PINNOITTEET YLEISESTI JA TERMINEN RUISKUTUS PINNOITTEET TERMISEN RUISKUPINNOITUKSEN

PINNOITTEET YLEISESTI JA TERMINEN RUISKUTUS PINNOITTEET TERMISEN RUISKUPINNOITUKSEN PERUSTEET KAIKILLE MENETELMILLE Esa Törmälä Pinnoiteet, 1

Yleistietoa pinnoittamisesta ja pinnoitusmenetelmistä MIKSI PINNOITTAA ? Materiaalien pinnoitus on erittäin laaja alue, johon sisältyy lukuisia eri menetelmiä maalauksesta hitsaukseen ja materiaaleja keraameista polymeereihin. Tavoite on kuitenkin kaikissa sama eli MUUTETAAN PINNAN OMINAISUUKSIA HALUTTUUN SUUNTAAN. Saavutetaanko pinnoituksella haluttu vaikutus riippuu kaikista pinnoitukseen liittyvistä osatekijöistä. On tunnettava kohteen olosuhteet, ongelma, haluttu vaikutus, pinnoitevaihtoehdot ja pinnoitus-menetelmät. Samalla on oltava käytössä kunnossa olevat pinnoituslaitteet, osaava henkilöstö ja luotettavasti toimiva laadunvalvonta tuotannolle. Vaikka kaikki tekijät hallittaisiin on pinnoitetun tuotteen käyttäjän tunnettava pinnoitteensa ominaisuudet, jotta pinnoite ei tarpeettomasti vahingoittuisi käytössä. Vasta koko ketjun ammattitaitoisella toiminnalla saadaan pinnoitteen kaikki ominaisuudet käyttöön ! Pinnoiteet, 2

MIKSI PINNOITTAA ? Pinnoittamisen syyt voidaan ryhmitellä seuraavasti (O. Forsen): • Perusmetalin korroosionesto eli suojaaminen ympäristön syövyttäviltä vaikutuksilta kuten – » ulkonäköön säilyttämistä, – » hapettumista, – » tahraantumista • tuotteen ulkonäön korostaminen • tiettyjen fysikaalisten erityisominaisuuksien aikaansaaminen kuten – – » pintakovuuden lisääminen » kulutuksen kesto ja repeilyn esto » juotosominaisuuksien parantaminen » pintakerroksen sähkön- tai lämmönjohtavuuden – parantaminen – » tartuntakerroksen aikaansaaminen Pinnoiteet, 3

MIKSI PINNOITTAA (2) ? Pinnoittamisen syyt voidaan ryhmitellä seuraavasti: Jatkuu. . • materiaalin tekeminen tiettyyn prosessiin tai käsittelyyn sopivaksi tai hygieniseksi • korjaus-, huolto- tai kunnossapitokysymysten takia • taloudellisuuden takia (hinta, saatavuus) • tilapäissuojan aikaansaamiseksi • erikoistekniikan tarpeet, kuten elektroniikan piiritekniikka Pinnoiteet, 4

KULUMINEN (1/2) Kuluminen on materiaalin irtoamista kuluvalta pinnalta eri mekanismien välityksellä. Tästä seuraa painohäviöitä, mittaja muodonmuutoksia ja pinnan laadun turmeltumista. Kulumisessa voidaan erottaa kolme päätyyppiä, jotka aiheuttavat materiaaleille erilaisia vaatimuksia: A. Adhesiivinen kuluminen Kahden vastakkain painetun ja toistensa suhteen liikkuvan metallipinnan kulumista. Mekanismina on epätasaisuuksien hitsautuminen toisiinsa, syntyvän liitoksen murtuminen ja materiaalin siirtyminen pinnasta toiseen Adhesiivisen kulumisen minimointi edellyttää kulumiseen osallistuvilta materiaaleilta: – Hyvää pinnanlaatua (vaaditaan hyvää koneistettavuutta) – Korkeaa pintakovuutta – Materiaalien matalaa liukoisuutta toisiinsa – Materiaalien toisistaan poikkeavaa kiderakennetta – Vähäistä lujittumistaipumusta muokkauksen ansiosta Lisäksi vaaditaan pientä pintapainetta (ei materiaaliominaisuus!). Pinnoiteet, 5

KULUMINEN (2/2) B. Abrasiivinen kuluminen Aiheutuu pintaan tunkeutuvista kovista partikkeleista, jotka irrottavat materiaalia lähinnä lastuavan työstön mekanismilla (kuva alla): • Hiekkapaperi • Kaivinkoneen kauhakynnet • Kivimurskainleuat Abrasiivisen kulumisen minimointi edellyttää materiaaleilta: • Korkeaa pintakovuutta (kovempi kuin abrasiivipartikkelit) • Kuumalujuutta • Muokkauslujittumiskykyä lujuus ja kovuus kasvavat • Työstökarkenevuutta muokkauksen ansiosta C. Eroosiokuluminen Aiheutuu neste- tai kaasuvirrassa liikkuvien partikkelien iskeytymisestä kuluvaa pintaa vasten. Materiaalin irtoaminen tapahtuu: • Kyntämisen • Lastuamisen • Murtumisen kautta Eroosiokulumisen minimointi edellyttää materiaaleilta ja kulumistilanteelta: • Kovuutta ja samanaikaista sitkeyttä • Partikkelien törmäyskulman muuttamista materiaaliominaisuuksien mukaan • Partikkelikoon ja -nopeuden sekä partikkelikovuuden pienentämistä (energia ½mv²) • mahdollisesti pehmeiden ja palautuvasti muotoaan muuttavien Pinnoiteet, pinnoitteiden (esim. kumi) käyttöä 6

KULUMISMEKANISMEJA Pinnoiteet, 7

Termisen ruiskutuksen yleiset periaatteet Pinnoitusprosessissa lisäaine kuumennetaan ja kiihdytetään suureen nopeuteen. Ennen kuin pinnoitepisara ehtii jähmettyä se osuu pinnoitettavaan kappaleeseen ja jää kiinni. Yksinkertaistettuna lanka tai jauhe sulatetaan, sille annetaan suuri vauhti, suojataan pisaraa matkalla ja lopuksi liike-energia litistää pisaran pintaa vasten. Kuva 1. Hyvin paljon yksinkertaistettu pinnoitus tapahtuman periaatekuva sulatuslämpö lisäaine vauhti Kuvat Gordon England kotisivulta suoja tai hapettuminen jäähtyminen jähmettyminen tartunta muotoutuminen Pinnoiteet, 8

Termisen ruiskutuksen prosessit (1) Liekkiruiskutus: Jauhe: poltetaan happea ja asetyleeniä polttimessa, johon syötetään pinnoitettava materiaali. Pinnoitettava materiaali sulaa ja sinkoutuu palokaasun avulla pinnoitettavalle kappaleelle. Lankaruiskutuksessa ainoa ero on, että lisäaine on lankana, muuten prosessi on sama. Liekkiruiskutettu pronssi Kaariruiskutus: Sulatetaan kahta johtavaa metallilankaa valokaarella (1, 6 – 3, 2 mm, 20 -40 V, 20 -2000 A). Sula metalli atomisoidaan kaasupuhalluksella ja suihkutetaan kappaleen pintaan. 13 % Cr teräs Plasmaruiskutus: Plasmaruiskutuksella voidaan sulattaa kaikki tunnetut jauhemaiset pinnoitemateriaalit: metallit, muovit ja keraamit. Plasmapistoolissa sytytetään kaasun avulla (jatkuu) Pinnoiteet, 9

Termisen ruiskutuksen prosessit (2) (jatkoa) sähköä johtava valokaari anodin ja katodin välille. Kaasu kuumene valokaaressa yli 12 000 ºC: n lämpötilaan. Plasmaliekkiin syötetään pinnoitejauhe, joka sulaa ja saa suuren liike-energian. Sulapartikkelit iskeytyvät pintaan muodostaen 0, 1 – 1, 0 mm paksun pinnoitteen. Pinnoitus voidaan suorittaa ilmaatmosfäärissä, matalapaineessa tai tyhjiössä. Plasma 88/12 WC/Co HVOF, suurnopeusliekkiruiskutus Polttokammiossa poltetaan hapen ja polttoaineen seosta, joka virtaa suurella nopeudella ulos. Kuuma kaasu sulattaa ja kiihdyttää jauhepartikkelit suureen nopeuteen. Sulassa tilassa olevat partikkelit iskeytyvät kappaleen pintaan ja saavat aikaan tiiviin, lähes oksidittoman ja hyvin alustassaan kiinni olevan pinnoitteen. HVOF 88/12 WC/Co Pinnoiteet, 10

Liekkiruiskutus jauheella ja langalla sekä kaariruiskutus, periaate Liekkiruiskutus, jauhe Liekkiruiskutus, lanka Kaariruiskutus Pinnoiteet, 11

Plasma-, HVOF- ja detonaatioruiskutus, periaate Plasmaruiskutus HVOF -ruiskutus Detonaatioruiskutus Pinnoiteet, 12

Pinnoitepisaran osuminen pintaan, muotoutuminen ja jännitykset tummat huokosia ja oksidikalvoja pinnoitteessa Pinnoiteet, 13

Pinnoitustapahtuma ja pinnoitteen käyttökohteita suihkumoottorissa Pinnoiteet, 14

Pinnoitettavien pintojen esikäsittelyn perusteet Esikäsittely ennen pinnoitusta on erittäin tärkeä vaihe pinnoituksen onnistumisen kannalta. Ennen pinnoitusta huomioitava seuraavat asiat: 1. Pinnoitettavan alueen muodon tulee olla sopiva käytetylle menetelmälle ja pinnoitteelle (pyöristykset, nurkat, koko jne) 2. Rasvat ja epäpuhtaudet on poistettava huolellisesti 3. Pinnassa on oltava haluttu pinnankarheus ja pinnan profiili (sileä/karkea, jouheva/piikikäs) 4. Metallisesta pinnasta on poistettu oksidikerros eli se on aktiivisessa tilassa 5. Pinnan lämpötila on riittävästi yli kastepisteen (ainakin 3 – 5 ºC yli) 6. Pinnalta on poistettu irtonainen pöly 7. Riittävällä savunpoistolla varmistetaan, ettei pinnoituksen aikana pinnalle keräänny haitallista pölykerrosta Pinnoiteet, 15

Pinnoitteiden käyttötarkoituksia Metallipinnoitteiden käyttötarkoitus voidaan ryhmitellä seuraavasti – – – korroosionesto kulutus liuku- ja kulutuspinnoite tartuntapohja korjaus Rajoituksia pinnoitteiden käytölle – – Valmistusteknisiä rajoituksia pinnan laatu huollettavuus ja korjattavuus taloudelliset tekijät ja saatavuus Pinnoiteet, 16

Perusmetallin vaikutus • Jotkut metallit tai metalliseokset ovat vaikeita pinnoittaa – Magnesiumi liukenee helposti useimpiin pinnoituskylpyihin – Alumiini tarvitsee erityiset esikäsittelymenetelmät ja erityisen esivalmistelun – Sintrattu materiaali on usein huokoinen – Valutavaralla täytyy olla tiivis pintarakenne – Kovilla teräksillä, jotka sisältävät Cr, Mo, W, Ti, on taipumus vetyhaurauteen • Valurauta on usein huokoinen, mutta voi pinnoittaa jos fosforipitoisuus on alhainen. • Painevalusinkki: • • • pinnoittamisen kannalta pinnan on oltava huokoseton ei rakkuloita ei halkeamia ei kylmäjuoksuja ei kovia sulkemia • Alumiini vaikea metalli pinnoittaa Pinnoiteet, 17

Laitekuvia Pinnoiteet, 18

Pinnoitukseen vaikuttavia tekijöitä, liite 1 3 vaihetta: 1. 2. 3. Termisen/kineettisen energian synnyttäminen Energian vaikutus pinnoitemateriaaliin Pinnoitepartikkelien ja perusaineen väliset reaktiot 4. Pistooli: suuttimen geometria, teho, kaasuvirtaukset, kaasun 5. koostumus 6. Lisäaineen syöttö: jauheen muoto ja koko, langan halkaisija; 7. 8. syöttönopeus; syöttötapa ja geometria; kantokaasu, virtaus ja nopeus; kemialliset ja fyysiset ominaisuudet 9. Suihku: koostumus, lämpötila, nopeus, ruiskutusetäisyys, ympä 10. tön olosuhteet, pyörteet 11. Perusaine: pinnan kontaminaatio, pinnan profiili, lämpötila, 12. kemialliset ja fyysiset ominaisuudet, pistoolin suhteellinen nopeus Pinnoiteet, 19