Elektrolytisch abgeschiedene Hartchromschichten und mittels thermischen Spritzens aufgebrachte Hartmetallschichten haben große Verbreitung in einer Vielzahl von technischen Anwendungen zum Schutz von Bauteiloberflächen vor Verschleiß gefunden. Am Beispiel von trockenem Abrasionsverschleiß sowie trockenem Oszillationsverschleiß unter Einsatz von gehärteten 100Cr6 sowie Al₂O₃ Kugeln werden diese Schichttypen verglichen. Dabei finden auch Hartmetallschichten, die mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens aus Feinstpulvern hergestellt werden Berücksichtigung. Diese Schichten erfordern allein eine Finalbearbeitung durch Bandschleifen. Außerdem erfolgt ein Vergleich mit Hartmetallschichten, die unter Verwendung eines Hochleistungsbrenners mit axialer Pulverinjektion mittels atmosphärischen Plasmaspritzens hergestellt werden. Beide Varianten erschließen Kosteneinsparpotenziale im Vergleich zum konventionellem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Mikrostrukturelle Einflüsse werden ebenso diskutiert wie simultane Auswirkungen auf weitere Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und thermische Leitfähigkeit. Die optimale Verschleißschutzlösung hängt von der Gesamtheit des jeweiligen Tribosystems ab.

In zahlreichen Industriezweigen haben HVOF gespritzte Cr3C2/Ni20Cr und WC/Co(Cr) Verbundschichten breite Akzeptanz für den Verschleißschutz erlangt. Beim Einsatz chromhaltiger Matrixlegierungen verfügen derartige Schichten auch über gute Korrosionsschutzeigenschaften. Jüngste Forschungen im Bereich des Plasma-Pulver-Auftragschweißens resultierten in der Entwicklung hochchrom- und hochvanadiumhaltiger Eisenbasislegierungen mit dem Ergebnis einer verbesserten kombinierten Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Ein wichtiger Vorteil der Einsenbasisschichten besteht in der Möglichkeit der einfachen Bearbeitung mittels Drehens und Fräsens. Somit sind derartige Schichtsysteme auch für thermische Spritzprozesse von hohem Interesse, denn die Nachbearbeitung von Cr3C2/Ni20Cr und WC/Co(Cr) Schichten durch Schleifen mit Diamantwerkzeugen macht einen erheblichen Teil der gesamten Schichtkosten aus. Gegenüber PTA weist HVOF den Vorteil auf, dass der Grundwerkstoff des zu beschichtenden Bauteils nicht aufgeschmolzen wird. Durch die so unterbundene Legierungsbildung können Schichten mit nahezu identischer chemischer Zusammensetzung und somit ähnlichen Eigenschaften wie die Ausgangslegierung hergestellt werden. Zwei mittels Schmelzverdüsens hergestellte Eisenbasispulver unterschiedlicher Zusammen¬setzung werden mittels HVOF verarbeitet. Das Optimieren der Spritzparameter erfolgt bezüglich des Auftragwirkungsgrads, der Porosität sowie der Mikrohärte. Die Schichten werden metallografisch mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie sowie mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht. Im Weiteren erfolgt das Charakterisieren der Schichten bezüglich der Mikrohärte, des Verschleißverhaltens bei abrasiver Beanspruchung sowie des Korrosionsverhaltens.

Reintitan (Grade 2) wird ebenso wie die rostfreien Stähle AISI 446 und AISI 316L in Pulverform für das Herstellen von Schichten auf Baustahlsubstraten mittels des neuartigen Sulzer Metco X-HVOF Brenners eingesetzt. Der Auftragwirkungsgrad hängt von der Prozessführung ab. Die Schichten werden bezüglich ihrer Mikrostruktur mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgendiffraktometrie untersucht. Darüber hinaus wird die Zunahme der Sauerstoff- und Stickstoffgehalte in Titanschichten infolge der spritztechnischen Verarbeitung mit Hilfe der Heißgasextraktion untersucht. Das Potenzial der Schichten für den Korrosionsschutz wird durch potentiodynamische Messungen in 0,5M H2SO4 und Salzsprühnebeltests überprüft. In Abhängigkeit von den Prozessparametern kann die Zunahme des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts auf den Faktor 2 begrenzt werden. Es lassen sich Schichten, die bei metallographischen Untersuchungen nahezu theoretische Dichte aufweisen, herstellen. Auch im direkten Vergleich zu gewalztem Titan Grade 2 weisen die X-HVOF Schichten ein viel versprechendes Korrosionsverhalten auf. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Schichten unter atmosphärischen Bedingungen hergestellt werden, ist eine Zunahme der Korrosionsstromdichte um den Faktor 4 als hervorragend zu bewerten. Während in den potentio¬dynamischen Untersuchungen keine Schädigung von Schicht oder Substrat beobachtet wird, weisen Salzsprühnebeltests auch für Schichten, die in Querschliffen nahezu theoretische Dichte aufweisen, durchgängige Porenkanäle nach, die sich in lokaler Rostentstehung auswirken. Somit sind Korrosionsuntersuchungen an Prüfkörpern geringer Größe nicht aussagekräftig bezüglich der Schutzwirkung der Schichten.

Bei der Auswahl eines thermischen Spritzverfahrens für eine bestimmte Aufgabenstellung, muss das Erfüllen spezifizierter Eigenschaften der Schichten gewährleistet werden. Im Weiteren sind die Beschichtungskosten zu minimieren. Als ökonomisch vorteilhaft erweist sich das Verarbeiten drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoffe. Drähte können preisgünstiger hergestellt, einfacher gelagert, transportiert und gefördert werden als Pulver. Obwohl das Drahtflammspritzen zu den ältesten thermischen Spritzverfahren zählt, sind damit qualitativ sehr hochwertige Schichten herstellbar. Neben einer homogenen Mikrostruktur gehört eine geringe Oberflächenrauheit zu den typischen Merkmalen, insbesondere wenn Überschallgasströmungen genutzt werden. Entsprechende Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzsysteme weisen gegenüber HVOF-Anlagen deutliche Vorteile bei den Investitions- und Betriebskosten auf. Das Spektrum der Schichtwerkstoffe ist allerdings stark eingeschränkt, da nicht alle Werkstoffe als massiver Draht gezogen werden können. Abhilfe schaffen an dieser Stelle Fülldrähte, die sich aus einer pulverförmigen Füllung und einem massiven Mantelmaterial zusammensetzen. Es existieren unterschiedliche Konzepte. Neben mit Falz und auf Stoss formgeschlossenen Fülldrähten existieren nahtlose Röhrchenfülldrähte. Für den Werkstoff AISI 316L werden Drähte mit derartig unterschiedlichem Aufbau mittels Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzens verarbeitet, wobei das Abschmelzverhalten und die Partikelgeschwindigkeit im Spritzabstand mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-CCD-Kamera untersucht und mit den erzielten Schichtqualitäten korreliert werden.

Zum Herstellen hochwertiger Metall-Keramik-Verbundschichten für Anwendungen im Verschleißschutz werden in der industriellen Fertigung in zunehmendem Maße HVOF-Spritzsysteme eingesetzt. Die erreichbaren Schichteigenschaften unterscheiden sich dabei erheblich in Abhängigkeit vom eingesetzten Spritzzusatzwerkstoff, dem Spritzsystem und den Spritzparametern. Durch Untersuchungen der Inflight-Parameter der Spritzpartikel mit Hilfe eines CCD-Kamera-basierten Überwachungstools des Typs SprayWatch® werden für zwei mit Kerosin als Brennstoff betriebenen Pistolentypen - Tafa JP5000 und GTV K2 - und die typischen Spritzzusatzwerkstoffe WC/Co 88/12 und Cr₃C₂/NiCr 75/25 die entlang der Strahlachse vorliegenden Partikelparameter Geschwindigkeit und Temperatur aufgenommen und mit den Schichteigenschaften Porosität und Mikrohärte sowie mit der Schichtdicke korreliert. Auf der Basis dieser Ergebnisse werden für die beiden Pistolentypen optimale Spritzabstände abgeleitet.

Mit dem Ziel den Kraftstoffverbrauch zu senken besteht seitens der Automobilindustrie ein zunehmender Druck Leichtbaukonzepte anzuwenden. Zudem wird das Reduzieren des Bauteilgewichts auch für eine leichtere Handhabung angestrebt. Ein Beispiel für innovative Entwicklungen auf diesem Gebiet ist das Ausführen einer Kugelstange aus einer ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierung, die Gewichtseinsparungen von über 2 kg im Vergleich zur Stahlvariante ermöglicht. Allerdings erfordert die geringe Verschleißbeständigkeit des Aluminiums komplizierte Schutzmaßnahmen im Einsteckbereich. Dies ist mit erhöhtem Aufwand bei der spanenden Bearbeitung und dementsprechend verlängerten Maschinenbelegungszeiten verbunden. Darüber hinaus müssen Zukaufteile in zusätzlichen Montageschritten appliziert werden. Mit dem Ziel die damit verbundenen Kosten zu vermeiden wird untersucht, ob mit Hilfe thermisch gespritzter Schichten eine ausreichende Verschleißschutzwirkung erzielt werden kann. Unterschiedliche HVOF Brenner und Schichtwerkstoffe kommen zum Einsatz, um Schichtsysteme herzustellen, die eine maximale Verbundfestigkeit unter Biegebeanspruchung ermöglichen. Ni20Cr Haftschichten erweisen sich in Kombination mit Cr₃C₂/Ni20Cr 75/25 Deckschichten als optimal und werden mit den günstigsten Schichtdicken auf Prototypenbauteile aufgebracht. Die Prototypen bestehen sowohl die mechanisch-dynamischen Tests als auch die Korrosionsprüfung mittels Salzsprühnebeltest. Die Prüfungen an Prototypen, die mit lichtbogengespritzten Ni20Cr versehen werden, um die Schichtkosten zu senken, dauern an.

Für tribologisch und / oder korrosiv stark beanspruchte Bauteile mit wärmeübertragender Funktion, wie zum Beispiel Trockenwalzen in der Papierindustrie oder Wärmewertkessel, ist neben der Schutzwirkung der Schichten auch der Wärmedurchgang ein wichtiges Kriterium für die Optimierung, weil neben der Lebensdauer auch die Betriebskosten der beschichteten Bauteile für umfassende okönomische Betrachtungen zu berücksichtigen sind.
Am Beispiel von WC/CoCr 86/10-4 Schichten wird der Einfluss der Karbidgröße im Ausgangspulver und der Prozessführung beim HVOF Spritzen auf die Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich zwischen RT und 600 °C mit Hilfe von Laser-Flash Analysen untersucht. Die simultanen Auswirkungen auf die Verschleißbeständigkeit unter trockener Abrasionsbeanspruchung (Taber Abraser Test) sowie die Beständigkeit in Salzsprühnebel- und Kesternichtests werden ermittelt. HVOF Cr₃C₂/Ni20Cr 75/25 sowie APS Chromoxid- und galvanisch abgeschiedene Hartchromschichten werden zu Vergleichszwecken untersucht. Auch für potenziell geeignete Haftschichten aus Ni5Al und Ni20Cr, die mittels HVOF, Lichtbogen- und Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzens hergestellt werden, erfolgen Analysen der Wärmeleitfähigkeit. Die Eignung des Einsatzes ultrafeiner Hartmetallpulver zum Senken der Nachbearbeitungskosten wird diskutiert.

Das neuartige Kaltgasspritzen (CGS) erlaubt die Herstellung von Schichten mit zum Ausgangspulver identischer Zusammensetzung. Aufgrund sehr geringer thermischer Beeinflussung der Spritzpartikel im Strahl lassen sich auch sauerstoffaffine Materialien an Atmosphäre verarbeiten. Es werden Aluminium-, Zink- und Zinn-Basislotpulver (AlSi12, Zn, ZnAl5, ZnAl15, SnAg4Cu0,5) auf verschiedenen Aluminiumlegierungen (AA1050, AA3005, AA5754, AA7022) appliziert. Spritzprozessparameter werden variiert und mit Schicht- und Prozesscharakteristika korreliert. Die Eignung der Lotbeschichtungen wird durch optimierte Lötprozesse im Schutzgasofen sowie mit Ultraschallunterstützung nachgewiesen.

Das Potenzial thermischer Spritzverfahren, insbesondere des Kaltgasspritzens (CGS), zum Aufbringen von Lotbeschichtungen für das Fügen von Aluminiumlegierungen wird untersucht. Neben Legierungen mit hoher Solidustemperatur, d.h. AA1050 und AA3005, werden auch die niedrigschmelzenden Legierungen AA5754 und AA7022 betrachtet. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Fügepartner kommen AlSi12 bzw. Zn-Al-Legierungen als Lotwerkstoffe zum Einsatz. Die CGS Prozessparameter werden bezüglich des Prozessgasdrucks (N₂) und -temperatur, der Pulverförderrate sowie des Spritzabstands variiert und mit Schichteigenschaften sowie ökonomischen Randbedingungen korreliert. Für die hergestellten Lotbeschichtungen wird die Prozessführung beim Löten angepasst. Sowohl Schichten als auch Lötverbindungen werden metallographisch bewertet und mit Ergebnissen herkömmlicher Lotapplikationsformen verglichen.