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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zum Beschichten
von Werkstoffoberflächen.
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Üblicherweise
werden heutzutage Werkstoffoberflächen durch Verfahren wie Sandstrahlen, Nadeln,
Hochdruckwasserstrahl-Aufrauen oder durch anderweitige Zerspannungsprozesse
so vorbehandelt, dass die dadurch erzeugten Oberflächenstrukturen
eine definierte Struktur und/oder Güte aufweisen. Diese Oberflächenstrukturen
dienen der Haftung einer durch thermisches Spritzen aufgetragenen Beschichtung.
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Unter
dem Verfahren des Thermischen Spritzens versteht man ein Oberflächenbeschichtungsverfahren,
bei dem Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb
oder außerhalb
einer Wärmequelle
ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln
beschleunigt und auf die Oberfläche
des zu beschichtenden Bauteils geschleudert werden. Je nach Wärmequelle unterscheidet
man zwischen Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, konventionellem
und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Kaltgasspritzen und Laserstrahlspritzen.
Die Werkstoffoberfläche
wird dabei nur gering thermisch belastet. Die Spritzpartikel werden
beim Auftreffen auf die Werkstoffoberfläche mehr oder weniger abgeflacht
und bleiben vorrangig durch mechanische Verklammerung aneinander
haften und bauen dadurch die Beschichtung auf, so dass die Qualitätsmerkmale
einer solchen Beschichtung, wie z. B. eine geringe Porosität, Rissfreiheit
und eine homogene Mikrostruktur, maßgeblich von der Temperatur
und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens
auf die zu beschichtende Werkstoffoberfläche beeinflusst werden. Der
Zustand der Werkstoffoberfläche,
wie z. B. der Grad der Verschmutzung, die Oberflächenstruktur und die Temperatur, übt einen
besonderen Einfluss auf die Haftfestigkeit der Beschichtung aus.
Die Vorbehandlung der Werkstoffoberfläche, bei der eine gewünschte Oberflächenstruktur
erzeugt wird, wird Aktivieren bzw. Oberflächenaktivierung genannt.
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Eine
solche Oberflächenaktivierung
kann z. B. durch Korundstrahlen und anschließender Reinigung vorgenommen
werden. Dabei werden, analog dem Sandstrahlen, Korundkörner durch
Druckluft oder anderweitig auf die Werkstoffoberfläche geschleudert
und diese durch die aufprallenden Korundkörner aufgeraut. Ziel der Oberflächenaktivierung
ist dabei eine hinreichend saubere Oberfläche mit einem „Sägezahneffekt”, wobei
durch den Sägezahneffekt
eine Art Hinterschnitt auf der Werkstoffoberfläche erzeugt wird, in bzw. an
dem die Beschichtung gut anhaftet. Problematisch dabei sind zum
einen die Korundkörner,
die in die zu beschichtenden Werkstoffoberfläche eingedrungen sind und die
zu einer schlechten Haftung der anschließend über ein thermisches Spritzverfahren
aufgebrachten Beschichtung führen.
Zum anderen muss die zu beschichtende Werkstoffoberfläche vor
dem Beschichtungsprozess komplett von dem noch „verbleibenden” Strahlgut
gereinigt werden, da an der Werkstoffoberfläche verbleibende Korundpartikel
ein Versagen des damit versehenen Bauteils zur Folge haben kann.
Aufgrund dieser Tatsache hat sich derzeit für die Aktivierung der Oberfläche von
z. B. zu beschichtenden Motorbauteilen das Hochdruckwasserstrahl-Aufrauen,
z. B. bei der Laufbuchse des Motorblocks, etabliert.
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Nachteilig
an einer Beschichtung durch thermisches Spritzen ist der vergleichsweise
hohe Aufwand, der betrieben werden muss, um eine hinreichend gute
Oberflächenaktivierung
zu erhalten und um die Werkstoffoberfläche in einem weiteren Schritt wieder
so zu reinigen, dass die Beschichtung ausreichend gut auf der Werkstoffoberfläche haftet.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Beschichtungsverfahren zum Beschichten von Werkstoffoberflächen eine
verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere durch eine vereinfachte, weniger aufwendige Durchführung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Beschichtungsverfahren
zum Beschichten von Werkstoffoberflächen, bei dem durch ein thermisches
Spritzen eine Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstoffes aufgetragen wird,
die auf die Oberfläche
des Werkstoffes aufgetragene Beschichtung durch zumindest ein Elektromagnetisches
Pulstechnologie(EMPT)-Verfahren nachzubehandeln. Im Gegensatz zur
Vorbehandlung der Werkstoffoberfläche durch eine Oberflächenaktivierung
mit z. B. Sandstrahlen, Hochdruckwasserstrahl-Aufrauen oder dergleichen,
wird bei einer Nachbehandlung mit einem EMPT-Verfahren von thermisch
gespritzten Schichten kein Werkstoff abgetragen, sondern nur die
Beschichtung spanlos umgeformt bzw. verschweißt. Da durch ein EMPT-Verfahren
nachträglich
die Haftung der Beschichtung auf der Werkstoffoberfläche verstärkt wird,
ist eine Oberflächenaktivierung
vor dem Beschichtungsprozess nicht mehr notwendig und somit entfällt ebenfalls
der der Oberflächenaktivierung
nachfolgende Reinigungsschritt. Dadurch ist das Beschichtungsverfahren
insgesamt vereinfacht und schneller durchführbar.
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Je
nach dem, welches EMPT-Verfahren für die Nachbehandlung der Beschichtung
verwendet wird, ist die Beschichtung mit der Werkstoffoberfläche nach
stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig verbunden.
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Ebenso
lässt sich
die Porosität
durch Auswahl des EMPT-Verfahrens und der für das jeweilige EMPT-Verfahren
relevanten Parameter steuern.
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Grundsätzlich gibt
es gibt die Möglichkeiten zum
Schweißen
oder Crimpen, das eine Form des Umformens darstellt. Beim Schweißen bzw.
Kaltpressschweißen
wird eine metallische, stoffschlüssige
Verbindung zwischen der Werkstoffoberfläche und der Beschichtung erzeugt.
Voraussetzung ist eine hohe Umformgeschwindigkeit in Verbindung
mit geeigneten Oberflächen
und Kontaktierbedingungen. Je schwerer der Werkstoff umformbar ist,
abhängig von
der Festigkeit der Legierung und der Wanddicke, desto höher ist
die erforderliche Impulsleistung. Kaltpressschweißverbindungen
werden unter hohem Druck und im Gegensatz zu anderen Schweißmethoden
unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile hergestellt.
Die beiden Teile bleiben im festen Zustand, allerdings ist eine
plastische Verformung mit einer starken Annäherung der Kontaktflächen notwendig.
Durch die starke Berührung
der beiden Kontaktflächen
erfolgt eine stabile Verbindung der beiden Werkstücke. Für eine gute
Verbindung braucht man Materialien mit ausreichender Kaltverformbarkeit,
wie z. B. Kupfer und Aluminium.
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Das
Crimpen kann mit geringerer Umformgeschwindigkeit ausgeführt werden,
benötigt
keinen Radialspalt zwischen den Oberflächen als Beschleunigungsstrecke
für eine
schlagartige Kontaktierung wie das Kaltpressschweißen und
wird zweckmäßig in Verbindung
mit einer gezielten Formgebung ausgeführt. Durch das Crimpen wird
eine form- bzw. kraftschlüssige
Verbindung hergestellt.
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Ein
EMPT-Verfahren ist ein elektrodynamisches Hochgeschwindigkeitsumformverfahren,
bei dem metallische Werkstoffe mit Hilfe starker, berührungslos
wirkender Magnetfeldstöße kaltumgeformt werden.
Das Verfahren ermöglicht
außerdem
die kraftschlüssige
Verbindung metallischer Werkstoffe mit nichtmetallischen Werkstoffen
ohne Temperatureinwirkung.
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Dabei
wird ein Kondensator über
eine Magnetspule sehr schnell entladen. Dadurch entsteht ein starkes
Magnetfeld das auf einen im Bereich der Spule angeordneten Werkstoff
einwirkt und einen Strom in diesem induziert. Der induzierte Strom
erzeugt ein der erzeugenden Ursache, dem durch die Spule erzeugten
Magnetfeld, entgegengerichtetes Magnetfeld. Aufgrund der entgegengerichteten
Magnetfelder tritt eine magnetische Kraft auf, wodurch sich Spule
und Werkstoff voneinander abstoßen.
Somit wird der Entladestromimpuls in einen elektromagnetischen Kraftimpuls
umgewandelt.
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Befinden
sich z. B. zwei Fügeteile
innerhalb der Magnetspule, zum Beispiel zwei überlappende Rohrenden, so wird
das äußere Rohr
auf das innenliegende Rohr aufgepresst. Durch eine sehr kurze Impulszeit,
mit z. B. einer Pulsbreite von 50 ms, kann die Induktionstiefe begrenzt
werden. So kann durch die kurzfristig wirkende magnetische Kraft
eine Verformung des innen angeordneten Fügeteils verringert bzw. verhindert
werden. Unterstützend
kann es notwendig sein, eine mechanische Verformung des inneren
Teils durch eine ausreichend große Wanddicke oder eine Stützhilfe
zu verhindern.
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Zur
Erzeugung der für
die Magnetumformung nötigen
Magnetfelder werden Stoßkondensatoren
als Energiespeicher zunächst
langsam aufgeladen und dann schlagartig über zumindest eine Arbeitsspule
entladen, die der Geometrie des umzuformenden Werkstückes angepasst
ist. Innerhalb einiger hunderttausendstel Sekunden entsteht in der Nähe des Werkstücks ein
sehr hohes Magnetfeld, das seinerseits starke elektrische Ströme in der Werkstückoberfläche hervorruft,
auf die wiederum das Magnetfeld Kräfte ausübt
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Bei
guter Leitfähigkeit
des umzuformenden Werkstoffes bewirken diese Kräfte einen magnetischen Druck,
der einigen tausend bar, bis zu 1000 MPa entsprechen kann. Übersteigt
der Druck die Fließspannung
des umzuformenden Werkstoffes, wird dieser verformt und die in den
Werkstoff geflossene elektromagnetische Energie wird zumindest teilweise
in Bewegungsenergie gewandelt. Dabei kann der Werkstoff mit Geschwindigkeiten
von bis zu 300 m/s umgeformt werden.
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Das
magnetische Umformen setzt zwar eine gute Leitfähigkeit des umzuformenden Werkstoffes voraus,
aber es lassen sich auch weniger gut leitende Werkstoffe, wie z.
B. Rohre aus nichtrostendem Stahl, gut umformen, wenn sie von einem
als „Treiber” wirkenden,
gut leitenden Werkstoff umgeben werden, der die Umformenergie auf
das eigentliche umzuformende Werkstück überträgt. In der Praxis hat sich
hierfür
Aluminiumfolie bewährt,
die nachträglich
entfernt wird oder auf dem Werkstoff verbleibt. Dadurch lassen sich
auch schlecht leitende Beschichtungen mit einem EMPT-Verfahren nachbehandeln.
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Dabei
kann ein solches EMPT-Verfahren folgende Schritte aufweisen:
- • Positionierung
der zu fügenden
Bauteile zueinander, wobei ein Luftspalt von bis zu 1 mm aufterten
kann.
- • Einleitung
eines hohen Stromes von bis zu 2 Mio. Ampere aus einem Kondensator
oder einem Doppelschichtkondensator durch eine Spule, wobei die
Spule eine dementsprechende dem Werkstoff angepasste Struktur aufweist.
- • Induktion
von Wirbelströmen
im äußeren Werkstück durch
das mittels der Spule erzeugte Magnetfeld.
- • Erzeugung
eines Magnetfeldes im Werkstück, das
dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt.
- • Extrem
schnelle, plastische Verformung des äußeren Werkstückes infolge
der Abstoßungskräfte zwischen
dem im Werkstück
induzierten Magnetfeld und dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld.
- • Dadurch
Umformung bzw. Verschweißung
innerhalb von 10–100 μs.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird also im Anschluss an den Herstellungs-/Fertigungsprozesses
eines Werkstoffes ohne Oberflächenaktivierung eine
Beschichtung durch thermisches Spritzen aufgetragen und anschließend diese
durch ein EMPT-Verfahrens
mit dem Grundwerkstoff durch Crimpen form- und/oder kraftschlüssig bzw.
durch Kaltpressschweißen
metallisch bzw. stoffschlüssig verbunden.
Dadurch erfährt
ein solches Beschichtungsverfahren eine Effizienzsteigerung, da
sämtliche
Prozessschritte hinsichtlich einer Oberflächenaktivierung, d. h. alle
Prozessschritte, die zur Erzeugung eine Oberfläche mit einem bestimmten Oberflächenprofil
sowie einer vorbestimmten Oberflächengüte vorgesehen
sind, nicht mehr benötigt
werden.
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Das
Crimpen bzw. Verschweißen
der Schicht mit dem zu beschichtenden Substrat kann sogar während des
Beschichtungsvorganges bzw. des thermischen Spritzens durchgeführt werden.
In diesem Fall kann durch das EMPT-Verfahren eine zusätzliche
Beschleunigung der metallischen Partikel vorgenommen werden. Ebenso
kann es auch der Beschichtung nachfolgend durchgeführt werden.
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Die
Verschweißung
bzw. Verdichtung der Spritzschicht erfolgt dabei berührungslos.
Deshalb gibt es keine mechanischen Verschleißteile, da kein mechanischer
Kontakt zwischen dem Werkstoff und der EMPT-Anlage besteht.
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Des
Weiteren kann ein Verdichtungsgradient über die zeitlich und räumlich sehr
genau dosierbaren Kräfte
eingestellt werden, wodurch sich die Porosität bzw. die Verdichtung der
Beschichtung steuern lässt.
Ebenso lassen sich Form- und Lagetoleranzen durch ein EMPT-Verfahren
genauer steuern bzw. reduzieren.
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Weiterhin
ist die Verdichtung der Schicht bzw. Verschweißen der thermisch gespritzten
Beschichtung mit dem Grundwerkstoff unabhängig von der Bauteil- bzw.
Schichttemperatur und auch weitesgehend vom Material des Grundwerkstoffes.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich ebenfalls
aus den Unteransprüchen.
Es versteht sich, dass die vorstehend und in den Ansprüchen genannten
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.