Metallipinnoituksessa käytetään erilaisia termisen pinnoituksen - termisen ruiskutuksen - menetelmiä.
Terminen ruiskutus tarkoittaa menetelmiä, joiden avulla pinnoitetaan kappaleita: pinnoitettavat kohteet voivat olla eri materiaaleista valmistettuja ja pinnoitevaihtoehdoista valitaan kohteeseen ja käyttötarkoitukseen sopiva pinnoite. Pinnoitteella voidaan vaikuttaa kappaleen korroosion- tai kulumisenestoon, niillä voidaan lisätä tai vähentää kitkaa tai niillä muutetaan kappaleen sähköneristys-, sähkönjohtavuus- tai lämmöneristysominaisuuksia. Pinnoitusta käytetään myös esimerkiksi kuluneiden osien täyttöön tai väärinkoneistettujen osien korjaamiseen. Pinnoitemateriaaleina käytetään metalleja, muoveja, keraameja tai niiden yhdistelmiä. Pinnoitemenetelmän vaatimusten mukaan pinnoiteaineet ovat joko jauhemaisia tai lankaa.
Pinnoitteen ominaisuudet vaihtelevat paitsi pinnoitemateriaalin mukaan myös pinnoitteen paksuuden ja kovuuden mukaan: pehmeän pinnoitteen paksuus voi olla useita millimetrejä – kovimpien pinnoitteiden paksuudet enimmillään 500…600 µm.
Terminen pinnoitusmenetelmä on kylmäpinnoitusmenetelmä: pinnoitettavan kohteen lämpötila ei pinnoitusprosessin aikana tavallisesti nouse 150…200 Celcius-astetta korkeammaksi – pinnoitettavaan kappaleeseen ei synny muodon- ja aineenmuutoksia.
Ennen pinnoitusta pinnoitettava kappale puhdistetaan ja pinta karheutetaan, jotta pinnoite tarttuu mahdollisimman hyvin. Se että pinnoiteaineen tartunta alustaan on osaksi mekaanista, asettaa termisten pinnoitusmenetelmien käytölle tiettyjä rajoituksia.
Yleisimpiä pinnoitemateriaaleja ovat esimerkiksi volframi- ja kromikarbidipinnoitteet.
Metallistuiskutusmenetelmää käytettäessä hienojakoiset metallihiukkaset esikäsitellään ja ruiskutetaan sitten sulatettuna pinnoitettavaan kappaleeseen. Tämä menetelmä sopii hyvin esimerkiksi korjauskoneistukseen. Sopiva pinnoitemateriaali valitaan haluttujen ominaisuuksien mukaan: pinnoitemetalliseoksella voidaan parantaa pinnoitettavan kappaleen kulutuskestävyyttä tai pinnan kovuutta, vaikuttaa sähkönjohtavuuteen, kitkaan jne.
Metalliruiskutus on terminen pinnoitusmenetelmä, ja termisellä pinnoittamisella valmistetaan esimerkiksi kovapinnoitteita. Esimerkiksi HVOF-ruiskutus (suurnopeusliekkiruiskutus), valokaariruiskutus ja liekkiruiskutus ovat termisiä pinnoittamismenetelmiä. Metallin ja metalliseosten lisäksi myös muita pinnoitemateriaaleja voidaan käyttää.
Pinnoituksessa pinnoiteaine – lanka tai jauhe – sulatetaan ja sulapisarat sinkoutuvat suurella nopeudella pinnoitettavan kappaleen pintaan ja jähmettyvät pinnoitteeksi. Sulatukseen käytetään esimerkiksi suurinopeuksista kaasuliekkiä. Sulatustapa, sulapartikkelien nopeus ja lämpötila vaihtelevat eri pinnoitustavoissa.
Termiset ruiskutusmenetelmät ovat monipuolisia ja niitä käytetään useilla teollisuudenaloilla. Metallipinnoituksella – ja muilla pinnoitteilla – voidaan vähentää koneiden ja laitteiden huollon tarvetta ja lisätä niiden käyttöikää. Laitteet toimivat näin luotettavammin ja käyttökustannukset alenevat.
Termiset ruiskutusmenetelmät mahdollistavat joustavan pinnoitusprosessin. Käyttökohteita on mm. teräs- ja teknologiateollisuudessa sekä paperi- ja selluteollisuudessa. Sovelluskohteita on myös elintarvike-, muovi- ja betoniteollisuudessa. Prosessiteollisuudessa on site -mahdollisuus on erittäin hyödyllinen: suuret komponentit ja laitteet voidaan pinnoittaa paikan päällä mikä vaikuttaa kokonaiskustannusten pienenemiseen sekä seisokkiajan lyhenemiseen.
Metalliruiskutusmenetelmiä ovat mm. HVOF-ruiskutus, liekkiruiskutus, ARC-valokaaripinnoitus ja plasmaruiskutus.
HVOF-ruiskutuksessa (suurnopeusliekkiruiskutus, High Velocity Oxygen Fuel) polttokammioon syötetään suuri määrä polttokaasuja suurella paineella. Polttokaasuna käytetään nestekaasua ja typpeä ja kaasuseos syttyy polttokammiossa. Näin saadaan aikaan suurinopeuksinen kaasuliekki, jonka avulla pinnoiteaine sulatetaan. Hienojakoinen pinnoiteaine syötetään aksiaalisesti kaasuliekkiin typen avulla. Liekin, jonka lämpötila on n. 2700°C, avulla saadaan pinnoiteainepartikkeleille optimaalinen sulatila sekä erittäin suuri nopeus. Nopeus voi suurimmillaan olla yli 2000 m/s. Tällä menetelmällä pinnoitteeseen saadaan parhaimmat mahdolliset tartuntalujuus- ja huokoisuusominaisuudet.
HVOF-ruiskutusmenetelmä on suhteellisen uusi pinnoitusmenetelmä: se on otettu käyttöön vasta 1990-luvulla. Menetelmä on termisistä ruiskutusmenetelmistä nykyaikaisin ja myös laadukkain. Pinnoitteesta saadaan tiivis ja pinnoitteen tartunta pinnoitettavaan alustaan ovat erinomaiset. Nämä ominaisuudet ovat mahdollistaneet myös uusia sovellus- ja käyttökohteita metallisten pinnoitteiden hyödyntämiseen sekä valmistavassa teollisuudessa että huolto- ja korjaustoiminnassa – ja uusia käyttökohteita löytyy jatkuvasti lisää.
Suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmä on parhaimmillaan valmistettaessa volframikarbidi- ja kromikarbidipinnoitteita, mutta menetelmän avulla kaikilla metallisilla pinnoitemateriaaleilla saadaan pinnoitteelle paras mahdollinen tartunta ja tiiveys.
Vaikka menetelmä syrjäyttääkin jonkin verran muita pinnoitusmenetelmiä, se ei tee niitä tarpeettomiksi.
Liekkiruiskutusmenetelmiä ovat jauheliekkiruiskutus ja lankaliekkiruiskutus.
Jauheliekkiruiskutuksessa kaasuseoksena käytetään asetyleeni-happiseosta, joka palaessaan sulattaa kaasuliekkiin johdettavan jauhemaisen lisäaineen. Liekin puhallusta säädetään/lisätään paineilman avulla. Kaasuliekin lämpötila vähän yli 3000°C ja sulapartikkelien nopeus on noin 60…70 m/s. Pinnoitteen tartuntalujuus on aika vaatimaton eli n. 10…30 N/mm² ja huokoisuus jokseenkin runsasta, mutta joissain sovelluskohteissa tämä ominaisuus on tarkoituksenmukainen.
Jauheliekkiruiskutusmenetelmän avulla voidaan tehdä myös sulautuspinnoituksia. Lisäaineena käytetään tällöin nikkelipohjaisia pinnoiteaineita. Sulautuspinnoitusta tehdessä pinnoitettava kappale lämpökäsitellään (1000°C), ja pinnoiteaine sulautuu pinnoitettavaan materiaaliin. Sulautuspinnoitusta ei voi käyttää kappaleeseen, jossa ei saa tapahtua muodonmuutoksia. Menetelmässä käytettäviä lisäaineita ovat metallien lisäksi myös erilaiset muovit ja keraamit.
Lankaliekkiruiskutuksessakin kaasuseoksena käytetään asetyleeni-happiseosta, joka palaessaan sulattaa lisäaineen, joka on tässä tapauksessa langan muodossa. Sulapartikkelit kiinnittyvät pinnoitettavan kappaleen pintaan paineilmapuhalluksen avulla. Sulapartikkelien nopeus on 120…140 m/s ja sekä liekin lämpötila että saavutettava pinnan huokoisuus samaa luokkaa jauheliekkiruiskutusmenetelmän kanssa – tartuntalujuus on hieman parempi (n. 15…40 N/mm²) suuremman partikkelinopeuden ansiosta.
Lankaliekkiruiskutuksessa käytetään vain metallisia lisäaineita. Menetelmä on pinnoitusmenetelmistä kylmin, joten sillä voidaan pinnoittaa myös arkoja materiaaleja.
Valokaariruiskutusmenetelmässä kahta lisäainelankaa syötetään – toisiinsa nähden sopivassa kulmassa – ruiskun elektrodien läpi. Lisäainelankojen väliin syntyy valokaari, joka sulattaa ne. Voimakkaan paineilmapuhalluksen avulla sula lisäaine sumutetaan pinnoitettavan kappaleen pintaan. Paineilman sijaan voidaan käyttää esimerkiksi typpeä tai argonia, jolloin pinnoitteen hapettumiselta vältytään.
Valokaarimenetelmässä lämpötila on n. 7000°C ja lisäainepartikkelien nopeus n. 150…170 m/s. Tartuntalujuus on lankaliekkiruiskutuksella saavutettavaa parempi: n. 20…45 N/mm². Pinnoite on kuitenkin melko huokoista, mutta huokoisuuteen voidaan vaikuttaa eri tavoin tarpeen ja kohteen mukaan.
Valokaariruiskutusmenetelmässä käytettäviä lisäaineita on melko paljon. Menetelmällä voidaan pinnoittaa suuria pintoja tehokkaasti – ja tavallisimmin sitä käytetäänkin kohteissa, joissa pinnoitettavat alueet ovat suuria. Sovelluskohteita ovat esimerkiksi korroosionesto (siltojen kaiteet tai rautarakenteet, jotka sinkkiruiskutukseen jälkeen vielä maalataan) ja erilaiset säiliö- ja telapinnoitukset. Menetelmän avulla voidaan valmistaa erilaisia karkeita tartuntapintoja - esimerkiksi liukuesteitä, kuljetinteloja, trukkien nostokäpäliä jne.
Valokaariruiskutuksen käyttökustannukset ovat edullisemmat kuin muitten ruiskutusmenetelmien: tarvitaan ainoastaan sähkövirtaa ja paineilmaa. Laitteisto on myös helppo siirtää käyttökohteeseen.
Plasmaruiskutusmenetelmällä saadaan laadukkaita pinnoitteita, varsinkin keraamipinnoitteita. Lisäainevalikoima on laaja ja suuren partikkelinopeuden ansiosta pinnoitteen tartuntalujuus- ja tiiveysominaisuudet ovat hyvät. Kuuman liekin takia plasmaruiskutusmenetelmä ei ole paras mahdollinen volframi- ja kromikarbidipinnoitteiden valmistamiseen. Plasmaruiskutusta käytetään esimerkiksi suihkumoottoreiden valmistuksessa sekä niiden huollossa, teollisessa uustuotannossa, kunnossapidossa, korjauksessa jne.
Virtasen Koneistamo Oy on termisten pinnoitusmenetelmien ja metalliruiskutuksen asiantuntija.
Virtasen Koneistamo Oy
Salorankatu 8
24240 SALO
Jukka Koivunen
Toimitusjohtaja
040 729 5795
jukka.koivunen@virtasenkoneistamo.fi
www.virtasenkoneistamo.fi