Kaltgasspritzen erzeugt oxidarme Schichten

Zu den thermischen Spritzverfahren gehört das Kaltgasspritzen. Es erzeugt Schichten mit reduziertem Oxidanteil und erhöhter Dichte. Diese Schichteigenschaften sind besser als beim...

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Zu den thermischen Spritzverfahren gehört das Kaltgasspritzen. Es erzeugt Schichten mit reduziertem Oxidanteil und erhöhter Dichte. Diese Schichteigenschaften sind besser als beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das viele Ähnlichkeiten mit dem Verfahren hat. Der Grund dafür liegt in der extrem hohen Geschwindigkeit der Spritzpartikel. Sie ist für die hohe Schichthaftung verantwortlich.Das thermische Spritzen hat sich etabliert. Das gilt insbesondere für das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), bei dem das Schichtpulver nur teilweise aufgeschmolzen wird, wodurch eine Korrosions- und Verschleißschutzschicht mit verringertem Oxidanteil und erhöhter Dichte entsteht.Nun hat die Linde AG, Höllriegelskreuth bei München, in Zusammenarbeit mit der Universität der Bundeswehr, Hamburg, eine Weiterentwicklung des Verfahrens am Markt eingeführt: das Kaltgasspritzen - ein Spritzverfahren, bei dem der weiter verringerte Oxidanteil und die erhöhte Schichtdichte fast ausschließlich auf der hohen kinetischen Energie der Spritzpartikel basieren.Die Entwicklung des Kaltgasspritzens geht auf eine Entdeckung in den achtziger Jahren zurück. Damals wurde am Institut für Theoretische und Angewandte Mechanik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nowosibirsk mit partikelbeladener Strömung im Überschallwindkanal experimentiert. Ziel der Untersuchung war es, Erosionsvorgänge an Flugkörpern zu erforschen.Dabei entdeckten die Wissenschaftler um Prof. Antolii Papyrin, dass ab einer bestimmten Partikelgeschwindigkeit kein abtragender Effekt mehr vorhanden ist: Die Teilchen bleiben mit hoher Haftung an den Flugkörpern hängen.Mit diesem Wissen wanderte Papyrin in die USA aus, wo er das Kaltspritzen entwickelte. Unterstützung bekam er dort von einem Konsortium, an dem beispielsweise der Automobilbauer Ford beteiligt war. 1995 wurde das inzwischen patentrechtlich geschützte Verfahren erstmals auf einer Konferenz in den USA dem Fachpublikum vorgestellt. Dort kam es zum Kontakt des russischen Professors mit Fachleuten von Linde Gas und der Universität der Bundeswehr.Kurz darauf begann man beim Gashersteller und an der Universität damit, das Kaltgasspritzen systematisch zu erforschen und die dafür nötige Anlagentechnik zu entwickeln. Seit Ende vergangenen Jahres wird eine Beschichtungsanlage, inklusive der Lizenz zum Spritzen, von der Cold Gas Technology GmbH (CGT), Ampfing, vertrieben, die man dafür gegründet hat.Kein An- oder Aufschmelzen der SchichtpartikelDas Besondere am Kaltgasspritzen ist, dass die Schichtpartikel nicht mehr wie üblich an- oder aufgeschmolzen werden. Das Trägergas ist nur so stark aufgeheizt, dass die Geschwindigkeit der Partikel positiv beeinflusst und deren Verformung beim Aufprall begünstigt wird. Als Gas verwendet man meist Stickstoff bei einer Temperatur, die deutlich unter dem Schmelzpunkt der Partikel liegt. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Veränderungen des Schichtwerkstoffs wie Oxidation vermeiden.Ähnlich wie beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen verwendet man eine Laval'sche Düse, um das Gas auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Bevor es durch die Düse ,,schießt", wird das Spritzpulver beigemischt. Mit welcher Geschwindigkeit somit die Schichtpartikel auf das Substrat treffen, hängt vom jeweiligen Werkstoff ab. So beträgt sie bei Kupfer 570 m/s. Ab dieser Geschwindigkeit bildetet pulverförmiges Kupfer beim Aufprall eine dichte und fest haftende Schicht.Als Pulverwerkstoff kommen generell plastisch verformbare Metalle und Kunststoffe in Betracht. Jedoch sind auch Werkstoffgemische mit plastisch verformbaren Anteilen geeignet. Das Spektrum spritzbarer Metalle ist breit gestreut. Es reicht von Zink, dessen Schmelzpunkt relativ niedrig ist, bis zu hochschmelzendem Titan und Niob. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungen für das Kaltgasspritzen, die sich einerseits auf den allgemeinen Korrosions- und Verschleißschutz erstrecken. Andererseits sieht man in der Elektrotechnik ein hohes Anwendungspotential.So ermöglicht das Kaltgasspritzen Kupferschichten zu erzeugen, die 90% der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer haben (IACS-Sandard). Beim Flamm- oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen liegt der Wert bei höchstens 50%. Dieser Fortschritt erklärt sich zum einen daraus, dass während des Spritzens keine wesentliche Oxidation abläuft. So liegt der Sauerstoffgehalt in einer gespritzten Kupferschicht gerade mal bei 0,2 Gew.-%. Im Gegensatz dazu wird beim Flammspritzen ein Oxidgehalt von 1,1 Gew.-% erreicht. Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen beträgt er noch knapp die Hälfte.Schichtdichte ist ähnlich hoch wie bei massivem KupferZum anderen ist für den stark reduzierten Oxidgehalt die hohe Schichtdichte verantwortlich, die sich mit der von massivem Kupfer vergleichen lässt. Die Dichte entspricht laut der Universität der Bundeswehr den Anforderungen von Kupferschichten, wie sie im Hochvakuum-Verfahren auf Substrate abgeschieden werden. So zeigten Gefügeaufnahmen keinerlei Poren. Lediglich die äußerste Partikellage sei etwas lockerer, was auf eine hohe Schichtdichte durch eine Art Mikroschmieden verweist, heißt es: Nachfolgende Partikel ,,hämmern" den Überzug quasi fest.Auf diese Weise entsteht eine Schicht, deren Härte HV0,1 bei 140 bis 160 liegt. Gespritzt auf ein Aluminiumteil erhält man eine Haftfestigkeit hinsichtlich Zug von 35 bis 40 MPa, wie Messungen an der Universität der Bundeswehr ergaben. Dort wurde in Versuchen bei einem Kupferdurchsatz von 3 kg/h ein Spritzwirkungsgrad von mehr als 70% erreicht. Dabei hat man als optimalen Spritzabstand zwischen Pistole und Werkstück 20 bis 50 mm ermittelt.Voraussetzung für ein gutes Ergebnis ist jedoch, dass sich das Spritzpulver aus relativ kleinen Partikeln mit einer Maxiamalgröße von 25 µm zusammensetzt. Dann kommen die Vorteile des Verfahrens zum Tragen, das keine kompliziertere Anlagentechnik benötigt als das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. Zum Kaltgasspritzen verwendet man derzeit Anlagen, die bei einem Gasdruck bis 35 bar betrieben werden. Die maximale Gastemperatur beträgt rund 600 °C. Beide Prozessparameter werden am Düseneintritt erfasst und über die Anlagensteuerung geregelt.