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Kaltgasspritzen - wie funktioniert das Verfahren?

Das Kaltgasspritzen ist das jüngste Verfahren im Bereich des thermischen Spritzens. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bietet das Kaltgasspritzen besondere Vorteile, da der Spritzwerkstoff beim Prozess weder an- noch aufgeschmolzen wird. Damit wird der thermische Einfluss auf Schicht und Trägermaterial gering gehalten.

Die hohe kinetische Energie der Partikel und der damit verbundene, hohe Verformungsgrad beim Aufprall auf dem Bauteil, ermöglichen die Herstellung von homogenen und sehr dichten Schichten, bei einer variablen Schichtdicke von wenigen hundertstel Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern.

Es werden vorwiegend metallische Schichten hergestellt, deren physikalische und chemische Eigenschaften sich kaum von denen des Ausgangswerkstoffes unterscheiden.

Bei der neusten Anlagentechnologie der Impact Innovations GmbH wird ein Prozessgas, vorzugsweise Stickstoff oder Helium, bei bis zu 50 bar Druck einer Spritzpistole zugeführt und im Pistolengehäuse auf maximale Temperaturen von bis zu 1100°C aufgeheizt.

Die anschließende Expansion des erhitzten und hochgespannten Gases in einer konvergent-divergenten Düse auf Umgebungsdruck hat zur Folge, dass das Prozessgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und im gleichen Moment auf Temperaturen von unter 100°C abkühlt.

Das Spritzpulver wird mittels einer Pulverförder-Einheit und einem gleichartigen Trägergas im konvergenten Bereich der Düse injiziert und im Hauptgasstrom auf Partikelgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/s beschleunigt.

Die Partikel treffen in dem stark fokussierten Spritzstrahl auf die, in vielen Fällen unbehandelte, Bauteiloberfläche auf, verformen zugleich das Substrat und sich selbst und bilden eine fest haftende, dichte und oxidarme Schicht.

Partikelgeschwindigkeit als Maß für Schichtqualität und Effizienz

1) Der Beschichtungspartikel ist mit der Mindestgeschwindigkeit auf das Bauteil geprallt, wodurch eine feste Verbindung erzeugt wird. Diese "kritische Geschwindigkeit" ist für jeden Werkstoff unterschiedlich.

2) Ist die Aufprallgeschwindigkeit höher als die "kritische Geschwindigkeit", wird der Verformungsgrad zwischen Partikel und Bauteil erhöht. Der Haftmechanismus der Schicht auf dem Bauteil verbessert sich.

3) Ist die Aufprallgeschwindigkeit zu hoch und somit die "Erosionsgeschwindigkeit" erreicht wird Material abgetragen. Es ist keine Schichtbildung möglich.

4) Um dichte und feste Schichten zu erzeugen, müssen die Aufprallgeschwindigkeiten der Partikel zwischen der "kritischen Geschwindigkeit" und der "Erosionsgeschwindigkeit" liegen. Dieses Optimum ist für jede Werkstoffpaarung aus Spritzgut und Substrat unterschiedlich.

Was kann man mit Kaltgasspritzen beschichten?


Beschichtungswerkstoffe

Metalle: z.B. Magnesium, Aluminium, Titan, Nickel, Kupfer, Tantal, Niob, Silber, Gold, etc.

Legierungen: z.B. Nickel-Chrom, Bronze, Al-Legierungen, Titan-Legierungen, MCrAlY's, etc.

Materialgemische (duktile Matrix und Hartstoff): z.B. Metall und Keramik, Composits

Trägermaterialien

Bauteile aus Metall, Kunststoff aber auch Glas und Keramik

Individuelle Verarbeitung

Jeder einzelne Beschichtungswerkstoff wird individuell verarbeitet. Die Verarbeitung jedes einzelnen Spritzmaterials erfordert eine individuelle Abstimmung von Gastemperatur und Gasdruck. Die Kombination dieser beiden physikalischen Größen beeinflusst die Aufprallgeschwindigkeiten der Spritzpartikel und bestimmt die Schichtqualität. Der Bereich der optimalen Geschwindigkeit, begrenzt durch kritische Geschwindigkeit und Erosionsgeschwindigkeit wird als Spritzfenster bezeichnet. Innerhalb dieses Spritzfensters gibt es qualitativ unterschiedliche Bereiche der Schichtbildung.