Terminen ruiskutus

Termiset ruiskutusmenetelmät

Termisisiä pinnoitusmenetelmiä kutsutaan kylmäpinnoitusmenetelmiksi, sillä pinnoitusprosessissa pinnoitettavan kappaleen lämpötila ei tavallisesti kohoa 150…200°C korkeammaksi. Koska lämpötila pysyy suhteellisen alhaisena, muodon- ja aineenmuutoksia ei pinnoitettavaan kohteeseen synny.

Termisissä pinnoitusmenetelmissä pinnoitetaan kohde sulalla pinnoitemateriaalilla.: kiinteä pinnoitelisäaine sulatetaan ja sula lisäainemateriaali ruiskutetaan suurella nopeudella – pieninä pisaroina - esikäsiteltyyn kohteeseen. Sula pinnoitelisäaine tarttuu pinnoitettavaan kohteeseen ja tällä tavoin saadaan aikaan kestävä pinnoite.

Termisiä ruiskutusmenetelmiä käytettäessä pinnoitettava perusaine ja pinnoitelisäaine eivät sekoitu eli pinnoitettavan aineen ominaisuudet säilyvät muuttumattomina: esimerkiksi paineenalaisille laitteille ei pinnoituksen jälkeen tarvita painekoetarkastusta.

Lämmöntuontitapa ja/tai pinnoitemateriaalin kiihdytystapa vaihtelee eri ruiskutusprosesseissa: lämmönlähteenä voidaan käyttää esimerkiksi energiaa, joka on saatu aikaan polttoliekillä tai sähköpurkauksella, ja pinnoitelisäaineen sulapisaroiden liikenopeuteen vaikuttaa poltto- tai plasmaliekin kaasunvirtaus. Liikenopeuden lisäämisestä voidaan avustaa myös erillisellä paineilmapuhalluksella. Kylmäruiskutuksessa puolestaan pinnoitelisäainepulveria ei sulateta, vaan pinnoite muodostuu lisäainepartikkelien kineettisen energian avulla.

Eri ruiskutusmenetelmillä on myös omat erityispiirteensä. Termiset ruiskutusmenetelmät eroavat toisistaan paitsi toimintaperiaatteiden myös valmiin pinnoitteen ominaisuuksien mukaan. Eroja on myös eri menetelmien investointikustannuksissa ja/tai käyttöön liittyvissä kustannuksissa.

Sopivaa pinnoitusmenetelmää valittaessa tulee menetelmän soveltuvuus kohteeseen ja menetelmän saatavuus, pinnoitemateriaalivalikoima ja pinnoitteiden ominaisuudet sekä tietysti myös valmistushinta. On otettava huomioon, että pinnoitteiden ominaisuuksiin vaikuttavat sekä materiaali että valmistusmenetelmä: pinnoite voidaan valmistaa samasta materiaalista eri pinnoitusmenetelmillä, ja valmiin pinnoitteen ominaisuuksiin vaikuttaa se, miten pinnoite on valmistettu.

Termisten ruiskutusmenetelmien käyttö

Termistä ruiskutusta käytetään teollisuudessa laajasti. Termisen pinnoituksen avulla voidaan pidentää koneiden käyttöikää. Pinnoituksella saadaan kohteelle myös haluttuja ominaisuuksia. Terminen ruiskutus sopii eri materiaalien pinnoitukseen ja pinnoitelisäainevaihtoehtoja on runsaasti. Pinnoitteeseen sopiva materiaali samoin kuin pinnoitusmenetelmä valitaan sen mukaan, mitä ominaisuuksia pinnoitteelle halutaan.

Termisten ruiskutusmenetelmien suosioon vaikuttaa niiden monipuolisuus: niitä käytetään esimerkiksi koneenrakennus- ja terästeollisuudessa sekä autoteollisuudessa ja moottoreiden valmistuksessa. Termiset pinnoitusmenetelmät ovat käytössä myös mm. prosessi- ja kemianteollisuudessa, puunjalostusteollisuudessa ja paperiteollisuudessa sekä ydinvoima- ja energiateollisuudessa. Käyttökohteita on myös niin rakennusteollisuudessa kuin elektroniikka- tai lasiteollisuudessa.

Termisen ruiskutusprosessin avulla valmistetuilla pinnoitteilla parannetaan kappaleen ominaisuuksia esimerkiksi korroosiota vastaan tai lisäämällä lämmönjohtokykyä. Pinnoitteita käytetään ylläpitoon ja korjaamiseen: esimerkiksi kuluneiden osien kunnostukseen tai väärinkoneistettujen kappaleiden korjaukseen. Pinnoittamalla voidaan muuttaa kappaleen pintaominaisuuksia tai valmistaa erilaisia koristepinnoituksia.

Pinnoituksen avulla voidaan myös vaikuttaa kohteen painoon liittyviin kysymyksiin: kappaleesta saadaan kevyempi, kun se valmistetaankin kevyestä perusmateriaalista (esim. alumiinista), mutta pinnoitetaan se kulutusta kestävällä materiaalilla. Lopputulos on kevyempi, mutta kestävämpi.

Pinnoituksella siis parannetaan kappaleen ominaisuuksia. Pinnoitemateriaali valitaan sen mukaan, halutaanko vaikuttaa esimerkiksi korroosionestoon (ilmastollinen tai märkäkorroosio) tai muuhun kulumisen estoon tai kulumiskestävyysominaisuuksien parantamiseen – esimerkiksi eroosiota, abraasiota tai adheesiokulumista vastaan. Sopiva pinnoite lisää kitkaa – toisella materiaalivalinnalla sitä puolestaan voidaan vähentää. Sähköneristystä tai sähkönjohtavuutta voidaan parantaa valitsemalla sopiva pinnoitemateriaali.

Pinnoitteen avulla voidaan parantaa lämmönjohtokykyä – tai lisätä lämmöneristystä.

Termisillä ruiskutusprosesseilla valmistetaan pinnoitteita esimerkiksi höyry- ja kaasuturbiineihin ja voimalaitosten kattiloihin. Termistä ruiskutusta käytetään myös pinnoitettaessa paperikoneiden teloja ja sylintereitä. Offshore- ja onshore-teollisuudessa käytetään termisiä pinnoitusmenetelmiä. Termisten ruiskutusmenetelmien käyttökohteina voivat olla niin valumuottien valmistus kuin vaikkapa lentokone- tai avaruusteknologiaan liittyvät kohteet.

Termiset ruiskutusmenetelmät

Termiset ruiskutusmenetelmien erot ovat lämmöntuonti- ja/tai pinnoitelisäaineen kiihdytystavoissa.

Lämmönlähteenä käytetään polttoliekkiä tai sähkönpurkauksesta saatavaa energiaa. Polttoliekkiä pinnoitemateriaalin sulatukseen käyttäviä ruiskutusmenetelmiä ovat esimerkiksi liekkiruiskutus, HVOF (High Velocity Oxygen Fuel -ruiskutus) ja HVAF (High Velocity Air Fuel -ruiskutus). Sähköpurkausta pinnoitemateriaalin sulatukseen käyttäviä menetelmiä ovat mm. plasmaruiskutus ja valokaariruiskutus. Kylmäruiskutusmenetelmässä (cold spray) pinnoitelisäainetta ei sulateta erikseen: pinnoituksessa hyödynnetään ainoastaan lisäainepartikkelin kineettistä energiaa.

Pinnoitemateriaalin sulapisaroiden liikenopeus saadaan aikaan polttoliekin tai plasmaliekin kaasunvirtauksella tai käyttämällä erillistä paineilmapuhallusta (kuten esimerkiksi kaariruiskutuksessa käytetään).

Termiset ruiskutusmenetelmät voidaan jakaa myös kylmä- ja kuuma- eli sulautuspinnoitukseen.

Kylmäpinnoitusmenetelmässä (yleinen terminen pinnoitustapa) pinnoitettavan kohteen lämpötila on tavallisesti 50…150°C (työlämpötila vaihtelee pinnoitusmenetelmän mukaan, mutta on kuitenkin selvästi alle 200°C). Tällöin pinnoitettavassa kohteessa ei tapahdu rakenne- tai mittamuutoksia.

Sulautuspinnoitusmenetelmässä (kuumapinnoitusmenetelmä) pinnoite sintrataan (sulautuskäsittely) ruiskutuksen jälkeen. Sulautuskäsittelyssä lämpötila on n. 1000…1100°C ja käsittely samalla tiivistää pinnoitteen.

Valmistusmenetelmiä

Toimintaperiaatteiden lisäksi termiset ruiskutusmenetelmät eroavat toisistaan myös niillä valmistettujen pinnoitteiden ominaisuuksien mukaan. Eri menetelmillä on erityispiirteensä ja myös investointi- ja käyttökustannuksissa on eroja.

Pinnoitusmenetelmän valintaan ja käyttöön vaikuttavia asioita ovat pinnoitelisäainevalikoima ja pinnoitteelle halutut ominaisuudet, pinnoitteen valmistuksen kustannukset ja pinnoituksen käytännön kysymykset. Pinnoitteen ominaisuuksiin vaikuttaa sekä materiaali että käytetty pinnoitusmenetelmä: vaikka käytettäisiin samaa pinnoitelisäainetta, valmiin pinnoitteen ominaisuudet vaihtelevat käytettävän pinnoitusmenetelmän mukaan.

HVOF- eli suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmä

HVOF- eli suurnopeusliekkiruiskutusmenetelmä on suhteellisen uusi pinnoitusmenetelmä: sitä on käytetty 1990-luvulta lähtien. HVOF on termisistä ruiskutusmenetelmistä sekä nykyaikaisin että laadukkain.

HVOF-ruiskutuksessa syötetään polttokaasuja (nestekaasu ja typpi) suurella paineella polttokammioon. Polttokammiossa kaasuseos syttyy, ja saadaan suurinopeuksinen kaasuliekki, jonka avulla sulatetaan pinnoitemateriaali: pulverimainen pinnoitelisäaine syötetään typpeä käyttäen aksiaalisesti kaasuliekkiin, jonka lämpötila on n. 2700°C. Liekin avulla pinnoitelisäainepartikkeleille saadaan optimaalinen sulatila ja erittäin suuri nopeus (max jopa >2000 m/s). HVOF-menetelmällä pinnoittamalla saadaan aikaan tiivis pinnoite ja erinomainen tartunta: parhaat mahdolliset huokoisuus- ja tartuntalujuusominaisuudet.

HVOF-ruiskutusmenetelmällä on runsaasti käyttö- ja sovelluskohteita ja niitä löytyy lisää jatkuvasti. HVOF-ruiskutus on parhaimmillaan valmistettaessa volframi- ja kromikarbidipinnoitteita, mutta pinnoitteita, joiden tartunta- ja tiiveysominaisuudet ovat parhaat mahdolliset, voidaan menetelmän avulla valmistaa muitakin metallisia pinnoitelisäaineita käyttämällä.

Liekkiruiskutusmenetelmät

Liekkiruiskutusmenetelmiin kuuluvat jauheliekkiruiskutus ja lankaliekkiruiskutus. Jauheliekkiruiskutuksessa käytettävä kaasuseos on asetyleeniä ja happea, joka palaessaan sulattaa kaasuliekkiin johdetun pinnoitelisäaineen. Kaasuliekin puhallusta säädetään ja lisätään paineilman avulla.

Jauheliekkiruiskutusmenetelmässä kaasuliekin lämpötila on jonkin verran yli 3000°C ja sulapartikkelien nopeus 60…70 m/s. Menetelmällä valmistetun pinnoitteen huokoisuus on aika runsasta ja tartuntalujuus vain noin 10…30 N/mm². Runsas huokoisuus kuitenkin sopii tiettyihin kohteisiin. Jauheliekkiruiskutuksella voidaan valmistaa myös kuuma- eli sulautuspinnoituksia.

Lankaliekkiruiskutusmenetelmässäkin käytetään asetyleenin ja hapen seosta. Pinnoitelisäainemateriaali on lankana. Sulat pinnoitelisäainepartikkelit kiinnittyvät paineilmapuhalluksen avulla pinnoitettavaan kappaleeseen. Partikkelien nopeus on 120…140 m/s ja kaasuliekin lämpötila kuten jauheliekkiruiskutusmenetelmässä. Koska partikkelinopeus on lankaliekkiruiskutuksessa suurempi kuin jauheliekkiruiskutuksessa, lankaliekkiruiskutuksella valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus on hieman parempi: n. 15…40 N/mm². Huokoisuusominaisuuksissa ei ole eroja. Lankaliekkiruiskutusmenetelmä on pinnoitusmenetelmistä kylmin eli sen avulla voidaan pinnoittaa arkojakin materiaaleja. Menetelmässä käytetään vain metallisia pinnoitemateriaaleja.

Valokaariruiskutusmenetelmä

Valokaariruiskutusmenetelmässä syötetään ruiskun elektrodien läpi kahta lisäainelankaa, jotka ovat toisiinsa nähden oikeassa kulmassa. Valokaari, joka syntyy lisäainelankojen välille, sulattaa ne. Sula pinnoitemateriaali sumutetaan voimakkaalla paineilmapuhalluksella kappaleen pinnalle. Jos paineilman tilalla käytetään esimerkiksi typpeä tai argonia, estetään pinnoitteen hapettuminen.

Valokaariruiskutusmenetelmässä partikkelinopeus on n. 150…170 m/s ja käytettävä lämpötila n. 7000°C. Valokaariruiskutuksella valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus on lankaliekkiruiskutuksella valmistettua parempi (n. 20…45 N/mm²), mutta myös tämä pinnoite on melko huokoista. Pinnoitteen huokoisuusominaisuuksiin voidaan vaikuttaa eri tavoin – vaatimusten ja pinnoitettavan kappaleen mukaan.

Valokaariruiskutusmenetelmä sopii suurienkin pintojen tehokkaaseen käsittelyyn ja pinnoitelisäainevalikoima on hyvä. Laitteistoa voidaan siirtää helposti pinnoitettavan kohteen luo, mikä lisää menetelmän käyttömahdollisuuksia. Valokaariruiskutusmenetelmän käytössä tarvitaan ainoastaan sähkövirtaa ja paineilma, joten käyttökustannukset ovat edullisemmat kuin muissa pinnoitusmenetelmissä.

Plasmaruiskutusmenetelmä

Plasmaruiskutusmenetelmällä saadaan aikaan laadukkaita pinnoitteita – erityisesti keraamipinnoitteita. Pinnoitemateriaalivaihtoehtoja on paljon, mutta kuuman liekin takia volframi- ja kromikarbidipinnoitteiden valmistukseen menetelmä ei ole paras. Plasmaruiskutusmenetelmällä saadaan tartuntalujuudeltaan ja tiiveydeltään hyvä pinnoite. Menetelmän käyttökohteita on esimerkiksi suihkumoottoreiden valmistus ja huolto ja teollinen uustuotanto. Plasmapinnoitusta käytetään myös korjaukseen ja kunnossapitoon.

Terminen ruiskutus - menetelmien vertailu

Termiset ruiskutusmenetelmät eroavat toisistaan liekin lämpötilan ja partikkelinopeuden mukaan. Plasmaruiskutuksessa liekin lämpötila voi olla jopa 12 000°C, mutta partikkelinopeus on vain 120…400 m/s. Kylmäruiskutuksessa puolestaan partikkelinopeus on suurin (700…1200 m/s), mutta liekin lämpötila vain 500…800°C. Liekkiruiskutuksessa taas partikkelinopeus on vain 40…100 m/s - liekin lämpötila 2800…3000°C. Kaariruiskutuksessa partikkelinopeus on hieman liekkiruiskutusta korkeampi – 100…150 m/s – ja liekin lämpötila 300…4000°C. HVOF-ruiskutuksessa liekin lämpötila on 2100…2900°C ja partikkelinopeus on 400…900 m/s – HVAF-menetelmässä vastaavasti 1800…2000°C ja 600…1100 m/s.

Liekkiruiskutuksella saadaan tartuntalujuudeksi 8 Mpa ja kaariruiskutuksella 12 Mpa. Plasmaruiskutuksessa tartuntalujuus on 10…70 Mpa ja kylmäruiskutuksessa 20..70 Mpa. HVOF- ja HVAF-ruiskutusmenetelmillä saadaan paras tartuntalujuus: >70 Mpa. Huokoisuus on suurin liekkiruiskutuksella (10 – 15%) ja kaariruiskutuksella (10 %) valmistetussa pinnoitteessa. Muilla pinnoitusmenetelmislllä valmistetun pinnoituksen huokoisuus on eri suuruusluokkaa: HVOF 1 - 2%, HVAF alle 0,5%, plasmaruiskutus 1,5% ja kylmäruiskutus alle 0,5%. Liekki- (0,1…15 mm) ja kaariruiskutuksella (0,1.. 0 mm) valmistetut pinnoitteet ovat paksuimpia – ja ohuimmat HVAF-menetelmällä tehtynä (0,05…2 mm), plasmaruiskutuksella 0,1…1 mm, kylmäruiskutuksella 0,1…1 mm ja HVOF-ruiskutuksella 0,1…2 mm. Menetelmät eroavat toisistaan myös esimerkiksi oksidimäärän ja ruiskutusnopeuden suhteen.

Kustannuksiltaan kylmäruiskutus ja plasmaruiskutus ovat suhteessa kalleimpia ja liekkiruiskutus halvin menetelmä.

Jos termisiä ruiskutusmenetelmiä verrataan laser- ja hitsauspinnoitukseen, liitoslujuuden osalta terminen ruiskutus on keskitasoa, kun laser- ja hitsauspinnoituksessa se on korkea. Sekoittuminen on termisessä ruiskutuksessa 0% - laserpinnoituksessa 1 - 5% ja hitsauspinnoituksessa 10 - 50%. Pinnoitteen paksuudesta saadaan termisellä ruiskutuksella ohuin ( < 0,5 mm).

Pinnoitelisäaineet

Pinnoitelisäaineina käytetään eniten volframi- ja kromikarbidipinnoitteita. Pinnoitemateriaalivalikoima on muuten laaja: metalleja, metalliseoksia, oksideja, karbideja, muoveja – ja näiden materiaalien erilaisia sekoituksia. Lisäaine on joko jauhemaista tai lankaa – ruiskutusmenetelmätyypin mukaan. Sekä pinnoitusmenetelmä että -lisäaine vaikuttavat myös pinnoitteen paksuuteen: pehmeiden pinnoitteiden paksuudet voivat olla useita millimetrejä, kun taas kovien pinnoitteiden paksuus on max 500…600 µm.

Pinnoitelisäaineen valintaan vaikuttaa sekä pinnoitusmenetelmä että käyttökohde – halutut ominaisuudet. Teräsrakenteiden ruosteensuojauksessa käytetään pinnoitemateriaalina puhdasta sinkkiä tai puhdasta alumiinia – ruostumatonta terästä käytetään koneenosien korroosionsuojaukseen. Korroosion ja kulumisen suojaukseen käytetään myös kromioksidia, kromiterästä, ruostumatonta terästä sekä sulatuspinnoitteita. Lämmöneristeeksi ja kuumasuluksi sopii zarkonioksidi, joka on keraamipinnoite. Fretting-kulumisen estämiseen käytetään volframi- sekä kromikarbidia ja volframikarbidi sekä kromiteräs tai sulautuvat kovapinnoitteet soveltuvat abrasiivisen kulumisen suojaukseen. Leikkautumissuojaukseen ja adheesiosuojaukseen käytetään pinnoitelisäaineina molybdeenia, alumiinipronssia, volframi- ja kromikarbideita tai sulautuspinnoitteita. Eroosiosuojaukseen sopivia lisäaineita ovat kromiteräs, alumiinipronssi, kromikarbidi, volframikarbidi sekä sulautuspinnoitteet. Liukuesteisiin sekä kitkapinnoitteisiin käytetään alumiinia, kromiterästä tai volframikarbidia. Sähköä eristävät pinnoitteet valmistetaan hopeasta, tinasta, kuparista tai alumiinista. Työstövirheiden korjaamiseen sopivat kromiteräs, ruostumaton teräs, erikoisteräkset, valkometalli tai alumiinipronssi.

Koska pinnoitettava perusaine ja pinnoitelisäaine eivät termisiä ruiskutusmenetelmiä käytettäessä sekoitu, pinnoitettavan kohteen ominaisuudet eivät muutu – toisin kuin hitsausta käytettäessä. On myös mahdollista käyttää yhdessä erilaisia metalleja ja muita materiaaleja: esimerkiksi keraaminen tai sinkkipinnoite teräkselle. Lisäaine tartunta kohteen pinnalle on osittain mekaanista ja tästä aiheutuu tiettyjä rajoitteita termisen ruiskutuksen käytölle. Pinnoitettavan pinnan tulee myös olla täysin puhdas: öljyn ja kosteuden poistamiseen käytetään esilämmitystä. Pinnoitteen tartunta varmistetaan pinnankarhennuksella, joka tehdään juuri ennen pinnoitusta teräsrakeilla, piikarbidilla tai alumiinioksidilla.

Pinnoitettavan kappaleen ominaisuudet säilyvät siis muuttumattomina ja esimerkiksi painekoetarkastusta ei paineenalaisille laitteille pinnoituksen jälkeen tarvita, mutta - toisin kuin hitsauksessa - termisellä pinnoitusmenetelmällä valmistettua pinnoitetta ei kuitenkaan saa ottaa huomioon aineenvahvuudessa.

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