Metallvorbereitungsverfahren – Sandstrahlen

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Bei der Sandstrahlung wird mithilfe eines Strahls komprimierter Luft oder durch Schwerkraft Sand mit einer bestimmten Korngröße und hoher kinetischer Energie auf die Oberfläche des Metallsubstrats geschleudert. Durch den Aufprall und das Schneiden dieser Sandkörner wird die Metalloberfläche rauer und gereinigt. Als am häufigsten und effektivsten Verfahren zur Rauhmachung von Oberflächen verbessert die Sandstrahlung die Haftung der Beschichtung an der Untergrundoberfläche auf folgende Weise: 1.1 Erhöhung der Haftfläche Durch das Sandstrahlen entstehen auf der Untergrundoberfläche größere Erhebungen und Vertiefungen. Dadurch wird die Haftfläche zwischen der Beschichtung und dem Untergrund erheblich vergrößert, wodurch auch die Haftkraft zwischen Beschichtung und Untergrund gesteigert wird ； 1.2 Spannungen an der Trennfläche: Durch das Sandstrahlen der Unterlage entstehen Restdrücke. Diese Drücke können einerseits die Zugspannungen im Metall selbst ausgleichen. Andererseits sorgen sie dafür, dass sich die Spannungen auf der Oberfläche der Unterlage gleichmäßiger verteilen. Dadurch kann die Entstehung sowie weitere Ausbreitung von Rissen in der Beschichtung effektiv verhindert werden – was wiederum die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung erhöht ； 1.3 Weitere Reinigung und Aktivierung der Oberfläche des Trägermetalls: Nach mehr als 100 Jahren Entwicklung hat sich die Sandstrahltechnologie stark weiterentwickelt und findet zunehmend Anwendung in verschiedenen technischen Bereichen. Die Sandstrahlung wird aufgrund ihrer geringen Kosten und hohen Effizienz in großem Umfang zur Rauhmachung von Untergründen eingesetzt, insbesondere bei der Rauhmachung großer Werkstücke. Studien haben gezeigt, dass das Sandstrahlen die Haftfestigkeit von Beschichtungen und Klebstoffen an dem Trägermaterial erheblich verbessern kann. Doch auch die Sandstrahlverfahren weisen gewisse Probleme auf: Während des Sandstrahlvorgangs können Sandkörner an der Oberfläche des Substrats zurückbleiben, was die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat negativ beeinflusst. Eine Erhöhung des Drucks sowie der Korngröße innerhalb eines bestimmten Bereichs kann die Rauheit der Oberfläche des Substrats erhöhen, wodurch die Haftung der Beschichtung verbessert wird. Allerdings führt dies zu einer höheren Menge an verbleibenden Sandkörnern; daher muss ein geeigneter Druck sowie eine passende Korngröße gewählt werden. Der Sandstrahlwinkel hat einen großen Einfluss auf die Rauheit der Oberfläche des Substrats sowie auf die Rückstände nach dem Sandstrahlen; daher muss ein geeigneter Bereich festgelegt werden. Wenn Winkel und Druck des Sandstrahlens konstant gehalten werden, kann eine Erhöhung der Sandstrahlentfernung innerhalb eines bestimmten Bereichs die Haftung der Beschichtung am Trägermaterial verbessern. Bei zu großer Entfernung nimmt hingegen die Haftung der Beschichtung ab. Deshalb führt eine angemessene Erhöhung der Entfernung dazu, dass die Körner genügend Zeit zur Beschleunigung haben und somit bei der Berührung mit der Oberfläche des Substrats über ausreichende kinetische Energie verfügen. Wenn die Sprühentfernung jedoch zu groß ist, nimmt aufgrund des Luftwiderstands die kinetische Energie der Körner während ihrer Bewegung ab. Dadurch haben sie bei der Berührung mit dem Substrat weniger kinetische Energie – was wiederum zu einer Verringerung der Rauheit der behandelten Oberfläche führt. Wissenschaftler aus dem In- und Ausland haben umfangreiche Forschungen zur Sandstrahlbehandlungstechnik durchgeführt. Dabei wurden Eigenschaften der Sandkörner wie deren Art und Größe untersucht, sowie Prozessparameter wie die Strahlentfernung, der Strahlungsdruck und der Strahlwinkel. Ebenso wurden die Auswirkungen der Eigenschaften des Substratmaterials auf die Morphologie des Substrats sowie auf die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Beschichtung betrachtet. Wei Min und Kollegen nutzten Partikel aus CaCO3, braunem Korund sowie Quarzsand zur Sandstrahlung von 45-Stahl sowie der Panzeraluminiumlegierung vom Typ 7A52. Dabei wurden die Veränderungen in der Oberflächenstruktur sowie der Rauheit der Werkstücke nach der Sandstrahlung untersucht. Experimente zeigen, dass nach dem Sandstrahlen mit CaCO3 die Oberflächenrauhigkeit des Substrats geringer ist, während sie nach dem Sandstrahlen mit Braunkorund höher ist. Die Oberflächenrauhigkeit nach dem Sandstrahlen mit einer Mischung aus verschiedenen Schleifmitteln liegt dazwischen. Durch unterschiedliche Mischverhältnisse kann eine kontinuierliche Rauheit erzielt werden. Mellaili et al. untersuchten den Einfluss des Sandstrahlvorbereitungsverfahrens auf die Oberflächenrauheit sowie auf die Rückstände von Sandkörnern an Oberflächen aus Gusseisen, Aluminiumlegierungen und Hochleistungsstählen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Korngröße des Sands den größten Einfluss auf die Rauheit hat. Eine Erhöhung des Sandstrahldrucks kann die Oberflächenrauheit des Substrats bis zu einem gewissen Grad erhöhen, führt aber zu einer Zunahme der verbleibenden Sandkörner. Bahbou et al. untersuchten den Einfluss des Sandstrahlwinkels auf die Rauheit der Substratoberfläche sowie auf die Rückstände nach dem Sandstrahlen. Studien zeigen, dass bei einem Winkel von 75° zwischen Richtung der Sandstrahlung und der Oberfläche des Substrats mehr Sandkörner auf der Oberfläche des Substrats zurückbleiben. Wang untersuchte den Einfluss der Sandstrahlintensität auf die Morphologie und Eigenschaften der Mikro-Plattierungsschicht auf der Eisenoberfläche. Zudem wurde untersucht, wie sich die Sandstrahlzeit auf die Rauheit der Eisenoberfläche sowie auf die Rückstände nach dem Sandstrahlen auswirkt. Die Experimente zeigten, dass bei einer Sandstrahlzeit von 15 s auf der Eisenoberfläche nur geringe Anzahl an wellenförmigen, rauen Strukturen vorhanden waren; keine Rückstände des Sandstrahlens wurden festgestellt ； Wenn die Zeit auf 30 Sekunden erhöht wird, erscheinen auf der Titanoberfläche zahlreiche wellenförmige Unregelmäßigkeiten sowie Rillen. Die in diesen wellenförmigen Strukturen eingebetteten Sandkörner nehmen allmählich zu. Wenn die Zeit weiter zunimmt, verändern sich die Unregelmäßigkeiten im Grunde nicht mehr, während die Menge an Sandkörnern weiter zunimmt. Liao Menghao führte das Sandstrahlen von verschiedenen Substraten wie Stahl, Titan und Aluminium mit Sandkörnern unterschiedlicher Korngröße durch, untersuchte die durch das Sandstrahlen verursachte Verschmutzung der Metalloberflächen und erörterte die Mechanismen für das Verbleiben der Sandkörner. Versuche zeigten, dass die Größe der verbleibenden Partikel deutlich kleiner ist als die Korngröße des Sandes zur Spritzbeschichtung. Dies deutet darauf hin, dass das Zerbrechen der Sandkörner beim Aufprall auf das Substrat die Hauptursache für das Verbleiben dieser Partikel ist. Li Qinfeng untersuchte die Faktoren, die die Effizienz des Sandstrahlens beeinflussen. Er stellte fest, dass der Sandstrahlungsdruck direkt proportional zur Reinigungsleistung ist – im Prinzip gilt: Je höher der Druck, desto besser die Reinigungsleistung. Allerdings führt ein zu hoher Druck dazu, dass die Sandkörner beschädigt werden und es zu mehr Rückständen durch das Sandstrahlen kommt. Daher ist ein Druck von etwa 0,7 MPa am geeignetsten. In der Regel wird der Druck zwischen 0,55 und 0,75 MPa gehalten. Daher sollte bei der Verwendung von Sandstrahlung als Vorbehandlungsmethode für Untergründe die geeigneten Sandkörner, der Sandstrahlwinkel, die Strahlzeit sowie der Strahldruck in Abhängigkeit von der Härte des Untergrunds gewählt werden, um Auswirkungen des Sandstrahlungsrests auf die Haftfestigkeit der Beschichtung so weit wie möglich zu vermeiden. In den letzten Jahren haben einige Wissenschaftler auch Sandkörner kleinerer Größe zur Sandstrahlung verwendet und anschließend die Oberfläche des Substrats mit Säure behandelt. Dadurch konnten nicht nur die geringen Rückstände der Sandstrahlung von der Oberfläche entfernt werden, sondern auch die Oberflächenrauhigkeit erhöht sowie eine gleichmäßige mikro- und nanoskalige Struktur erzielt werden. So entstand eine geeignete Oberflächenrauhigkeit sowie eine ausreichende Haftfestigkeit der Beschichtung. Das Schleifen, Gravieren, Säubern mit Säuren, Passivieren sowie Sandstrahlen der Metalloberfläche können dazu dienen, die Oberfläche zu reinigen und ihre Rauheit zu erhöhen. Jede dieser Vorbereitungsverfahren hat jedoch seine eigenen Nachteile. Allein angewandt, erzielt man keine perfekten Ergebnisse. Eine Kombination verschiedener Vorbereitungsverfahren könnte daher eine effektive Lösung sein. Obwohl eine Vergröberung der Oberfläche des Substrats die Haftfestigkeit der Beschichtung verbessern kann, besteht zwischen der Rauheit und der Haftfestigkeit der Beschichtung nicht immer eine positive Korrelation. Wenn die Rauheit zu groß ist – insbesondere wenn die raue Struktur ungleichmäßig ist – führt das zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Beschichtungstiefe. Dadurch wird die Haftkraft wiederum verringert ； Gleichzeitig entstehen Spannungsrisse in der Beschichtung, was die Schutzwirkung der Beschichtung gegen korrosive Substanzen verringert. Außerdem kann eine zu hohe Rauheit dazu führen, dass die Dicke der Beschichtung an den Wellenkämmen unter den vorgeschriebenen Werten liegt. Dadurch versagt die Beschichtung früher. In den tiefen und schmalen Wellentälern können sich außerdem Blasen bilden, was wiederum zu Blasenbildung in der Beschichtung führt und deren Schutzfunktion beeinträchtigt. Andererseits unterscheiden sich je nach Spritzverfahren die Regeln, nach denen die Rauheit der Substratoberfläche die Haftung der Beschichtung beeinflusst. Als Beispiele für die Schichtaufbringung durch Lichtbogenbeschichtung und Plasmabeschichtung: Innerhalb eines bestimmten Bereichs gilt, dass je größer die Rauheit ist, desto geringer ist die Haftkraft der bei der Plasmabeschichtung entstehenden Schicht. Bei der Lichtbogenbeschichtung hingegen ist die Haftkraft der Schicht umso größer. Daher ist es notwendig, auf der Grundlage von Experimenten die optimalen Rauheitswerte für verschiedene Konstruktionsanforderungen, verschiedene Beschichtungssysteme sowie verschiedene Sprühverfahren zu bestimmen.