Sulapinnoitus

Terminen pinnoitus – sulapinnoitus

Termisisiä pinnoitusmenetelmiä käytettäessä pinnoitus tehdään päällystämällä perusaine, pinnoitettava kappale, sulalla materiaalilla. Sula pinnoitemateriaali tarttuu kiinni pinnoitettavaan kohteeseen, mutta materiaalit eivät sekoitu keskenään. Näin pinnoitettavan materiaalin ominaisuudet säilyvät muuttumattomina – toisin kuin esimerkiksi hitsauksessa – joten painekoetarkastuksia ei paineenalaisissa laitteissa pinnoittamisen jälkeen tarvita ja eri metalleja ja materiaaleja voidaan käyttää yhdessä: esimerkiksi teräs voidaan pinnoittaa sinkillä tai keraamisella pinnoitemateriaalilla. Hitsaukseen verrattuna suurin haittapuoli on se, että pinnoitetta ei saa ottaa huomioon ainevahvuuteen lujuuslaskennassa.

Terminen ruiskutus on yleisnimitys: termisiä ruiskutusmenetelmissä kiinteä lisäaine sulatetaan ja sulatettu pinnoitelisäaine johdetaan suurella nopeudella ja pienipisaraisena sumuna pinnoitettavan kohteen pintaan, joka on esikäsitelty. Näin saadaan aikaan kestävä pinnoite. Pinnoitelisäaineina käytetään termisissä pinnoitusmenetelmissä metalleja, metalliseoksia, karbideja, oksideja, muoveja ja erilaisia näiden materiaalien sekoituksia. Pinnoitevalikoima on monipuolinen.

Termisten pinnoitusmenetelmien avulla voidaan pienentää varaosainvestointeja ja kunnossapidosta aiheutuvia kustannuksia ja laitteiden käytettävyyttä voidaan parantaa. Termiset pinnoitusmenetelmät mahdollistavat myös laadukkaampien tuotteiden valmistamisen.

Termiset pinnoitusmenetelmät käsittävät monia erityyppisiä pinnoitusprosesseja. Menetelmien erot ovat lämmöntuontitavoissa ja/tai pinnoitelisäaineen kiihdytystavoissa. Sulapinnoitusmenetelmiä ovat esimerkiksi HVOF-ruiskutus (suurnopeusliekkiruiskutus), valokaariruiskutus ja liekkiruiskutus.

Sulapinnoituksen käyttökohteita

Sulapinnoituksen – termisten pinnoitusmenetelmien – käyttökohteita ovat esimerkiksi voimalaitosten kattilat, höyry- ja kaasuturbiinit ja paperikoneiden sylinterit ja telat. Menetelmiä käytetään myös mm. offshore- ja onshore-teollisuuden pinnoitustöihin.

Tavallisimpiä termisten pinnoitusmenetelmien käyttökohteita ovat esimerkiksi kuluneiden tai väärin koneistettujen koneenosien kunnostaminen, kulumiskestävyyden parantaminen (abraasion, eroosion, adheesion aiheuttaman kulumisen estäminen), korroosionesto, pintaominaisuuksien muuttaminen, lämmöneristys (korkeissa lämpötiloissa), lämmön- tai sähkönjohtokyvyn parantaminen, sähköneristys, kitkakertoimen pienentäminen tai nostaminen, koristepinnoitteet jne.

Termisiä ruiskutusmenetelmiä käytetään pinnoittamiseen monilla sovellusalueille teollisuudessa. Tärkeimmät menetelmiä hyödyntävät teollisuuden alat ovat: yleinen koneenrakennus, energiateollisuus, ydinvoimateollisuus, terästeollisuus, lento- ja avaruustekniikkaan liittyvä teollisuus, puunjalostus-, paperi-, prosessi- ja kemianteollisuus sekä petrokemian teollisuus. Myös moottorivalmistuksessa ja autoteollisuudessa, laivanrakennus- ja off shore -teollisuudessa sekä elektroniikkateollisuudessa ovat merkittäviä termisten ruiskutusmenetelmien käyttäjiä. Muita tärkeitä hyödyntäjiä ovat paino- ja graafinen teollisuus, rakennusteollisuus, lasiteollisuus sekä valumuottien valmistus.

Termiset pinnoitusmenetelmät – sulapinnoituksen valmistaminen

Terminen ruiskutusmenetelmä on ainetta lisäävä pinnoitusprosessi. Termisissä pinnoitusmenetelmissä pinnoiteaine kuumennetaan sulaan tilaan joko osittain tai kokonaan, ja sulatilassa olevat pinnoitelisäainepartikkelit ruiskutetaan pienipisaraisena sumuna, kaasuvirtauksen avulla, pinnoitettavan kappaleen pinnalle. Sulat pinnoitelisäainepartikkelit kiihdytetään tarvittavaan nopeuteen, minkä ansiosta lisäainepartikkelit tarttuvat pinnoitettavan kohteen pintaan. Muodostuvan pinnoitteen paksuus on tavallisesti 0,1…1,0 mm. Pinnoitelisäaineina voidaan termisissä ruiskutusmenetelmissä käyttää lähes kaikkia sellaisia materiaaleja, jotka sulavat – mutta eivät hajoa – kuumennettaessa.

Termiset ruiskutusmenetelmät voidaan pinnoitettavan kohteen lämpötilan mukaan jakaa kahteen osaan: kylmäpinnoitukseen – jota käytetään yleisimmin – sekä kuumapinnoitukseen. Kylmäpinnoituksessa pinnoitettavan kohteen lämpötila tulisi olla selvästi alle 200 °C – tavallisimmin se on 50…150 °C. Kylmäpinnoitusmenetelmät soveltuvat lämpöherkille kohteille, sillä alhaisen lämpötilan ansiosta pinnoitettavaan kappaleeseen ei aiheudu suuria rakenne- tai muodonmuutoksia. Kuumapinnoitus eli sulatuspinnoituksessa sulatuskäsittelyvaiheessa (lämpötila on tällöin 1000 – 1100 °C) pinnoite muodostaa perusmateriaalin kanssa metallurgisen liitoksen.

HVOF-ruiskutusmenetelmä

HVOF-ruiskutusmenetelmä eli suurnopeusliekkiruiskutus (High Velocity Oxygen Fuel -ruiskutus) perustuu siihen, että pinnoitelisäainepartikkelit ruiskutetaan suurella nopeudella (200…1200 m/s) pinnoitettavan kohteen pinnalle. Suuren nopeuden ansiosta pinnoitteesta tulee tiivis ja hyvin kiinni pysyvä. HVOF-menetelmä yleistyi vasta 1990-luvulla ja se on termisistä pinnoitusmenetelmistä modernein ja laadukkain.

HVOF-menetelmässä sovelletaan tekniikkaa, joka on rakettimoottorin kaltainen: polttokammiossa poltetaan korkeassa paineessa hapen ja polttoaineen (esimerkiksi kerosiini tai vety) seosta. Näin saadaan aikaan suurinopeuksinen kaasuliekki. Jauhemainen pinnoituslisäaine sekoitetaan kaasuvirtaan, joka syntyy kiihdytettäessä polttokaasut ruiskupistoolin suuttimen läpi. Kuuma kaasu sulattaa pinnoituslisäaineen partikkelit ja kiihdyttää ne pinnoitusta varten tarvittavaan, suureen nopeuteen. Suurella nopeudella

pinnoitettavan kappaleen pintaan johdetut lisäainepartikkelit muodostavat kovan ja tiiviin pinnoitteen.

Suurnopeusliekkiruiskutuksen HVAF-sovelluksessa happi korvataan paineilmalla, joka on edullisempaa.

HVOF-menetelmää käytetään kappaleen kulutuskestävyyttä parantamaan sekä kavitaatiota, liukukulumista ja eroosiota ehkäisemään. HVOF-ruiskutusmenetelmän avulla voidaan myös valmistaa erilaisiin koneenosiin kovametalli- ja keraamipinnoitteita, joilla parannetaan korroosion- ja hapettumisen kestävyyttä.

Liekkiruiskutusmenetelmä

Liekkiruiskutusmenetelmässä pinnoitelisäaine voi olla jauhemaista tai lankaa. Pinnoitelisäaine sulatetaan liekillä, jonka polttokaasun ja hapen seos saa aikaan. Polttokaasuna käytetään tavallisimmin asetyleeniä, koska sillä saadaan aikaan erittäin kuuma liekki. Muita polttokaasuvaihtoehtoja ovat propaani ja vety.

Liekkiruiskutusmenetelmää käytetään, kun pinnoitettavan kappaleen muoto ja mitat (suuri, monimutkainen, …) vaativat manuaalista ruiskutusta. Myös työskentely-ympäristö voi edellyttää sitä. Liekkiruiskutusmenetelmää käytetään, kun pinnoittaminen hautaan tehdä kustannustehokkaasti – ja jos saavutettavat ominaisuudet riittävät.

Liekkiruiskutusmenetelmällä saavutettava pinnoitteen laatu on heikompi kuin muilla menetelmillä valmistettujen pinnoitteiden. Menetelmällä valmistetut pinnoitteet ovat huokoisia – voiteluaineet imeytyvät huokoisiin pintoihin ja näin esimerkiksi laakerin suorituskykyä voidaan parantaa.

Liekkiruiskutusmenetelmä sopii komponenttien ja rakenteiden pinnoittamiseen sekä korroosiosuojaukseen. Sovelluskohteita ovat mm. kuluneet akselit. Pinnoitusmenetelmä sopii esimerkiksi ruostumattomalle teräkselle, pronssiseoksille, alumiinille ja nikkelipohjaisille materiaaleille.

Lankaliekkiruiskutusmenetelmässä pinnoitelisäaine syötetään kaasuliekkiin lankana. Kaasuliekki sulattaan lisäainelangan ja sula lisäaine puhalletaan pisarasumuna, paineilman avulla, pinnoitettavan kohteen pintaan. Lankaliekkiruiskutusta käytetään tavallisesti vain kylmäpinnoitteiden valmistamiseen. Lankaliekkiruiskutusmenetelmä on pinnoitusmenetelmistä kylmin. Pinnoitelisäainelangat ovat erilaisia metalliseoksia. Lankaliekkiruiskutusta voidaan käyttää metallien pinnoituksen lisäksi myös esimerkiksi puun, lasin, kankaitten, muovikoteloiden ja muiden arkojen materiaalien pinnoittamiseen.

Jauheliekkiruiskutusmenetelmä (powder flame spraying) eroaa lankaliekkiruiskutusmenetelmästä pinnoitelisäaineen osalta: jauheliekkiruiskutuksessa pinnoitelisäaine syötetään jauhemaisena polttokaasuun.

Liekin lämpötila ja syntyvän pinnoitteen huokoisuus ovat lankaliekkiruiskutuksessa ja jauheliekkiruiskutuksessa samaa luokkaa. Tartuntalujuus on lankaliekkiruiskutuksella valmistetussa pinnoitteessa jonkun verran jauheliekkiruiskutuksella tehtyä parempi (n. 15…40 N/mm²) – suuremman partikkelinopeuden (n. 120 - 140 m/s) takia.

Jauheliekkiruiskutuksessa nopeus on noin 60 - 70 m/s (tartuntalujuus noin 10 – 30 N/mm²).

Jauheliekkiruiskutuksessa käytettävät pinnoitelisäaineet ovat metalleja, mutta myös muoveja ja keraameja voidaan käyttää. Pinnoitemateriaalivalikoima on monipuolinen. Jauheliekkiruiskutusmenetelmää käytetään esimerkiksi tiivistepinnoille sekä laakerikilville ja -kauloille. Menetelmää käytetään myös väärin koneistettujen osien korjaamisessa.

Jauheliekkiruiskutusmenetelmää voidaan käyttää myös sulautuspinnoitusten valmistamiseen. Tällöin käytettävät pinnoitelisäaineet ovat tiettyjä nikkelipohjaisia materiaaleja.

Plasmaruiskutusmenetelmä

Plasmaruiskutusmenetelmässä pinnoituslisäaineen sulamisenergia ja liike-energia tulee plasmasta eli kuumasta ja ionisoituneesta kaasusta. Plasmaliekin lämpötila on erittäin korkea (jopa yli 12 000 °C). Menetelmä soveltuukin sellaisille pinnoitemateriaaleille, joiden sulamislämpötila on korkea: esimerkiksi oksidikeraameille. Plasmaruiskutusmenetelmän tärkeimmät parametrit ovat: kaasun koostumus, jännite, virta sekä ruiskutusetäisyys.

Plasmaruiskutusmenetelmällä valmistetut pinnoitteet ovat tavallisesti kylmäruiskutuspinnoitteita. Pinnoittamisessa käytettävä lisäaine on yleensä jauhemuodossa.

Plasmaruiskutusmenetelmällä saadaan aikaan hyvin laadukkaita pinnoitteita. Menetelmä on monipuolinen ja sillä saavutettavat pinnoiteominaisuudet ovat erinomaisia. Suuren partikkelinopeuden takia pinnoitteeseen saadaan hyvä tartunta ja tiiveys. Pinnoitelisäainevalikoima on laajin. Pinnoitusmenetelmä sopii erityisesti keraamipinnoitteiden valmistamiseen. Plasmaruiskutusmenetelmää käytetään esimerkiksi suihkumoottoreiden valmistuksessa ja huollossa, kaasuturbiineissa, öljyn- ja kaasuntuotannon poraustyökaluissa, laserkaiverrusten tulostusrullissa jne. Käyttökohteita on niin teollisuuden uustuotannossa kuin myös kunnossapidossa ja korjauksessa. Plasmaruiskutuksella valmistetulla pinnoitteella estetään hankauskorroosiokulumista, lisätään kulumisen- tai hankautumisenkestoa, suojataan kappaletta korkeassa lämpötilassa (lämpöeristepinnoitteet) jne.

Valokaariruiskutus

Kaariruiskutuksessa (valokaariruiskutus) pinnoitelisäaine sulatetaan valokaaren avulla. Kaariruiskutus on tehokkaampi pinnoitusmenetelmä kuin liekkiruiskutus. Tässä menetelmässä pinnoitelisäainelangat on kytketty sähkövirtaan, ja kun niitä syötetään toisiaan vastaan, niiden välillä palaa valokaari, joka sitten sulattaa pinnoitelisäaineen. Pinnoiteaine puhalletaan paineilmaa käyttäen pinnoitettavan kohteen pinnalle. Pinnoitelisäaineen tulee olla sähköä johtava.

Kaariruiskutusmenetelmän suuren sulatustehon takia sen avulla voidaan pinnoittaa tehokkaasti myös laajoja pintoja. Menetelmää käytetään mm. kulutuksen ja korroosion kestävyyden parantamiseen. Kaariruiskutusmenetelmää voidaan käyttää vain kylmäpinnoitteiden valmistamiseen. Pinnoitteiden ominaisuuksia voidaan lisätä erilaisia täytelankoja käyttämällä.

Kaariruiskutusmenetelmällä valmistetut pinnoitteet ovat huokoisia ja niissä saattaa olla oksideja. Kaariruiskutusmenetelmä on kuitenkin edullinen ja sillä saavutettava tartuntalujuus on hyvä.

Ota yhteyttä!

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