DVS 2311-2015 Surface preparation of non-metallic materials for thermally sprayed coatings.pdf

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1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Lichtbogenschweien“Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 15

2、 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorli

3、egende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Inhalt:1 Geltungsbereich2 Einleitung3 Werkstoffauswahl4 Arbeitsvorbereitung5 Grundwerkstoffe und Bauteilvorbehandlung6 Drahtflammspritzen von Flldrhten7 Lichtbogenspritzen

4、von Flldrhten8 Ergnzende Bemerkung zur Arbeitssicherheit9 Anwendungen10 Schrifttum1 GeltungsbereichDieses Merkblatt enthlt Informationen fr den Einsatz von Fll-drhten zum Thermischen Spritzen. Es werden Hinweise und Empfehlungen zur fachgerechten Auswahl von Spritzzusatzwerk-stoffen und zur Verfahre

5、nsoptimierung, insbesondere zu den Themen Lichtbogendraht- und Drahtflammspritzen von Flldrh-ten gegeben. Am Beispiel eines Eisenbasiswerkstoffs werden verschiedene Strategien zur Herstellung hochwertiger Schichten veranschaulicht.2 EinleitungThermische Spritzverfahren sind gem DIN EN 657 Beschich-t

6、ungsverfahren, bei denen ein Spritzzusatzwerkstoff inner- oder auerhalb des Spritzgertes geschmolzen, angeschmolzen oder plastifiziert und auf Oberflchen von Werkstcken aufgeschleu-dert wird, wobei die Bauteiloberflche im Allgemeinen nicht an-geschmolzen wird.Das Thermische Spritzen von drahtfrmigen

7、 Zusatzwerkstoffen zeichnet sich durch die hohe Reproduzierbarkeit und die verfah-rensspezifischen Vorteile aus, welche sich durch den Einsatz von Drhten anstelle von pulverfrmigen Zustzen ergeben. Drhte knnen vergleichsweise einfach hergestellt, gelagert, transpor-tiert (ohne Entmischung) und gefrd

8、ert werden. Durch die Mg-lichkeiten der Flldrahtherstellung werden Werkstoffe bereitge-stellt, die aufgrund geringer Duktilitt nicht als Massivdraht ver-fgbar sind. Die Verarbeitung von Flldrhten erffnet somit ein weites Feld mglicher Anwendungen.Fr die Verarbeitung von Flldrhten eignen sich die Ver

9、fahrens-varianten Lichtbogendrahtspritzen, Drahtflammspritzen, Hochge-schwindigkeitsdrahtflammspritzen (auch HVOF-Drahtspritzen ge-nannt) und fr vereinzelte Anwendungen Plasmatechnologien, wie PTWA (Plasma Transferred Wire Arc).Um Drhte zu hochwertigen Schichten zu verarbeiten, ist eine Bauteilvorbe

10、handlung nach DIN EN 13507 empfehlenswert. Hufig werden Drahtspritzschichten als Haftgrund- bzw. Puffer-schicht eingesetzt. Verschiedene Mglichkeiten der Haftgrund-vorbereitung sind im Merkblatt DVS 2311 dargestellt. GrundlegendeInformationen zur Herstellung von metallischen und anderen an-organisch

11、en Schichten finden sich in der DIN EN ISO 2063 und im Merkblatt DVS 2301. Das Thema Drhte, Stbe und Schnre zum Thermischen Spritzen wird in der DIN EN ISO 14919 behan-delt. Zur Qualittssicherung thermischer Spritzschichten liefert das Merkblatt DVS 2304 wichtige Hinweise und eine Checkliste.Einige

12、Hinweise zum Umgang mit Flldrhten, insbesondere zur Arbeitsvorbereitung und Drahtfrderung, leiten sich aus der Schwei-technik ab und knnen in den Bereich Thermisches Spritzen bertragen werden. Hinweise zur fachgerechten Drahtfrderung finden sich in der DIN EN 60974-5 und im Merkblatt DVS 0926-2.Das

13、vorliegende Merkblatt soll die Verarbeitung von Flldrhten mittels Drahtflamm-, Hochgeschwindigkeitsdrahtflamm- und Licht-bogenspritzen erleichtern. Die dargestellten Strategien zur Prozess-optimierung sind allgemeingltig gehalten und werden an ausge-suchten Beispielen veranschaulicht. Bei der Verarb

14、eitung von Fll-drhten sind in jedem Fall die Angaben und Richtlinien des jeweiligen Flldraht- und Anlagenherstellers zu beachten, auch wenn diese von den nachfolgend dargestellten Hinweisen abwei-chen. 3 WerkstoffauswahlDie richtige Auswahl des Zusatzwerkstoffs bildet die Grundlage fr ein hochwertig

15、es Beschichtungsergebnis. Fr Thermische Spritzprozesse werden von den Drahtherstellern spezielle Massiv-und Flldrhte angeboten. Diese knnen sich in ihrer chemischenZusammensetzung von Schweizustzen unterscheiden, da beimSpritzen mit einem verfahrensbedingten Abbrand spezifischer Bestandteile gerechn

16、et werden muss. Sauerstoffaffine Elemente, beispielsweise freies Chrom fr den Korrosionsschutz von Stahl, liegen im Draht meist in hherer Konzentration als in der Schicht vor. Zudem enthalten einige Flldrhte Zuschlagstoffe, die licht-bogenstabilisierend wirken. Drhte mit schlackebildenden Ele-menten

17、 sollten nicht fr das Spritzen verwendet werden, da die Schlacke in der Schicht abgeschieden wird und eine Strstelle bildet.Flldrhte unterscheiden sich sehr stark in ihrem herstellungs-bedingten Design. Der Anwender muss dies bei der Werkstoff-auswahl beachten. Auch bei identischer chemischer Zusamm

18、en-setzung knnen die Verarbeitungseigenschaften und die Be-schichtungsergebnisse stark differieren. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Flldrahtes fr das Thermische Spritzen. Die-ser wird im Wesentlichen durch seine Herstellung (beispielsweisenahtloser Flldraht bzw. Rhrchenflldraht, formgeschl

19、ossener Flldraht mit Falz, formgeschlossener Flldraht mit Sto), den Gesamtdurchmesser, die Dicke des Drahtmantels, die chemischeZusammensetzung des Mantels, die chemische Zusammensetzungder Fllung, die Partikelgren der Fllung und die Flldichte cha-rakterisiert (siehe auch Tabelle 1). Eine Sonderform

20、 von Flldrhtensind 2-Komponenten-Systeme mit Drahtseele als Fllung (z. B. NiAl).Bild 1. Schematischer Aufbau eines Flldrahtes fr das Thermische Spritzen.Thermisches Spritzen mit FlldrahtFebruar 2012MerkblattDVS 0941-5B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F

21、A2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 0941-5Beim Thermischen Spritzen findet die Legierungsbildung (Mischungder Fllung mit dem Mantelmaterial) nur an der abschmelzenden Drahtspitze statt und erfolgt in der Regel unvollstndig. Um eine homogene Schichtausbildung zu unter

22、sttzen, bietet es sich daher an, Flldrhte zu verwenden, die ein Mantelmaterial besit-zen, welches bereits mglichst genau der gewnschten Matrix-zusammensetzung der Schicht entspricht. Bei einigen Werkstoff-systemen ist eine thermische Belastung der Fllstoffe bzw. eine Legierungsbildung unerwnscht. Ei

23、n typisches Beispiel sind Drhte mit Fllpartikeln aus Wolframkarbid, die mglichst nur oberflchlich angeschmolzen werden sollten, um dann grten-teils umwandlungsfrei und fest in die Schicht eingebunden zu werden.Typische Flldrhte fr das Thermische Spritzen sind in der Ta-belle 2 aufgefhrt. Hauptanwend

24、ungsgebiete sind der Verschlei-schutz (beispielsweise Hartlegierungen mit und ohne Partikelver-strkung) sowie die Abscheidung von hochlegierten Werkstoffen und Pseudolegierungen. Des Weiteren bietet die Flldrahther-stellung hervorragende Mglichkeiten bei der Werkstoffentwick-lung, da durch die Varia

25、tion der Fllungszusammensetzungen die Schichteigenschaften in weiten Bereichen beeinflusst werden knnen. Fr den Groteil der Anwendungen werden Drhte mit 1,6 mm bis 3,2 mm Durchmesser verwendet.4 ArbeitsvorbereitungDie Verarbeitung von Drhten mittels Thermischen Spritzens er-fordert eine gewissenhaft

26、e Arbeitsvorbereitung. Beim Handling der Drhte muss darauf geachtet werden, dass diese nach dem Abspulen von der Drahtrolle nicht geknickt werden, da beim Unter-schreiten des kritischen Biegeradius die Geometrie des Drahtes verndert wird. Unter Umstnden fhrt dies zu Problemen bei der Drahtfrderung u

27、nd -injektion in den Brenner.Beim Abschneiden der Drhte (z. B. mit Seitenschneider) sollte darauf geachtet werden, dass diese nicht bermig gequetscht werden. Insbesondere bei der Zndung von Drahtflammspritz-brennern besteht sonst die Gefahr, dass aufgrund groer Form-abweichungen gegenber der Innenko

28、ntur des Drahtinjektors brennbare Gase oder Flammen durch den Brenner (Drahtinjektor)zurckschlagen.Beim Einfhren der Drhte in die Frderschluche bzw. die Schlauchpakete ist darauf zu achten, dass die Drahtenden kei-nen scharfen Grat aufweisen, da dieser Schden im Schlauch verursachen bzw. dessen Lebe

29、nsdauer und Funktionsfhigkeit herabsetzen kann. Beim Einfhren stark gequetschter Drhte besteht auerdem die Gefahr, dass sich Partikel aus der Draht-fllung lsen, in den Schlauch gelangen und im Brennerbetrieb zu erhhten Frderkrften sowie einem erhhten Verschlei fhren.Vor dem Znden des Brenners ist di

30、e Lnge der aus den Bren-nern ragenden freien Drahtenden soweit wie mglich zu reduzieren.Dadurch kann vermieden werden, dass zu Beginn des Spritz-prozesses groe Drahtstcke vom Brenner weggeschleudert und ggf. in Richtung des Anlagenbedieners oder gasfhrender Lei-tungen reflektiert werden.Grundstzlich

31、 empfiehlt es sich, die korrekte Drahtfrderung und die Brennermanipulation, beispielsweise mittels Roboter, in einemLeerlauf, ohne Zndung des Lichtbogens oder der Flamme zu testen.Tabelle 1. Einteilung der Werkstoffe zum Thermischen Spritzen gem Herstellungsprozess und resultierendem Drahtdesign nac

32、h DIN EN ISO 14919.Tabelle 2. Typische Beispiele von Flldrhten fr das Thermische Spritzen.Bezeichnung Herstellungsprozess StrukturMassivdraht / Stab Schmelzmetallurgische Herstellung und Umformung Homogene ZusammensetzungMassivdraht / Stab Pulvermetallurgische Herstellung und Umformung Homogene Zusa

33、mmensetzungFlldraht (Rhrchenflldraht) Auffllen eines metallischen Rohres mit Pulver und anschlieendes UmformenNahtlose Metallschale mit PulverfllungFlldraht (Falzdraht) Umformen eines Metallbandes mit Pulverfllung und Binder Metallschale mit PulverfllungSchnur Gleichzeitiges Extrudieren von Pulver,

34、Binder und organi-scher HlleKunststoffschale mit PulverfllungKeramischer Stab Extrudieren und Sintern von keramischen Werkstoffen Porser Stab, bestehend aus gebundenen KeramikpartikelnWerkstoffsystem Zusammensetzung SchichteigenschaftenAnwendungsbeispiel Flldrhte auf Eisenbasis FeCrNiMoSiC Austeniti

35、sche Legierungen fr den Korrosionsschutz FeCrAlSi Korrosionsschutz bei hohen Temperaturen, gute SpanbarkeitFe-Basis + WSC/WC Schutz vor extremem AbrasionsverschleiFlldrhte auf Nickelbasis NiCrNiAlHaftvermittler, PufferschichtNiCrB NiCrBSiSchutz gegen Abrasion, Korrosion, z. B. in der chemischen Indu

36、strieNi-Basis + WSC/WC Schutz vor extremem AbrasionsverschleiFlldrhte auf Kobaltbasis CoCrWFeCSiMn Abrasions-, Reibverschlei- und Korrosionsbestndigkeit fr Verschleiringe und Bauteile in der chemischen IndustrieCoCrMoFeNiSiMnC Sto-, Reibverschlei- und Korrosionsbestndigkeit und hohe Zhigkeit fr Vent

37、ilsitze, Warmstanzwerkzeuge Sonderwerkstoffe Al + Al2O3Rutschfeste BeschichtungenCu + hBN Hexagonales Bornitrid wirkt als Festschmierstoff, EinlaufschichtenB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3

38、 zu DVS 0941-55 Grundwerkstoffe und BauteilvorbehandlungMittels Thermischen Spritzens von Flldrhten knnen bei ent-sprechender Oberflchenbehandlung (siehe DIN EN 13507) nahe-zu alle mechanisch stabilen Werkstoffe beschichtet werden. In Abhngigkeit des eingesetzten Verfahrens ist mit einem unter-schie

39、dlich starken Wrmeeintrag in den Grundwerkstoff zu rechnen.In der Regel ist der thermische Energieeintrag beim Lichtbogen-drahtspritzen geringer als beim Drahtflammspritzen bzw. Hoch-geschwindigkeitsdrahtflammspritzen. Zur Reduzierung der Bauteil-temperatur knnen Khlvorrichtungen, angepasste Brenner

40、vor-schubgeschwindigkeiten und Khlpausen dienen.6 Drahtflammspritzen von FlldrhtenFr das Flammspritzen von Flldrhten werden Brenner einge-setzt, die denen fr Massivdrhte entsprechen (siehe schemati-sche Darstellung in Bild 2). Im Gegensatz zu Massivdrhten zeigt sich bei Flldrhten jedoch ein verndert

41、es Drahtabschmelzver-halten (Bilder 3 und 4). Je dnner der Drahtmantel und je geringerdie Flldichte ist, desto stumpfer schmilzt der Draht ab. Hinter dem stumpfen Drahtende bilden sich im Prozess ausgeprgte Rezirkulationsgebiete, die im Vergleich zu Massivdrhten (spit-zes Abschmelzen) zu einer strke

42、ren Strahldivergenz fhren. Aus dem charakteristischen Drahtabschmelzverhalten und der erhhten Strahlaufweitung resultieren Schichten, die eine inho-mogenere Mikrostruktur aufweisen, als Schichten aus Massiv-draht. Dies fhrt jedoch nur in Ausnahmefllen zu einer signifi-kanten Einschrnkung der Gebrauc

43、hseigenschaften der Schich-ten. Ein Vergleich der Mikrostrukturen von Beschichtungen aus rostbestndigem, austenitischem Stahl vom Typ 1.4404 aus Massiv- und Flldraht ist in den Bildern 3 und 4 (jeweils unten) dargestellt.Bild 2. Schematischer Aufbau eines Drahtflammspritzbrenners fr die Verarbeitung

44、 von Flldraht (nach DIN EN 657).Bild 3. Hochgeschwindigkeitsaufnahme beim HVOF-Drahtspritzen eines mit Falz formgeschlossenen Flldrahtes vom Typ 1.4404 (oben), Drahtspitze nach Abschalten des Brenners (Mitte) und zugehrige Spritzschicht im Querschliff (unten).Bild 4. Hochgeschwindigkeitsaufnahme bei

45、m HVOF-Drahtspritzen eines Massivdrahtes vom Typ 1.4404 (oben), Drahtspitze nach Abschalten des Bren-ners (Mitte) und zugehrige Spritzschicht im Querschliff (unten).Bild 3 Bild 4B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection

46、- Stand 2016-11Seite 4 zu DVS 0941-5Um eine hchstmgliche Schichtqualitt zur erreichen, mssen beim Drahtflammspritzen optimale Prozessparameter eingestellt werden. Wichtige Aspekte sind dabei:a) DrahtfrderungDrahtfrmige Spritzzusatzwerkstoffe sind so zu verarbeiten, dass beim Handling und bei der Frd

47、erung der kritische Biegeradius nicht unterschritten und somit eine plastische Verformung der Drhte verhindert wird. Durch die Verwendung von Drahtglttein-heiten kann eine homogenisierte Drahtfhrung und eine bezogen auf die Spritzachse ortsfeste Injektion der Drhte in die Flamme untersttzt werden.Da

48、 die Qualitt der Beschichtung mageblich von einer kon-stanten Drahtvorschubgeschwindigkeit abhngt, mssen die Drhte schlupffrei gefrdert werden. Dazu sind ausreichende Frderkrfte und Anpressdrcke der Drahtvorschubrollen not-wendig. Profilierte Frderrollen, die ein zum Drahtdurchmes-ser passendes, neg

49、atives Profil (u-frmige Rinne) bzw. eine v-frmige Rinne aufweisen, fhren zu einer geringeren Ober-flchendeformation als geriffelte Flachwalzen.b) SpritzabstandDer Spritzabstand sollte im Bereich zwischen ca. 100 mm und 200 mm liegen. Unabhngig von der Prozessleistung werden in diesem Bereich fr die gebruchlichsten Werkst