PINNOITTEET YLEISESTI JA TERMINEN RUISKUTUS

1
PINNOITTEET YLEISESTI JATERMINEN RUISKUTUS

• PINNOITTEET
• TERMISEN RUISKUPINNOITUKSEN PERUSTEET KAIKILLE
  MENETELMILLE
• Esa Törmälä

2
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 !
3
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

4
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

5
KULUMINEN (1/2)

• Kuluminen on materiaalin irtoamista
  kuluvalta pinnalta eri mekanismien välityksellä.
  Tästä seuraa painohäviöitä, mitta- ja
  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!).

6
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

7
KULUMISMEKANISMEJA
8
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
suoja tai hapettuminen jäähtyminen
sulatuslämpö jähmettyminen lisäaine tartunta
vauhti muotoutuminen
Kuvat Gordon England kotisivulta
9
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, 20-2000A).
  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)

10
Termisen ruiskutuksen prosessit (2)

• (jatkoa) sähköä johtava valokaari anodin ja
  katodin välille. Kaasu kuumene valokaaressa yli
  12 000 ºCn 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
  ilma-atmosfäärissä, 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
11
Liekkiruiskutus jauheella ja langalla sekä
kaariruiskutus, periaate
Liekkiruiskutus, jauhe
Liekkiruiskutus, lanka
Kaariruiskutus
12
Plasma-, HVOF- ja detonaatioruiskutus, periaate
Plasmaruiskutus
HVOF -ruiskutus
Detonaatioruiskutus
13
Pinnoitepisaran osuminen pintaan, muotoutuminen
ja jännitykset

tummat huokosia ja oksidikalvoja pinnoitteessa
14
Pinnoitustapahtuma ja pinnoitteen käyttökohteita
suihkumoottorissa

15
Pinnoitettavien pintojen esikäsittelyn perusteet

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

16
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

17
Perusmetallin vaikutus

• Jotkut metallit tai metalliseokset ovat vaikeita
  pinnoittaa
• Magnesiumi liukenee helposti useimpiin
  pinnoituskylpyihin
• Alumiini tarvitsee erityiset esikäsittelymenetelmä
  t 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

18
Laitekuvia
19
Pinnoitukseen vaikuttavia tekijöitä, liite 1

• 3 vaihetta
• Termisen/kineettisen energian synnyttäminen
• Energian vaikutus pinnoitemateriaaliin
• Pinnoitepartikkelien ja perusaineen väliset
  reaktiot
• Pistooli suuttimen geometria, teho,
  kaasuvirtaukset, kaasun
• koostumus
• Lisäaineen syöttö jauheen muoto ja koko, langan
  halkaisija
• syöttönopeus syöttötapa ja geometria
  kantokaasu, virtaus ja
• nopeus kemialliset ja fyysiset ominaisuudet
• Suihku koostumus, lämpötila, nopeus,
  ruiskutusetäisyys, ympäris-
• tön olosuhteet, pyörteet
• Perusaine pinnan kontaminaatio, pinnan profiili,
  lämpötila,
• kemialliset ja fyysiset ominaisuudet, pistoolin
  suhteellinen nopeus