Warum Kompromisse machen?

Auftrag von Keramikpulvern durch Plasmaspritzen

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Rahmenbedingungen und Schichtdicken

„Trotz der hohen Temperaturen im Plasma ist der Temperatureintrag ins Werkstück selbst nicht allzu hoch“, kommentiert Inhaber Bührer. Dies liege daran, dass sich das Plasma nach dem Verlassen des Brenners schnell wieder abkühlt und die einzelnen Keramikteilchen aufgrund ihrer geringen Größe keine großen Wärmemengen ins Werkstück transportieren. Das während des Beschichtens gekühlte Bauteil erwärmt sich deshalb nicht über 150 °C. Gleichmäßiger Wärmeeintrag und Kühlung verhindern einen Verzug beim Auftragen der Schicht. Durch einfaches Abkleben ermöglicht das Verfahren auch das gezielte Beschichten definierter Bereiche. Eine Vorbeschichtung mit einem Haftvermittler wie Nickel-Chrom ist nur in Ausnahmefällen erforderlich. Die erzielbaren Schichtdicken liegen in der Regel zwischen 0,1 und 0,2 mm, bei manchen Anwendungen können es aber auch 0,5 mm sein. Falls dickere Schichten gewünscht sind, baut der Dienstleister diese in mehreren Durchgängen nach und nach auf, um die Bildung von Rissen zu vermeiden. Die Pulver werden als fertige Mischungen mit definierter Zusammensetzung und Korngrößenverteilung angeboten, was gleichmäßige Charakteristika und damit einen gut beherrschbaren Auftragsprozess ermöglicht. Bei Gleit- und Dichtflächen stellt das Unternehmen die geforderte Maßhaltigkeit und Oberflächengüte durch eine entsprechende mechanische Bearbeitung – meist durch Schleifen – ein.

Eigenschaften keramischer Beschichtungen

„Mit dem Plasmaspritzen lässt sich eine recht große Bandbreite an Werkstoffen aufbringen“, kommentiert Bührer. Dazu gehören neben keramischen Werkstoffen auch Metalle, sogenannte selbstfließende Legierungen (NiCrBSi-Basis) sowie Sonderwerkstoffe. Da das Unternehmen noch zahlreiche weitere Flammspritztechnologien einsetzt, konzentriert sich der Anbieter beim Plasmaspritzen vor allem auf hochschmelzende Oxidkeramiken, die mit anderen Verfahren nicht oder nicht so gut aufzubringen sind. Zu den besonders häufig eingesetzten Werkstoffen gehört Chromoxid (Cr2O3), eine extrem harte Keramik mit einer Vickershärte von 1.500 HV. Zudem ist sie beständig gegen Oxidation und Korrosion durch Säuren, Laugen oder Alkohol und temperaturresistent bis etwa 540 °C. Ihre hohe Sprödigkeit bedingt allerdings eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber stoßartiger Beanspruchung. Einsatzgebiet sind unter anderem Gleitringdichtungen für schnelllaufende Wellen sowie Pumpen, Mischer und sonstige drehende Teile im Bereich des Chemieanlagenbaus. Ein weiterer häufig eingesetzter Werkstoff ist Titanoxid TiO2, eine halbleitende, eher duktile Keramik mit mittlerer Verschleißbeständigkeit und guten tribologischen Eigenschaften. Ihre chemische Beständigkeit ist jedoch gering. Titanoxid kommt oft zusammen mit Chromoxid als Mischkeramik zum Einsatz, um Duktilität und Thermoschock-Beständigkeit zu verbessern. Eine wichtige Rolle spielt außerdem Zirkonoxid ZrO2, das oft als Mischkeramik mit einem Zusatz von Yttriumoxid Y2O3 zum Einsatz kommt. Es zeichnet sich durch Temperaturbeständigkeit bis 1.300 °C, gute Dehnungseigenschaften sowie Beständigkeit gegen Verschleiß und Erosion aus. Darüber hinaus weist es eine gute Wärmedämmung auf und ist resistent gegen den Angriff durch Heißgas. Wichtige Einsatzgebiete sind daher Beschichtungen für Brennkammern, Düsen oder Turbinenschaufeln für Gas- und Fluggasturbinen sowie Turbolader. Häufig angefragt sind auch Beschichtungen aus Aluminiumoxid Al2O3, das nicht ganz so hart ist wie Chromoxid. Es wirkt als elektrischer Isolator, ist beständig gegen viele Säuren und Laugen und weist eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen durch Korrosion, Verschleiß und Erosion auf. Hervorzuheben ist seine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit auch bei hohen Temperaturen bis 1.500 °C. Einsatzbereiche ergeben sich sowohl bei Neuteilen als auch bei Verschleißteilen im Maschinenbau, aber auch in der Medizintechnik.

Möglichkeiten und Grenzen

„Bei manueller Auftragung würde das Verfahren einen aufwendigen Vollschutz des Bedieners erfordern“, erklärt Bührer. Deshalb setze es sein Unternehmen meist mit einem Roboter in einer vollständig gekapselten Kabine ein. Im Zusammenwirken mit der Robotersteuerung ermöglicht die numerische Steuerung der Anlage zudem eine hohe Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit des Auftrags. Einmal gespeicherte Parameter sind so exakt zu reproduzieren. Für Rotationsteile verfügt die Kabine über eine zusätzliche numerisch gesteuerte Drehachse.
Probleme können dagegen Hohlteile mit Innendurchmessern von weniger als 200 mm bereiten, da der Kopf des Beschichtungssystems in diese nicht hineinfahren kann. Hier ist es aber zumindest möglich, im randnahen Bereich aufzutragen, indem das System schräg spritzt. Allerdings wird die Schicht in diesem Fall dünner, je weiter sie nach innen kommt. Als Faustregel gilt, dass die Beschichtung nur etwa so tief hineinreichen kann wie der Durchmesser der Bohrung. Bei mehr als 200 mm Ø ist es dagegen möglich, mit einem speziell hierfür ausgelegten Kopf komplett hineinzufahren und das Werkstück so vollständig von innen zu beschichten.

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Heftausgabe: Oktober 2016
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Über den Autor

Klaus Vollrath, freier Journalist für Bührer
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