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Über den Autor

Klaus Vollrath, freier Journalist für Bührer
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