Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 08/2016, 19.08.2016

Wenn's besonders hart und beständig sein soll

Metallische Bauteile können durch die Veredelung mit keramischen Oberflächen einen deutlichen Anwendervorteil generieren: Härte sowie Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit steigen teilweise immens. Die Bührer AG setzt beim Keramikbeschichten auf das atmosphärische Plasmaspritzen (APS): Bei Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunktes und hohen Aufprallgeschwindigkeit verbinden sich die Keramikpartikel mit dem metallischen Grundkörper zu einer festhaftenden, dichten Schicht.

(pi) Reine Keramikbauteile kommen im Maschinenbau eher selten zum Einsatz. Denn: Sie haben im Vergleich zu Metallen zwar einige sehr interessante Vorteile wie hohe Härte und Beständigkeit gegen aggressive Chemikalien sowie hohe Temperaturen. Aber: Sie weisen auch diverse Nachteile auf, insbesondere mit Blick auf Zähigkeit, Schlagfestigkeit oder dynamische Belastbarkeit.

Interessanter aus Sicht des Konstrukteurs ist deshalb die Möglichkeit, sich die positiven Eigenschaften beider Werkstoffe dadurch zu erschliessen, dass man die Keramik in Form einer vergleichsweise dünnen Beschichtung auf einen metallischen Grundkörper aufträgt. Da die beiden Werkstoffkategorien jedoch untereinander keine chemische oder metallurgische Verbindung eingehen, ist der Einsatz vergleichsweiser robuster Methoden gefordert.

So setzt der Beschichtungsspezialist Bührer AG das sogenannte atmosphärische Plasmaspritzen (APS) ein. Zur Beschichtung durch Plasmaspritzen müssen die Keramikpartikel innerhalb weniger Sekundenbruchteile auf Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunktes aufgeheizt werden und mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffen.

«Erreicht wird dies durch die extrem hohen Temperaturen eines Plasmabrenners, in dem Gas auf mehrere 10 000 Grad aufgeheizt wird», erklärt Martin Bührer, Inhaber der Bührer AG. Energiequelle ist ein Gleichspannungslichtbogen zwischen mehreren Elektroden. Durch diesen Lichtbogen strömt ein Gasgemisch, das durch die hohe Temperatur ionisiert wird, sodass sich ein sehr heisses Plasma bildet. Durch die hohe Temperatur des Plasmas werden die Keramikteilchen – mit Korngrössen von 5 bis 120 µm – in Sekundenbruchteilen aufgeschmolzen und treffen als flüssige Tröpfchen auf die Zielfläche auf. Dadurch schmiegen sie sich dicht an die Oberfläche an und verklammern sich dort mit winzigen Vorsprüngen und Vertiefungen. So entsteht eine festhaftende, dichte Schicht aus dem gewünschten keramischen Material.

«Trotz der hohen Temperaturen im Plasma ist der Temperatureintrag ins Werkstück selbst nicht allzu hoch», weiss Martin Bührer. Dies liegt daran, dass sich das Plasma nach dem Verlassen des Brenners sehr schnell wieder abkühlt, und die einzelnen Keramikteilchen aufgrund ihrer geringen Grösse keine grossen Wärmemengen ins Werkstück transportieren. Das Bauteil wird während des Beschichtens gekühlt und deshalb nicht wärmer als 150 °C. Die gleichmässige Wärmeeinbringung und Kühlung verhindert den Verzug beim Auftragen der Schicht.

Eine Vorbeschichtung mit einem Haftvermittler, etwa aus Nickel-Chrom, ist nur in Ausnahmefällen erforderlich. Die erzielbaren Schichtdicken liegen in der Regel bei 0,1 bis 0,2 mm, bei manchen Anwendungen bis zu 0,5 mm. Falls dickere Schichten gewünscht sind, sollten diese in mehreren Durchgängen nach und nach aufgebaut werden, um die Bildung von Rissen zu vermeiden. Eine gezielte Masshaltigkeit und Oberflächengüte bei Gleit- und Dichtflächen wird durch mechanische Bearbeitung – meist durch Schleifen – eingestellt.

«Bei manueller Auftragung würde das Verfahren einen aufwendigen Vollschutz des Bedieners erfordern», sagt Martin Bührer. Deshalb nutzt sein Unternehmen meist einen Roboter, der in einer vollgekapselten Kabine arbeitet. Nachteil: Hohlteile mit Innendurchmessern von weniger als 200 mm können nur partiell beschichtet werden, da diese für den Anlagenkopf nur im Randbereich zugänglich sind. Dem steht der grosse Vorteil gegenüber, dass aufgrund der CNC-gesteuerten Anlage eine hohe Gleichmässigkeit und Reproduzierbarkeit des Auftrags erreicht wird. Für rotationssymmetrische Teile verfügt die Kabine über eine zusätzliche numerisch gesteuerte Drehachse.


Bührer AG
8112 Otelfingen, Tel. 044 844 25 50
info@buehrer-ag.ch



Der vom Roboter gesteuerte Spritzkopf sorgt für hohe Gleichmässigkeit und Reproduzierbarkeit des keramischen Auftrags. (Bilder: Vollrath)


Martin Bührer, Bührer AG: «Trotz der hohen Temperaturen im Plasma ist der Temperatureintrag ins Werkstück selbst nicht allzu hoch.»


Demonstrationsbauteil mit auf Mass geschliffener Beschichtung aus Chromoxid.


Mit dem Plasmaspritzen lässt sich eine grosse Bandbreite an Beschichtungen aufbringen. (Quelle: Bührer)