Vanadium vs. Chrom in thermischen Spritzbeschichtungen

Einführung

Thermisch gespritzte Beschichtungssysteme schützen Bauteile vor Korrosion und Verschleiß. Vanadium und Chrom sind die Hauptbestandteile solcher Beschichtungen. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften, die ihr Verhalten unter extremen Bedingungen beeinflussen. In diesem Artikel gehen wir darauf ein, wie sich Vanadium von Chrom unterscheidet.

Überblick über die Materialeigenschaften

Vanadium ist ein duktiles, leichtes Metall. Es hat eine Dichte von etwa 6,0 Gramm pro Kubikzentimeter und damit eine geringere als die von Chrom mit etwa 7,2 Gramm pro Kubikzentimeter. Vanadium schmilzt bei etwa 1910°C. Das Metall weist eine gute Mischung aus Festigkeit und Zähigkeit auf. Sein Gefüge sorgt in den meisten Fällen für harte Schichten mit einer gewissen Duktilität.

Chrom hat einen Schmelzpunkt von etwa 1907°C. Chrom ist ein extrem hartes, korrosionsbeständiges Metall. Sein Oxid bildet eine Schutzschicht, die verhindert, dass Metalloberflächen weiter korrodieren. Beim thermischen Spritzen erzeugt Chrom Schichten, die langlebig und robust sind. Sein Anwendungsverhalten bei hohen Temperaturen ist sehr zuverlässig.

Aus verschiedenen Studien geht hervor, dass Vanadium als Ausgangsstoff für das thermische Spritzen eher zu verschleißfesten Schichten mit geringerer Dichte führen würde. Chromschichten hingegen sind etwas dicker und weisen eine extrem glatte und gleichmäßige Struktur auf. Dies ist entscheidend für die Entscheidung, welches Material für eine bestimmte industrielle Anwendung am besten geeignet ist.

Thermisches Spritzen - Überlegungen zur Verarbeitung

Beim thermischen Spritzen wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial geschmolzen und auf eine Oberfläche geblasen. Dabei sind die physikalischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials von Bedeutung. Vanadiumpartikel lassen sich in einigen Systemen leichter schmelzen. Sie sind weniger anfällig für vorzeitige Oxidation. Man sollte jedoch darauf achten, die Flammentemperatur nicht zu hoch anzusetzen.

Chrompulver müssen ebenfalls sorgfältig kontrolliert werden. Sie neigen eher dazu, eine Oxidschicht zu bilden, bevor sie das Substrat erreichen. Diese Oxidschicht kann je nach den Prozessparametern die Haftung der Beschichtung fördern oder verhindern. Die Bediener passen häufig die Partikelgröße und die kinetische Energie an, um die Qualität der Beschichtung für beide Metalle zu verbessern.

Die Temperaturregelung und der Sprühabstand sind wichtige Faktoren. In der Praxis verwenden die Techniker Prozessbedingungen, die eine optimale Temperatur aufrechterhalten. Sie verwenden kalibrierte Gasströme und Partikelgeschwindigkeiten. Eine Flammentemperatur von etwa 2500 °C und ein kontrollierter Sprühabstand können beispielsweise dazu beitragen, eine gleichmäßige Beschichtung mit weniger Oxiden in beiden Metallen zu erzeugen. Diese Faktoren tragen dazu bei, dass die Leistung der Beschichtung bei ihrer Inbetriebnahme besser vorhersehbar ist.

Leistungsvergleich

Vanadium und Chrom haben beide ihre eigenen Vorteile, wenn sie beim thermischen Spritzen verwendet werden. Vanadium-Beschichtungen sind in der Regel gut gegen Verschleiß geschützt. Sie eignen sich gut für Anwendungen, bei denen die Oberfläche mit Erosion durch Partikel oder Flüssigkeitsspritzer in Berührung kommt. In Labortests hat sich gezeigt, dass Vanadiumbeschichtungen den Verschleiß im Vergleich zu unbeschichteten Oberflächen um bis zu 20 % verringern.

Chrombeschichtungen bieten oft eine bessere Korrosionsbeständigkeit und werden bevorzugt dort eingesetzt, wo Feuchtigkeit und aggressive Chemikalien das Substrat zerstören. Chrombeschichtungen bewähren sich bei Komponenten in Industrieöfen oder bei Schiffsbeschlägen. Leistungstests zeigen, dass die schützende Oxidschicht des Chroms die Korrosionsraten unter schwierigen Bedingungen um bis zu 30 Prozent senken kann.

Die relative Leistung der Beschichtungen hängt vom Substrat und der Umgebung ab. Bei hoher Reibung kann Vanadium eine geringere thermische Belastung bieten. Für die chemische Beständigkeit bei langfristiger Einwirkung von Säuren ist Chrom nach wie vor eine sehr gute Wahl. Mit dem Wissen über die Leistung der einzelnen Metalle kann man eine praktische Wahl treffen.

Industrielle Anwendungen

Die Industrie wählt diese Metalle aufgrund der Probleme, mit denen sie täglich konfrontiert ist. Vanadiumbeschichtungen werden häufig in Branchen eingesetzt, in denen Verschleiß das Hauptproblem ist. So werden zum Beispiel Teile von Hydraulikturbinen, Schneidwerkzeuge und Geräte mit hohem Verschleiß häufig mit Vanadium-Beschichtungen durch thermisches Spritzen versehen. Bei Bauteilen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie kommt es vor allem auf ein geringes Gewicht und eine akzeptable Verschleißfestigkeit an.

Chrombeschichtungen finden überall dort Anwendung, wo korrosive Umgebungen anzutreffen sind. Zu den typischen Anwendungen gehören Teile für chemische Anlagen, Schiffsteile und Ofenteile bei hohen Temperaturen. In den meisten Fällen verbessert die Bildung einer stabilen Oxidschicht aus Chrom die Lebensdauer des Teils in aggressiven Umgebungen. Beide Metalle werden auch in Turbinenschaufeln und Industriekompressoren verwendet, wo es auf Zuverlässigkeit ankommt.

Ingenieure und Techniker verweisen auf Fallstudien, in denen Vanadiumbeschichtungen die Ausfallzeiten aufgrund von abrasivem Verschleiß verringern. Bei ähnlichen Anwendungen haben Chrombeschichtungen durch ihre Korrosionsbeständigkeit die Wartungskosten gesenkt. Diese detaillierten Erkenntnisse aus vielen praktischen Anwendungen haben es der Industrie ermöglicht, die Materialeigenschaften an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.

Vergleichstabelle

Weitere Informationen finden Sie beiStanford Advanced Materials (SAM).

Schlussfolgerung

Sowohl Chrom als auch Vanadium verleihen thermisch gespritzten Beschichtungssystemen positive Eigenschaften. Vanadium ist ein Leichtmetall mit hervorragender Verschleißfestigkeit, das sich gut für mechanische Komponenten und zur Verringerung der Reibung eignet. Chrom hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine glatte, harte Oberfläche. Ihre Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung und der Umgebung ab.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist ein Vorteil von Vanadiumbeschichtungen?

F: Sie bieten eine hervorragende Verschleißfestigkeit in abrasiven Umgebungen.

F: Wie wirkt sich Chrom in korrosiven Umgebungen aus?

F: Es bildet eine schützende Oxidschicht, die die Korrosion verringert.

F: In welchen Branchen werden diese thermischen Spritzschichten üblicherweise verwendet?

F: Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und die chemische Verarbeitung verwenden diese Beschichtungen.