rhv-Technik: Von Wasserreinigung bis Energieerzeugung
Suspenssionsspritzen – für dünne Spritzschichten mit minimaler Nacharbeit und sehr guten Eigenschaften
Wie lassen sich extrem feine Partikel verarbeiten und auf Maschinenbauteile auftragen, um eine nacharbeitsarme und möglichst glatte, verschleißfeste Oberfläche zu erzielen?
Das Suspensionsspritzen samt seiner aktuellen Weiterentwicklungen bietet sehr vielversprechende Möglichkeiten.
Die rhv-Technik steht schon seit zwei Generationen für die Optimierung von Bauteilen durch Thermische Spritzschichten. Bei diesem Oberflächenveredelungsverfahren werden Metalle, Keramiken oder Cermets auf Maschinenbauteile aufgetragen, wodurch Verbesserungen der thermischen, mechanischen, elektrischen und tribologischen Eigenschaften erzielt werden. Ziel dieser funktionalen Oberflächen sind die Verlängerung der Lebensdauer der Bauteile, Reparatur und Instandsetzung verschlissener Bauteile oder die Standzeitverlängerung von Maschinen. Bereits heute tragen Thermische Spritzschichten von rhv-Technik zu einer nachhaltigeren und ressourcenschonenderen Welt bei.
Durch kontinuierliche Weiterentwicklung und eine hohe Innovationskraft bietet die rhv-Technik das Suspensionsspritzverfahren als Ergänzung zu allen bestehenden Thermischen Spritzverfahren an - -als einer der ersten Beschichtungsdienstleister überhaupt. Der Einsatz des Suspensionsspritzens erlaubt es, feinste Spritzpartikel zu applizieren, wodurch sehr dünne, homogene und außerdem haftfeste Schichtsysteme mit geringer Porosität möglich sind. Üblich sind bei diesem Verfahren Schichtdicken zwischen 10 und 100 µm. Der entscheidende Vorteil der mit diesem Verfahren hergestellten Schichten ist die feine Oberfläche, die anschließend kaum mehr nachbearbeitet werden muss. Aufwändige weitere Prozessschritte wie ein Versiegeln oder das Schleifen der Schichten können deshalb unter bestimmten Umständen eingespart werden. Deutlich wird dies auch beim Betrachten des Schliffbildes der Schicht. Dieses zeigt eine unbearbeitete Suspensionsspitzschicht. Auffallend ist die sehr glatte Oberfläche der Schicht, welche Rauigkeiten unter 1 µm (Ra) erreicht (Abbildung unten).
Zwischen Vakuumprozessen und konventionellen Spritzverfahren
In den konventionellen Thermischen Spritzverfahren werden die aufzubringenden Werkstoffe draht- oder pulverförmig aufgetragen, wobei die Möglichkeiten, die Partikelgrößen zu reduzieren insbesondere Fördermöglichkeiten zum Brenner limitiert sind. Beim Suspensionsspritzen hingegen können aufgrund der Verwendung einer speziellen Suspension noch feinere Partikel auf die Werkstücke aufgetragen werden, die Suspension dient hierbei unter anderem als Trägermedium und verbrennt im Laufe des Applikationsprozesses in der Regel. Insofern schließt das Suspensionspritzen die bisher bestehende Lücke zwischen CVD/PVD-Schichten und konventionellen Thermischen Spritzschichten.
Im Vergleich zu konventionellen Spritzschichten, die einen eher lamellaren Gefügeaufbau aufweisen, weshalb mikrostrukturelle Abweichungen wie feine Poren und unaufgeschmolzene Partikel auftreten, sind suspensionsgespritzte Schichten wesentlich dichter und homogener. Deutlich wird dies auch beim Betrachten des Schliffbilds. Bei optimalen Prozessparametern können im Vergleich zwischen Thermischer Spritzschicht und Suspensionsspritzschicht bei gleich verwendetem Beschichtungswerkstoff ein höheres E-Modul und eine höhere Härte erreicht werden. Die suspensionsgespritzte Chromoxid-Schicht von rhv-Technik erreicht beispielsweise Härten von bis zu 1900 HV. Zudem sind dichte Schichten mit guten mechanischen, tribologischen als auch elektrischen Eigenschaften ohne Nachbearbeitung möglich, sofern es die Toleranzangaben zulassen.
Die Bandbreite der auftragbaren Werkstoffe ist beim klassischen Thermischen Spritzen sehr breit gefächert und extrem vielfältig durch die Kombinationsmöglichkeit unterschiedlicher Werkstoffe, um die gewünschte Funktion der Bauteiloberfläche herzustellen. Beim Suspensionsspritzen hingegen können aktuell Aluminiumoxid-, Chromoxid- und Titandioxidspritzschichten aufgetragen werden. Die Weiterentwicklung hin zu Wolframcarbidschichten ist in der Erprobung.
Anwendungsbeispiele des Suspensionsspritzens
Generell spricht das Suspensionsspritzen viele Megatrends und Zukunftsmärkte an. Beispiele hierfür sind photokatalytisch aktive TiO2-Schichten, die für eine nachhaltige Luft- und Wasserreinigung notwendig sind, aber auch die Erzeugung dünner gasdichter Elektrolytschichten für Hochtemperaturbrennstoffzellen.
Die hohe Dichtheit der Schichten könnte sich auch für andere Wasserstoffanwendungen eignen -seien es Komponenten für die PEM- oder AEL-Elektrolyse oder Schutzschichten gegen Wasserstoffkorrosion.
Auch die Erzeugung photokatalytischer Schichten wie sie bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt werden, ist im Suspensionsspritzverfahren vielversprechend. Gleiches gilt für das Erzeugen von Elektronen emittierender Schichten, wie sie als Kathode in Ionenantrieben kleiner Satelliten oder in Elektronenstrahlröhren eingesetzt werden. Die dünne Schichtdicke sowie die Homogenität der porenfreien und dichten Schicht eignet sich hervorragend für den Einsatz in der Drucktechnik als Beschichtung von Rasterwalzen, so dass die tintenführenden Näpfchen prozesssicher gelasert werden können und einem hochwertigen und langlebigen Druckprozess nichts im Wege steht.
Die optimalen Verschleißeigenschaften sowie die tribologischen Eigenschaften aber auch die Isolationseigenschaften der dünnen Schichten können ebenfalls ausschlaggebend für den Einsatz von Suspensionen sein. Zudem sind die dünnen Schichten elastischer als dickere Schichten und sind daher auch für Anwendungen mit wechselnden mechanischen Belastungen besser geeignet als vergleichbare Hochgeschwindigkeits- oder Plasmaspritzschichten. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich weiter von der E-Mobilität, über den Einsatz bei Erneuerbaren Energien bis hin zur Verpackungs- und Lebensmittelindustrie. Somit kann das Suspensionsspritzen als optimale Ergänzung der anderen Spritzverfahren gesehen werden, die ihre eigenen Vorteile und Anwendungsgebiete haben.
Fazit
Als ergänzendes Element zwischen CVD/PVD-Schichten und konventionellen Spritzschichten hat die Oberflächentechnologie mit dem Suspensionsspritzen eine entscheidende Lücke geschlossen und ergänzt positive Eigenschaften aus verschiedenen Verfahren auf einzigartige Weise miteinander. Es kann von einer neuen Ära in der Beschichtungsbranche gesprochen werden, in welcher die vielfach bewährten und durch ihre Wirkung nachhaltigen Beschichtungstechnologien weiter verbessert angeboten werden können. Diese Technologie steht damit für eine Welt, in der dichte und dünne Funktionsschichten bei geringer Nacharbeit möglich sind und wird als ideale Ergänzung der weiteren Spritzverfahren betrachtet.