Terminen pinnoitus

Mitä terminen pinnoitus on?

Terminen pinnoitus on pinnoitettavan kohteen pinnoittamista sulalla pinnoitelisäainemateriaalilla: sula pinnoite tarttuu kiinni pinnoitettavaan perusmateriaaliin.

Perusaine ja pinnoiteaine eivät sekoitu termisestä pinnoitusmenetelmää käytettäessä, joten pinnoitettavan materiaalin ominaisuudet eivät muutu – toisin kuin hitsauksessa. Näin esimerkiksi paineenalaisia laitteita käsiteltäessä pinnoituksen jälkeen ei tarvita painekoetarkastuksia. Termisissä pinnoitusprosesseissa on mahdollista käyttää erimetalleja tai muita materiaaleja yhdessä: teräs voidaan pinnoittaa sinkillä tai teräksen pinnoituksessa käytetään keraamista pinnoitetta. Hitsaukseen verrattuna haittana on se, että lujuuslaskennassa termisellä pinnoitusmenetelmällä valmistettua pinnoitetta ei saa huomioida aineenvahvuuteen.

Terminen pinnoitus tarkemmin

Termisissä ruiskutusmenetelmissä kiinteä lisäainemateriaali sulatetaan. Sula pinnoitelisäaine ohjataan suurella nopeudella, pienipisaraisena sumuna, pinnoitettavan kohteen esikäsiteltyyn pintaan. Näin syntyy kestävä pinnoite.

Termiset ruiskutusmenetelmät ovat ns. kylmäpinnoitusmenetelmiä, mikä tarkoittaa sitä, että pinnoitettavan kohteen lämpötila ei yleensä pinnoitusprosessin aikana nouse yli 150…200°C. Koska lämpötila ei nouse korkeammaksi, vältytään pinnoitettavan kappaleen muodon- ja aineenmuutoksilta.

Pinnoitelisäaineen tartunta pinnoitettavan kappaleen pintaan on osittain mekaanista, mikä aiheuttaa termisen ruiskutuksen käytölle tiettyjä rajoitteita. Myös pinnoitettavan kappaleen laadulle on tiettyjä vaatimuksia: pinnoitettavan pinnan tulee olla täysin puhdas. Kosteuden ja esimerkiksi öljyn poistoon käytetään esilämmitystä. Pinnankarhennus puolestaan takaa pinnoitteen hyvän tartunnan. Pinnankarhennus tehdään juuri ennen pinnoitusta ja se tehdään teräsrakeilla, piikarbidilla tai alumiinioksidilla.

Termiset ruiskutusprosessit eroavat toisistaan lämmöntuontitavan ja/tai pinnoitelisäaineen kiihdytystavan perusteella. Lämmönlähteenä käytetään esimerkiksi polttoliekin tai sähköpurkauksen avulla saatua energiaa. Pinnoiteaineen sulapisaroiden liikenopeus saavutetaan poltto- tai plasmaliekin kaasunvirtauksesta. Tarvittavan liikenopeuden aikaansaamiseksi voidaan käyttää apuna myös erillistä paineilmapuhallusta. Kylmäruiskutuksessa pinnoitelisäainejauhetta ei sulateta: pinnoitteen syntymiseen käytetään ainoastaan lisäainepartikkelin kineettistä energiaa.

Ruiskutusmenetelmiä, joissa lämmönlähteenä pinnoitelisäaineen sulatuksessa käytetään polttoliekkiä, ovat esimerkiksi HVOF (High Velocity Oxy-Fuel -ruiskutus), HVAF (High Velocity Air Fuel -ruiskutus) ja liekkiruiskutus. Sähköpurkausta käyttäviä ruiskutusmenetelmiä ovat esimerkiksi plasma- ja kaariruiskutusmenetelmät. Kylmäruiskutuksessa (cold spray) käytetään siis vain lisäainepartikkelin kineettistä energiaa eikä pinnoitelisäainetta sulateta erikseen.

Pinnoitelisäaineina käytetään metalleja ja metalliseoksia, karbideja ja oksideja, muoveja sekä näiden materiaalien sekoituksia. Eniten pinnoitelisäaineina käytetään volframi- ja kromikarbidipinnoitteita. Pinnoitusprosessityypin mukaan pinnoitelisäaine on joko lankaa tai jauhetta.

Pinnoitemenetelmän ja -lisäaineen mukaan pinnoitepaksuudet vaihtelevat paljon. Jos pinnoite on pehmeä, sen paksuus voiolla useita millimetrejä – kovien pinnoitteiden paksuudet ovat korkeintaan 500-600 µm.

Termiset pinnoitusmenetelmät – käyttö

Termisiä ruiskutusmenetelmiä käytetään useilla teollisuudenaloilla: pinnoituksen avulla pidennetään koneiden ja laitteiden käyttöikää sekä saavutetaan haluttuja ominaisuuksia.

Termisillä ruiskutusmenetelmillä voidaan pinnoittaa erilaisista materiaaleista valmistettuja kohteita. Pinnoitevaihtoehtoja on lukuisia – pinnoite ja pinnoitusmenetelmä valitaan haluttujen ominaisuuksien mukaan. Pinnoitusta voidaan käyttää korroosionestoon (ilmastollinen korroosio, märkäkorroosio) tai muuhun kulumisen estämiseen ja kulumiskestävyyden parantamiseen: mm. abraasion, eroosion, adheesiokulumisen estämiseen.

Pinnoitteen avulla voidaan myös lisätä kitkaa tai vähentää sitä. Pinnoitteiden avulla voidaan saada kohteeseen sähköneristys tai voidaan parantaa sähkönjohtavuutta. Myös esimerkiksi lämmöneristys saadaan aikaan pinnoittamalla. Pinnoitteilla voidaan myös parantaa lämmönjohtokykyä. Termisiä ruiskutusmenetelmiä käytetään myös esimerkiksi väärinkoneistettujen tai kuluneiden osien korjaukseen ja kunnostukseen.

Termisen ruiskutuksen avulla voidaan myös ratkaista kappaleiden painoon liittyviä kysymyksiä: valitaan kevyt perusmateriaali – esimerkiksi alumiini – ja pinnoitetaan se kulutusta kestävällä pinnoitteella – kappaleesta saadaan kevyempi, mutta kestävämpi. Pinnoitteella voidaan muuttaa kohteen pintaominaisuuksia tai tehdä koristepinnoituksia.

Termisten ruiskutusmenetelmien avulla pinnoitetaan esimerkiksi höyryturbiineja, kaasuturbiineja ja voimalaitosten kattiloita. Käyttökohteita on myös onshore- ja offshore-teollisuudessa. Menetelmiä käytetään myös paperikoneiden telojen ja sylinterien pinnoittamisessa, valumuottien valmistuksessa tai vaikkapa lentokone- ja avaruustekniikkaan liittyvissä kohteissa.

Termisten ruiskutusmenetelmien monipuolisuuden takia niitä käytetään laajasti eri teollisuuden aloilla. Menetelmiä käytetään mm. koneenrakennuksessa, terästeollisuudessa, moottorinvalmistuksessa ja autoteollisuudessa, energia- ja ydinvoimateollisuudessa, prosessi- ja kemianteollisuudessa sekä puunjalostus- ja paperiteollisuudessa sekä esimerkiksi elektroniikka-, lasi- tai rakennusteollisuudessa.

Terminen pinnoitus - valmistusmenetelmät

Termisen ruiskutuksen valmistusmenetelmät eroavat siis toisistaan lämmöntuontitavan ja/tai pinnoitelisäaineen kiihdytystavan perusteella.

Pinnoitelisäaineen sulatuksessa lämmönlähteenä voidaan käyttää polttoliekkiä (esimerkiksi HVOF, HVAF, liekkiruiskutus) tai energiaa, joka saadaan sähköpurkauksesta (esimerkiksi plasmaruiskutus, kaariruiskutus).

Pinnoitelisäaineen sulapisaroiden liikenopeus saadaan joko polttoliekin tai plasmaliekin kaasunvirtauksesta tai esimerkiksi kaariruiskutuksessa käytettävän, erillisen paineilmapuhalluksen avulla. Kylmäruiskutuksessa (cold spray) pinnoitelisäainemateriaalia ei sulateta, vaan pinnoite muodostuu ruiskutettavan lisäainepartikkelin kineettisen energian avulla.

Termiset ruiskutuspinnoitusmenetelmät voidaan jakaa myös kylmäpinnoitukseen ja kuumapinnoitukseen eli sulautuspinnoitukseen. Kylmäpinnoituksessa (tavanomainen terminen pinnoitus) pinnoitettavan kappaleen lämpötila pidetään reilusti alle 200°C (yleensä 50…150°C -työlämpötila vaihtelee menetelmän mukaan), jolloin pinnoittavaan kappaleeseen ei synny rakenne- tai mittamuutoksia. Kuuma-eli sulautuspinnoituksessa pinnoitteelle tehdään ruiskutuksen jälkeen sulautuskäsittely (sintraus). Käsittelylämpötila on n. 1000…1100°C. Sintraus myös tiivistää pinnoitteen rakenteen.

Jokaisella ruiskutusmenetelmällä on omat erityispiirteensä: toimintaperiaatteiden lisäksi ne eroavat toisistaan saavutettavien pinnoiteominaisuuksien mukaan. Investointi- ja käyttökustannukset eroavat toisistaan. Käyttöalueisiin ja valintaan vaikuttavat myös mm. pinnoitemateriaalivalikoima, pinnoitteen valmistushinta ja pinnoitusmenetelmän saatavuus. Pinnoitteiden ominaisuudet ovat aina yhdistelmä käytetystä materiaalista sekä valmistusmenetelmästä: pinnoite voidaan valmistaa samasta materiaalista eri menetelmillä, mutta käytetty pinnoitusprosessi vaikuttaa valmiin pinnoitteen ominaisuuksiin.

HVOF- eli suurnopeusliekkipinnoitus

HVOF- eli suurnopeusliekkiruiskutuksessa (High Velocity Oxygen Fuel) suuri määrä polttokaasuja (nestekaasu ja typpi) syötetään polttokammioon suurella paineella. Kaasuseos syttyy polttokammiossa ja tällöin syntyy suurinopeuksinen kaasuliekki, jolla pinnoitelisäaine sulatetaan. Pinnoitelisäainepulveri syötetään typen avulla aksiaalisesti kaasuliekkiin. Liekin lämpötila on noin 2700°C ja sen avulla lisäainepartikkeleille saadaan juuri sopiva sulatila ja erittäin suuri nopeus (suurimmillaan jopa yli 2000 m/s). HVOF-menetelmän avulla valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus- ja huokoisuusominaisuudet ovat parhaat mahdolliset: tiivis pinnoite ja erinomainen tartunta.

Suurnopeusliekkiruiskutus on melko uusi pinnoitusmenetelmä – sitä on alettu käyttää vasta 1990-luvulla. Se on paitsi nykyaikaisin myös laadukkain termisistä ruiskutusmenetelmistä. Sovellus- ja käyttökohteita on runsaasti – ja uusia löydetään koko ajan lisää. Menetelmä on parhaimmillaan volframi- ja kromikarbidipinnoitteiden valmistuksessa, mutta muillakin metallisilla pinnoitelisäainemateriaaleilla sen avulla voidaan valmistaa pinnoite, jonka tartunta ja tiiveys ovat parhaat mahdolliset.

Jauheliekkipinnoitus ja lankaliekkipinnoitus

Jauheliekkiruiskutus ja lankaliekkiruiskutus ovat liekkiruiskutusmenetelmiä. Jauheliekkiruiskutuksessa käytetään kaasuseoksena asetyleeni-happiseosta. Palaessaan tämä kaasuseos sulattaa kaasuliekkiin johdetun lisäainapulverin. Liekin puhalluksen säätöön/lisäämiseen käytetään paineilmaa. Jauheliekkiruiskutuksessa liekin lämpötila on hieman yli 3000°C. Sulatettujen lisäainepartikkelien nopeus on 60…70 m/s. Jauheliekkiruiskutuksella valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus on vain n. 10…30 N/mm² ja huokoisuus on melko runsasta, mikä kuitenkin sopii tiettyihin sovelluskohteisiin. Jauheliekkiruiskutusmenetelmällä voidaan tehdään myös sulautus- eli kuumapinnoituksia.

Myös lankaliekkiruiskutuksessa käytetään asetyleeni-happiseosta. Pinnoitelisäaine on tätä menetelmää käytettäessä langan muodossa. Sulat lisäainepartikkelit kiinnittyvät pinnoitettavan kohteen pintaan paineilmapuhalluksen avulla - niiden nopeus on 120…140 m/s. Kaasuliekin lämpötila on samaa luokkaa kuin jauheliekkiruiskutuksessa. Lankaliekkiruiskutusmenetelmällä valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus on suuremman partikkelinopeuden johdosta hieman parempi (n. 15…40 N/mm²) kuin jauheliekkiruiskutuksella valmistetun pinnoitteen, mutta huokoisuus on samaa luokkaa.

Lankaliekkiruiskutusmenetelmässä käytetään pelkästään metallisia pinnoitelisäaineita. Lankaliekkiruiskutus on kylmin pinnoitusmenetelmä, joten sitä voidaan käyttää myös pinnoitettaessa arkoja materiaaleja.

Valokaaripinnoitus

Valokaariruiskutuksessa kahta pinnoitelisäainelankaa (toisiinsa nähden sopivassa kulmassa) syötetään ruiskun elektrodien läpi. Lankojen välille syntyvä valokaari sulattaa lisäainelangat. Sula lisäaine sumutetaan voimakkaan paineilmapuhalluksen avulla pinnoitettavan kohteen pinnalle. Pinnoitteen hapettuminen vältetään käyttämällä paineilman tilalla typpeä tai argonia tms.

Valokaariruiskutuksessa lämpötila on noin 7000°C ja partikkelinopeus noin 150…170 m/s. Tartuntalujuus on parempi kuin lankaliekkiruiskutuksella valmistetun pinnoitteen eli n. 20…45 N/mm², mutta tämäkin pinnoite jo melko huokoista – tosin huokoisuuteen voidaan vaikuttaa kohteen ja vaatimusten mukaan erilaisin tavoin.

Valokaariruiskutuksen avulla voidaan pinnoittaa tehokkaasti suuriakin pintoja ja lisäainevalikoima on melko runsas. Menetelmässä käytettävä laitteisto on helposti siirrettävissä käyttökohteeseen. Valokaariruiskutusmenetelmän käyttökustannukset ovat muihin menetelmiin verrattuna edullisimmat: käytössä tarvitaan vain sähkövirtaa ja paineilmaa.

Plasmapinnoitus

Plasmaruiskutusmenetelmällä valmistetut pinnoitteet – varsinkin keraamipinnoitteet - ovat laadukkaita. Pinnoitelisäainevalikoima on laaja – tosin kuuman liekin vuoksi menetelmä ei kuitenkaan ole paras mahdollinen volframi- ja kromikarbidipinnoitteiden valmistukseen. Pinnoitteen tartuntalujuus ja tiiveys ovat hyvät. Plasmapinnoitusmenetelmää käytetään mm. suihkumoottoreiden valmistuksessa ja huollossa, teollisessa uustuotannossa sekä kunnossapito- ja korjauskohteissa.

Ota yhteyttä!

Virtasen Koneistamo Oy on termisen pinnoituksen asiantuntija. Ota yhteyttä!

Virtasen Koneistamo Oy
Salorankatu 8
24240 SALO

Jukka Koivunen
Toimitusjohtaja
040 729 5795
jukka.koivunen@virtasenkoneistamo.fi

www.virtasenkoneistamo.fi