Neue dicht- und reibungsoptimierte thermische Spritzschicht für Armaturenspindeln

Werkstoffe 07. 08. 2019
  • Autoren dieses Artikels
  • 750x gelesen

Die Rybak + Hofmann rhv-technik GmbH + Co. KG aus Waiblingen setzt gemeinsam mit der MPA Stuttgart neue Maßstäbe bei der Beschichtung von Armaturenspindeln. Das mittelständische Familienunternehmen verfolgt eine konsequente Innovationsstrategie, bei der das Know-how von Mitarbeitern und externen Forschungspartnern mit der fünfzigjährigen Unternehmenserfahrung kombiniert wird. Ziel des gemeinsamen Forschungsprojekts war die Entwicklung einer thermischen Spritzschicht mit einer porenfreien Gefügestruktur, die dem Maßstab beim Einsatz von sicherheitsrelevanten Industriearmaturen gerecht wird.

Bisher waren HVOF-Beschichtungen auf sicherheitsrelevanten Industriearmaturen durch einen zu hohen inneren Porenanteil gekennzeichnet und dadurch nur begrenzt tauglich. Im Projekt mit der MPA (Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Otto-Graf-Institut (FMPA)) sollten daher erstmals vollständig reproduzierbare HVOF-Beschichtungen (HVOF - Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen) aus Chrom- beziehungsweise Wolframcarbid erarbeitet werden, die sich durch eine porenfreie Gefügestruktur und somit definierte thermische Eigenschaften sowie eine auf die Systemanforderungen abgestimmte Oberflächentribologie auszeichnen sollten. Eine signifikante Verbesserung des betrieblichen Langzeitverhaltens und der Funktionssicherheit von Sicherheits- und Regelarmaturen wurde verfolgt.

Anlage zur Herstellung von HVOF-Spritzschichten bei der rhv-Technik

 

Zu Projektbeginn konnten die maßgebenden Einflussgrößen und Parameterzusammenhänge für die Erzeugung einer definierten, porenfreien Schichtstruktur eingegrenzt werden. Unter Berücksichtigung der Beanspruchungseigenschaften waren Reibversuche eine zentrale Prüfvorgabe. Ein Reibversuchsprüfstand wurde eingerichtet, der die Erfassung der Reibkräfte bei Spindelbewegungen, sowie die Ermittlung der Abdichteigenschaften der Dichtelemente mess- und prüftechnisch sicherstellt. Versuche mit einem Temperaturverlauf bis 400 °C und Leckageversuche mit einem maximalen Innendruck von 200 bar konnten mit diesem Aufbau durchgeführt werden.

Für eine umfassende Bewertung der Versuche wurden folgende Kriterien ausgewählt:

  • Auswahl des Packungswerkstoffes
    Voraussetzung für die richtige Funktion einer Stopfbuchsverbindung sind die bekannten Belastungen und die Auswahl von geeigneten Packungsringen. Es wurde eine Packungswerkstoff festgelegt, der in der Industrie einen großen Anwendungsbereich abdeckt, wie Graphitpackungen.
  • Experimentelle Ermittlung von Leckage-Raten
    Die Dichtheitsprüfung an Armaturenabdichtungen ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, mit dem die Spindeln auf Dichtheit gegenüber gasförmigen oder flüssigen Medien getestet werden. Zahlreiche Versuche wurden erstellt. Die dabei ermittelten Leckageraten sind für eine spätere Gesamtbeurteilung der Ergebnisse entscheidend.
  • Thermische Beanspruchung des Stopfbuchsraumes
    Der Flächenpressungsverlauf während der Aufheizphase war von besonderem Interesse. Bei Erhöhung der Temperatur können sich Unebenheiten an der Packung einglätten und sich besser an die Spindel anlegen. Wärmeausdehnungsbeiwerte von Gehäuse und Spindel haben einen Einfluss auf die radiale Pressung der Packung und damit einen direkten Einfluss auf die axiale Flächenpressung.
  • Reibbeanspruchung im Packungsraum
    Alle verwendeten Armaturenspindeln wurden zur Überprüfung der Reibbeanspruchung mit der gleichen Anzahl an Spindelhubzyklen geprüft.
  • Ermittlung der Reibwerte
    In einem tribologischen System wird den Reibwerten eine besondere Bedeutung beigemessen. Reibung und Verschleiß hängen von vielfältigen Einflussfaktoren ab. Die Minimierung des Unterschiedes zwischen Haft- und Gleitreibung wurde ebenfalls angestrebt. Die durchgeführten Versuche verdeutlichten, dass die Kontaktgeometrie, die Umgebungsbedingungen, der Packungswerkstoff, beziehungsweise die Materialpaarungen und Werkstoffzusammensetzungen die tribologischen Ergebnisse stark beeinflussen. Darüber hinaus wirkten sich die Beanspruchungsparameter wie Spindelhubgeschwindigkeit, Flächenpressung, Temperatur und Umgebungsfeuchte aus.

Die Untersuchung des Schichtgefüges, die Ermittlung von Rundlaufeigenschaften an Spindeln, der Massenverluste an den Packungen während des Verschleißversuchs und der Nachweis von Porosität mittels Farbeindringverfahren waren weitere Versuchskriterien.

Der zweite Schritt der Schichtentwicklung lag in der Erarbeitung der material- und prozessabhängigen Voraussetzungen für die Schichtbildung. Diese wurden definiert durch die Ermittlung der Schichtzusammensetzung, der Brenngaszusammensetzung, der verwendeten Pulvermorphologie und der daraus resultierenden Härteprüfung.

Um bestmögliche Voraussetzungen für einen homogenen Auftrag sowie optimale Anhaftung der HVOF-Schichten zu schaffen, wurden die Spindeln vorbehandelt. Ebenso wurden verschiedene Nachbearbeitungsverfahren durchgeführt, um definierte Oberflächenqualitäten zu erzeugen. Durch Rundschleifen konnten sehr glatte Oberflächen (Ra 0,2 µm) erreicht werden.

Harte Karbidspitzen beeinflussen trotzdem das Reibverhalten, bei dem ein hoher abrasiver Verschleiß der Graphitpackungen festgestellt wurde. Nach mehreren Reibzyklen veränderte sich die Oberflächenqualität und war durch eine weitestgehend optimierte Mikrotopographie gekennzeichnet, die sich sowohl in einem geringeren Verschleiß als auch einer deutlich reduzierten Leckagerate äußerte.

Alternative Nachbehandlungsmöglichkeiten waren Rollieren von Spindeloberflächen, elektrolytisches Plasmapolieren oder Laserstrukturieren, die im Zusammenhang mit der Graphitpackung unterschiedlichste Verschleiß- und Leckageergebnisse erzielten.

Die von der rhv-Technik entwickelten HVOF-Beschichtungen und deren Analyse durch das MPA führten zu einem weit über den derzeitigen technologischen Stand hinausreichenden Erkenntnisgewinn. So konnten im Ergebnis des Vorhabens die Parameterzusammenhänge bezüglich Materialzusammensetzung und Prozessführung identifiziert sowie die optimalen Setups herausgearbeitet werden.

Auf dieser Basis konnten Spindeln mit optimaler Beschichtungsqualität entwickelt werden, deren mechanische Nachbearbeitung zwingend erforderlich ist, jedoch sicherstellt, dass die Zielparameter reproduzierbar umgesetzt werden können.

In weiterführenden Versuchsreihen wurde das Zusammenwirken optimal beschichteter Spindeln mit Dichtungspackungen aus unterschiedlichen Werkstoffen untersucht. Alle getesteten Kombinationen der Muster mit unterschiedlichen Armaturendichtsätzen (PTFE-Faser, Graphit/ PTFE-Kombifaser, Reingrafit-Folienringen) zeigten positive Resultate, bei denen die Leckageraten sogar geringer als in der TA-Luft gefordert ausfielen.

Fazit

Die technischen Zielkriterien konnten erreicht werden. Den Spindeln mit der neu entwickelten HVOF-Beschichtung konnten beste Voraussetzungen für die sichere Erfüllung der Stell- und Dichtaufgaben innerhalb einer Armatur attestiert werden. Zum Abschluss lag ein HVOF-Schichtsystem vor, mit dem Spindelbeschichtungen erzeugt werden können, die eine deutlich verringerte innere Porosität und sehr gute Oberflächeneigenschaften mitbringen.

Kontakt


Text zum Titelbild: Mittels HVOF beschichtete Bauteile
 

Schleifen eines beschichteten Bauteils

Video(s) zum Thema

Werbepartner

Links zu diesem Artikel

Aus- und Weiterbildung