Dr. Prepper — Ausgabe 11

BORSTENSTRAHLEN BEIM THERMISCHEN SPRITZEN: VERBESSERUNG DER BESCHICHTUNGSHAFTUNG

In der 11. Ausgabe von Dr. Prepper tauchen wir in eine Fallstudie der University of Technology - Peking und des College of Materials Science and Engineering - Peking ein, die von Yingying Ding, Hui Li und Yingliang Tian geleitet wurde. Die Studie konzentriert sich auf die Haftfestigkeit bei thermisch gespritzten Beschichtungen, ein kritischer Leistungsfaktor. Sie stellt das Borstenstrahlen als innovative Oberflächenvorbehandlung vor und vergleicht dessen Wirksamkeit mit dem Strahlen auf Weichstahl und Aluminiumlegierungen.

Das Borstenstrahlen erweist sich als praktische Lösung, insbesondere in Situationen, in denen das Strahlen vor Ort schwierig ist. Darüber hinaus unterstreicht die Studie die Bedeutung der Berücksichtigung des Substratmaterials, was für die Optimierung der Beschichtungshaftung mit dem Borstenstrahlen als Oberflächenvorbereitungsmethode entscheidend ist.

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Thermisch gespritzte Beschichtungen finden in verschiedenen Industriesektoren breite Anwendung für Oberflächenlösungen. Eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat ist unerlässlich und stellt eine grundlegende Anforderung an den Service dar. Typischerweise wird die Substratoberfläche vor dem Spritzen sorgfältig vorbereitet, um eine gereinigte und aufgeraute Oberfläche zu schaffen, die eine ausreichende Haftung für die abgeschiedene Beschichtung ermöglicht. Dieser Verfahrensschritt ist unerlässlich und beeinflusst die Gesamtleistung der Beschichtung erheblich.

Weiche Substratmaterialien wie Aluminiumlegierungen, Kupfer usw. stehen vor erheblichen Herausforderungen aufgrund des Vorhandenseins eingebetteter Strahlmittelpartikel an der Substrat-/Beschichtungsgrenzfläche. Darüber hinaus erweist sich der Einsatz herkömmlicher Strahlmaschinen bei bestimmten Vor-Ort-Operationen als schwierig, da diese auf Luftkompressoren und einen erheblichen Strahlmittelverbrauch angewiesen sind. Darüber hinaus entstehen Umweltbedenken durch den Lärm und die gefährlichen Staubnebenprodukte, die mit solchen Maschinen verbunden sind. Eine Oberflächenvorbehandlung mit mobilen Einrichtungen mit einfacher Bedienung erweist sich für diese industriellen Anwendungen als vorteilhafter.

Diese Studie zielt darauf ab, die Machbarkeit des Borstenstrahlens beim thermischen Spritzen zu bewerten, wobei der Schwerpunkt auf metallischen (Ni5Al) und keramischen (Al2O3) Beschichtungen auf Substraten wie Weichstahl (A283) und Aluminiumlegierung (7075) liegt. Die Beschichtungen werden auf Oberflächen aufgetragen, die mit drei Methoden vorbereitet wurden: Borstenstrahlen, Strahlen und mechanisches Schleifen.

Das Hauptziel war der Vergleich von Strahlen und Borstenstrahlen als Oberflächenvorbehandlungen, wobei mechanisches Schleifen als Kontrollgruppe diente, um die Auswirkungen der Oberflächenrauheit zu bewerten. Beim Strahlen wurden 20-Mesh-Korundpartikel (Pigeon Group) mit einem Strahlluftdruck von 0,6 MPa und einem Strahlmittelabstand von 60 mm verwendet. Mechanisches Schleifen umfasste die manuelle Verwendung von 800# SiC-Schleifpapier auf einer automatischen Schleifmaschine. Das Borstenstrahlen verwendete ein kommerzielles Gerät (Monti SE-677-BMC) mit einer festen Raddrehzahl von 2150 U/min, wobei die Eindringtiefe ein Schlüsselparameter war.

Während des Betriebs treffen die rotierenden Borstenspitzen mit einer kinetischen Energie, ähnlich dem Aufprall von Strahlmittel, auf die Zieloberfläche. Dieser kontinuierlich wiederholte Prozess führt zu Tausenden von lokalisierten Einschlägen, Rückprallen und der Bildung von Kratern, wodurch eine gereinigte und aufgeraute Oberfläche entsteht. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist ihre Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit. Der Bristle Blaster® ist einen halben Meter lang und mehrere Dutzend Zentimeter hoch; er kann einfach mit Batterie, Elektro- und Pneumatikmotor betrieben werden. Er kann an einem automatischen Positionierer montiert oder manuell gehandhabt werden, so dass der Betrieb nur sehr wenig Platz benötigt, im Gegensatz zum Strahlen, das typischerweise eine große schallisolierte Kabine oder Schutz erfordert.

TEST: Einige Arbeiter haben versucht, Borstenstrahlen als Oberflächenvorbehandlung für Anstriche zu verwenden und haben gezeigt, dass es möglich war, eine aufgeraute Oberfläche zu erzeugen, deren durchschnittliche Rauheit (Ra) etwa 3,35 µ betrug.

Der Hauptvorteil dieser Technologie ist ihre Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit.

In den letzten Jahren hat sich das Borstenstrahlen als neuer Ansatz in der Oberflächenvorbereitung etabliert, der in der Industrie Beachtung gefunden hat. Dieser Prozess ist im Grunde ein mechanischer Abriebprozess, bei dem ein rotierendes, bürstenartiges Rad verwendet wird. Das Rad besteht aus vielen geschärften, hochfesten Stahldrähten, deren Spitzen speziell mit einer Vorwärtsbiegung konstruiert sind, d. h. der Schaft des Drahtes ist in Drehrichtung gebogen (Abb. 1). Während des Betriebs treffen die rotierenden Borstenspitzen mit einer kinetischen Energie, ähnlich dem Aufprall von Strahlmittel, auf die Zieloberfläche. Dieser kontinuierlich wiederholte Prozess führt zu Tausenden von lokalisierten Einschlägen, Rückprallen und der Bildung von Kratern, wodurch eine gereinigte und aufgeraute Oberfläche entsteht.

Das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop LEXT OLS4100 wurde zur Charakterisierung der Oberflächentopographie mit verbesserter optischer Auflösung verwendet. Diese Methode bietet eine ausgewogene Kombination aus hoher Testgenauigkeit und Geschwindigkeit und bewertet sowohl die 3D- als auch die 2D-Oberflächenmorphologie.

Die Oberflächenmorphologie des Stahls

Substrats, behandelt mit verschiedenen Methoden:

(a) Schleifen

(b) Strahlen

(c) Borstenstrahlen (3 mm)

Die Oberflächenmorphologie des Stahls

Substrats, behandelt mit verschiedenen Methoden:

(a) Schleifen

(b) Strahlen

(c) Borstenstrahlen (2 mm)

Bei 7075 stieg die durchschnittliche Oberflächenrauheit Ra abrupt von 0,834 ± 0,185 auf 2,450 ± 0,606 μ an, als sich die Eindringtiefe von 1 auf 2 mm änderte, was darauf hindeutet, dass mehr Substratmaterial abgesplittert wurde. Es gab jedoch keinen deutlichen Unterschied zwischen den Proben, die mit einer Eindringtiefe von 2 und 3 mm behandelt wurden, hinsichtlich der durchschnittlichen Rauheit (Ra) und der Profilneigung (Rdq). Dies liegt vermutlich an der plastischen Verformung des 7075-Substrats, wenn die Borsten kontinuierlich auf das Substrat trafen, wie in Abb. 2 beobachtet. Mit zunehmender Eindringtiefe zeigte sich eine Tendenz zu einer allmählichen Abnahme der Oberflächenschiefe (Rsk), was darauf hindeutet, dass die Profilrauigkeiten flach und eingedrückt waren. Bei A283 nahm die Rauheit mit zunehmender Eindringtiefe linear zu, wie in Abb. 2 gezeigt.

Abb. 2

Oberflächenrauheit des Substrats bei unterschiedlicher Behandlung. (a) Ra, (b) Rdq, (c) Rsk; G Schleifen, GB Strahlen, BB Borstenstrahlen.

Die Studie verglich borstengestrahlte und sandgestrahlte Oberflächen. Obwohl borstengestrahlte Oberflächen optisch heller erschienen, waren sie weniger rau als sandgestrahlte. Bei 7075 führte eine Erhöhung der Eindringtiefe von 1 auf 2 mm zu einem signifikanten Anstieg der mittleren Rauheit (Ra), was auf eine stärkere Abspaltung von Substratmaterial hinweist. Bei tieferen Eindringtiefen kam es zu plastischen Verformungen. Bei A283 nahm die Rauheit mit zunehmender Eindringtiefe linear zu. A283 erreichte bei 3 mm die durch Sandstrahlen erzeugte Rauheit, was durch unzureichende kinetische Energie begrenzt war. Trotz ähnlicher Ra-Werte waren borstengestrahlte Oberflächen aufgrund des Abstands der Borstendrähte weniger gleichmäßig, was zu größeren Spitzen und Tälern im Vergleich zu sandgestrahlten Oberflächen führte Abb. 3.

Abb. 3

2D-Profil der Stahloberfläche (A283) mit verschiedenen Behandlungen: (a) geschliffen, (b) sandgestrahlt, (c) borstengestrahlt mit 3 mm Eindringtiefe.

Der Hauptnachteil des Strahlen zur Oberflächenvorbereitung ist das Vorhandensein von Strahlmittelresten an der Grenzfläche, was besonders bei weichen Materialien problematisch ist. Während eine anschließende Ultraschallreinigung diese Reste entfernen kann, ist ihre Anwendung vor Ort schwierig. Dieses Problem wird durch den Einsatz des Borstenstrahlens zur Oberflächenvorbereitung vollständig vermieden. Der attraktivste Aspekt des Borstenstrahlens liegt in seiner Einfachheit und Kosteneffizienz, insbesondere für den Einsatz vor Ort.

Im Gegensatz zum Strahlen, bei dem das Sammeln und Recyceln massiver zurückprallender Schleifpartikel in offenen Räumen schwierig ist, bietet das Borstenstrahlen Flexibilität und Verarbeitungseffizienz, die mit dem Standard-Strahlen und der mechanischen Aufrauung vergleichbar sind. Basierend auf Laborerfahrungen kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit beim Borstenstrahlen etwa 1 Quadratmeter Oberfläche in 1 Stunde erreichen, was deutlich schneller ist als die Lasertexturierung.

Beim Borstenstrahlen erfolgt der Oberflächenabrieb durch die umfangreiche Ausgrabung der Metalloberfläche durch die Borstenspitzen, was zu zahlreichen lokalisierten schaufelförmigen Kratern führt.

Abb. 4

Abhängigkeit der Ni5Al-Beschichtungshaftung von verschiedenen Oberflächenrauheitsparametern: (A) Ra, (b) Rdq, (c) Rsk

Diese Studie untersuchte die Machbarkeit der Anwendung des Borstenstrahlens in Bezug auf thermisch gespritzte Beschichtungen. Die wichtigsten vorläufigen Ergebnisse sind wie folgt:

Die Haftfestigkeit von thermisch gespritzten Beschichtungen auf Substraten, die verschiedenen Vorbehandlungsmethoden unterzogen wurden, zeigte einen allmählichen Anstieg vom Schleifen über das Borstenstrahlen bis zum Strahlen. Im Falle der Ni5Al-Beschichtung ergab die Oberflächenvorbereitung mit Borstenstrahlen etwa 60 % der Haftfestigkeit im Vergleich zur Strahlmethode.

Borstenstrahlen scheint eine vielversprechende Lösung für Stahl- und Aluminiumlegierungssubstrate zu sein, wenn Strahlen nicht anwendbar ist. Es ist jedoch wichtig, das Substratmaterial bei der Auswahl der Strahlparameter zu berücksichtigen.

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