Terminen ruiskutus kuuluu pinnoitusmenetelmiin, mutta sitä käytetään myös liittämismenetelmänä kuten hitsaus ja juottaminen. Termistä ruiskutusta käytetään materiaalien yleisimmin metallien pinnoitukseen, vaurioiden korjaamiseen, kunnossapitoon ja pidentämään tuotteen kestoikää.
Termistä ruiskutusta kutsutaan myös metallisoinniksi, ruiskuhitsaukseksi tai metalliruiskutukseksi. Termisessä ruiskutuksessa käsiteltävälle pinnalle ruiskutetaan sumuna kaasuvirtauksen avulla osittain tai kokonaan sulanutta materiaalia. Yleisesti ruiskutettava materiaali voi olla sulaa metallia, metalliseoksia, muoveja, oksideja, karbideja tai näiden sekoituksia.
Termisen ruiskutuksen menetelmiä ovat mm. liekkiruiskutus, suurnopeusliekkiruiskutus (HVOF), valokaariruiskutus, detonaatioruiskutus, laserruiskutus, sularuiskutus, kylmäruiskutus, plasmaruiskutus tai tyhjiöplasmaruiskutus. Vaihtoehtoja termiselle ruiskutukselle on käyttötarkoituksesta riippuen päällehitsaus, juotto, metallipinnoitteet, fysikaalinen- tai kemiallinen kaasufaasipinnoitus. Terminen ruiskutus on suhteellisen edullinen vaihtoehto ominaisuuksiinsa nähden.
Termisesti ruiskutettuja esimerkkiosia ja tuotteita
Termisellä ruiskutuksella pyritään pidentämään tuotteiden kestoikää, parantamaan kulumisen kestoa, korroosion kestoa, lämmöneristävyyttä, sähkönjohtavuutta, kitkakerrointa tai muuttamaan muuten pinnan ominaisuuksia sekä menetelmällä voidaan kunnostaa myös kuluneita osia. Menetelmä on laajasti käytetty eri teollisuuden aloilla kuten eri ajoneuvoteollisuudessa (auto-, laiva- ja lentokoneteollisuudessa), energiateollisuudessa, elektroniikkateollisuudessa, rakennusteollisuudessa, terästeollisuudessa, paperiteollisuudessa ja prosessi- ja kemianteollisuudessa. Yleisimpiä kohteita ovat koneet ja laitteet kuten voimalaitosten kattilat, paperiteollisuuden telat ja sylinterit, höyry- ja kaasuturbiinit sekä satamarakenteet, offshore ja onshore kohteet.
-
- Termistä ruiskutusta hyödynnetään paperiteollisuudessa telojen ja sylinterien pinnoitukseen.
-
- Teollisuudessa hyvödynnetään laajasti automatiikkaa. Kuvassa autoteollisuuden prosessi.
-
- Kuvassa on HVOF-ruiskutuksella käsitelty venttiili.
Terminen ruiskutus menetelmänä
Terminen ruiskutus on laajasti käytetty pinnoitusmenetelmä teollisuudessa sen monipuolisuutensa takia. Termisen ruiskutuksen pinnoitemateriaalien määrä on erittäin laaja ja ruiskutus soveltuu lähes kaikille kiinteille materiaaleille sekä lähes kaiken kokoisille kappaleille. Oikein tehtynä pinnoite soveltuu myös monimutkaisille kappaleille.
Käsiteltävät pinnat tulee esikäsitellä ennen termistä ruiskutusta, jotta pinnoite tarttuu hyvin käsiteltävään pintaan ja toimii odotetusti. Esikäsittelynä voi olla lian ja rasvan poisto sekä pinnan karhennus raepuhalluksella. Pinnoitemateriaalina voi toimia materiaalit, jotka eivät hajoa sulatessaan vaan muodostavat stabiilin sulan, kuten mm. metallit, kovametallit, metalliseokset, keraamit, muovit ja näiden yhdistelmät. Pinnoitemateriaalit voidaan ruiskuttaa alustaan eri menetelmin, joka vaikuttaa lopputulokseen. Termisen ruiskutuksen tulos on siis pinnoitemateriaalin ja valitun ruiskutusmenetelmän yhdistelmä.
Termisen ruiskutuksen etuina ovat mm. alustojen vähäinen kuumeneminen, jolloin alusta ei vetele eikä tapahdu materiaalin ominaisuuksien muutoksia. Kaiken kokoisia ja muotoisia kappaleita voidaan käsitellä termisellä ruiskutuksella sekä se tarjoaa hyvän tartuntapinnan esimerkiksi maaleille. Menetelmällä saadaan myös eri paksuisia pinnoitteita (minimi 10 µm).
Tekniset tiedot ja vertailu
Terminen ruiskutus on varsin nopea pinnoitusmenetelmä, joka soveltuu myös suurille pinnoille. Terminen ruiskutus voidaan suorittaa manuaalisesti, mekanisoidusti tai se voidaan automatisoida. Tyypillinen pinnoitepaksuus on noin 10-1000 µm. Termisen ruiskutuksen ruiskutusmenetelmiä on mm. lankaliekkiruiskutus, jauheliekkiruiskutus, suurnopeusliekkiruiskutus eli HVOF- ruiskutus (High Velocity Oxy-Fuel) ja HVAF-ruiskutus (High Velocity Air Fuel), detonaatioruiskutus, valokaariruiskutus, sularuiskutus, laserruiskutus, plasmaruiskutus, tyhjiöplasmaruiskutus ja kylmäruiskutus. Kylmäruiskutuksessa partikkelit eivät sula vaan partikkelit muokkautuvat iskusta alustaan. Ruiskutusmenetelmät voidaan jakaa kuuma- ja kylmäpinnoitteisiin riippuen alustan kuumenemisesta prosessin aikana. Taulukossa alla on esitetty yleisimpiä ruiskutusmenetelmien ominaispiirteitä.
| Ominaisuus / Ruiskutusmenetelmä | Kylmä | HVOF | Liekki | Kaari | Plasma |
|---|---|---|---|---|---|
| Ruiskutus lämpötila (℃) | <500 | 2500 | 3000 | 4000 | 12000 |
| Alustan lämpötila (℃) | <150 | <200 | 1050 tai <200 | <200 | <200 |
| Pinnoitusmuoto | Ei sulateta | Kylmäpinnoitus | Kuumapinnoitus tai kylmäpinnoitus | Kylmäpinnoitus | Kylmäpinnoitus (kuumapinnoitus) |
| Oksidien määrä (%) | 0 | 1-5 | 10-15 | 10 | 1-3 |
| Tartunta (MPa) | 20-70 | >70 | 8 | 12 | 10-70 |
| Pinnoitteen paksuus (mm) | 0,1-2 | 0,1-2 | 0,1-15 | 0,1-50 | 0,1-1 |
| Tyypilliset pinnoitteet | Metallit, komposiitit, polymeerit, keraamiseokset | Karbidit, keraamit, metallit, metalliseokset | Metallit, karbidit, keraamit | Alumiini, metallit, sinkki | Lähes kaikki materiaali |
| Hinta | €€€ | €€€ | € | €€ | €€€€ |
Terminen ruiskutus suunnittelun ja valmistuksen kannalta
Termisen ruiskutuksen suunnittelu alkaa vaatimusten määrittelystä kuten pinnoitteen rasituksien, altistuksien, tiheyden, huokoisuuden, tartuntalujuuden ja puhtauden määrittelystä. Suunnittelussa tulee huomioida materiaalivalinnan lisäksi sopiva ruiskutusmenetelmä, koska eri menetelmillä vaikutetaan mm. pinnoitteen tiiveyteen ja oksidien määrään. Myös partikkelikoolla on vaikutusta valintaan. Osa pinnoitemateriaaleista ovat standardoituja ja yleensä kehitetty tiettyyn tekniseen käyttötarkoitukseen. Ei-standardoiduissa pinnoitemateriaaleissa tulee seurata valmistajan ohjeita. Ennen pinnoitusta on hyvä tehdä koepinnoitus ja tarvittavat tartuntatestit kappaleelle.
-
- Tuote käsitellään kuvassa termisellä ruiskutuksella käyttäen sinkkiä pinnoitusmateriaalina.
-
- Osa käsitellään kuvassa termisellä ruiskutuksella.
-
- Tuote käsitellään kuvassa manuaalisella valokaariruiskutusmenetelmällä.
Termisen ruiskutuksen vaatimukset ja rajoitteet
Termisen ruiskutuksen pinnoitusaineena voi olla esimerkiksi kromiteräs, nikkeli- tai koboltti pohjaiset pinnoitteet, molybdeeni ja -seokset, kovametallit, oksidikeraamit, haponkestävä teräs, hiiliteräkset, alumiini ja sinkki. Pinnoitusmateriaalit syötetään joko jauheena, lankana, puikkona tai ydintäytelankana laitteistoon, jossa ne sulatetaan ja paineilman avulla ruiskutetaan pinnoitettavalle alustalle. Termisesti ruiskutettu pinnoitus toteutetaan useilla pyyhkäisyillä, joissa sulatetut ja ruiskutetut pisarat törmäävät, litistyvät ja jäähtyvät pinnoitettavan kappaleen pintaan muodostaen pinnoitteen. Pinnoitukseen vaikuttaa pisaroiden lämpötila ja nopeus. Termisen ruiskutuksen pinnoitepaksuus on tyypillisesti noin 10-1000 µm.
Termisen ruiskutuksen heikkouksia ovat mm. pinnoitteen sisältämät mikrohuokoset, tartuntalujuus, joka voi kärsiä myös pinnoitteen ja alustan erilaisesta lämpölaajenemisesta, kappaleiden pieniä sisäpintoja voi olla hankala pinnoittaa ja paksut kalvot voivat sisältää jäännösjännityksiä. Jälkilämpökäsittelyllä voidaan yleensä parantaa pinnoitteen adheesiota ja vähentää jäännösjännityksiä.
Termisen ruiskutuksen tekniset rajoitteet ja toleranssit
Termisestä ruiskutuksesta ei tule täysin tasainen ja vesitiivis, vaan pinnoite voi sisältää lamellirajoja, huokoisuutta ja vikoja rakenteessa. Pinnoite saadaan vesitiiviiksi tiivisteaineiden avulla kuten epoksiin perustuvalla tiivisteaineella tai vaihtamalla ruiskutusmenetelmää paremmin soveltuvaksi. Terävät kulmat ja pienet säteet ovat vaikeita käsitellä termisellä ruiskutuksella ja niitä tulisi välttää tai pyöristää. Termisessä ruiskutuksessa alusta ja pinnoite eivät myöskään sekoitu keskenään. Juotettuun tai hitsattuun verrattuna alustan ja pinnoitteen välinen lujuus jää alhaisemmaksi.
Termisen ruiskutuksen ulkonäkö
Termisen ruiskutuksen ulkonäkö voi vaihdella ruiskutettavasta pinnoitemateriaalista, ruiskutusmenetelmästä, kerrospaksuudesta ja jälkikäsittelystä riippuen. Laadunvalvonnassa pinnoitetta tarkastellaan visuaalisesti mm. pinnoitteen sisältämiä halkeamia, nystyröitä, epätasaisuuksia, värieroja, pinnankarheutta, hilseilyä, kuoriutumista ja paksuuden eroja.
Termisen ruiskutuksen jatkokehitelmien mahdollisuudet ja rajoitteet
Terminen ruiskutus on jatkuvasti kehittyvä menetelmä. Monimuotoisuutensa vuoksi myös uusien materiaalien ruiskutus voi olla mahdollista. Termisen ruiskutuksen kehitystä vie eteenpäin mm. ruiskutusmenetelmien optimoinnit, pinnoitteen ominaisuuksien tutkiminen ja karakterisointi sekä kokeellisten jauhemateriaalien mallinnus.
Jatkokäsittelyt ja menetelmät
Termisesti ruiskutetut kappaleet voivat olla valmiita tuotteita ilman jatkokäsittelyä riippuen prosessista tai ne voidaan jatkokäsitellä esimerkiksi koneistamalla, jälkilämpökäsitellä, käsitellä kemiallisesti, tiivistää tai pintakäsitellä esimerkiksi maalilla. Mekaanisesti työstettäessä esimerkiksi sorvatessa, jyrsittäessä, hiottaessa, kuulapuhallettaessa tai muilla mekaanisilla menetelmillä käsiteltäessä tulee huomioida, että pinnoite voi olla kovempi kuin alustamateriaali ja voi rikkoa työstöterän. Jälkilämpökäsittelyllä saadaan pinnoitteen tartuntaa parannettua ja nostettua pinnoitteen tiheyttä. Kemiallisella käsittelyllä pintaan voidaan saada eri värisävyjä pyyhkäisemällä pinta sopivilla kemiallisilla liuoksilla. Tiivisteaineella voidaan myös vaikuttaa pinnan ominaisuuksiin kuten PTFE-tiivisteellä voidaan lisätä liukuominaisuuksia.
Termisen ruiskutuksen soveltuvuus eri olosuhteissa ja ympäristöissä
Laajan pinnoitevalikoiman vuoksi termisesti ruiskutettu pinta soveltuu hyvin erilaisiin olosuhteisiin ja ympäristöön. Yleisimmin termistä ruiskutusta voidaan käyttää pidentämään tuotteen kestoikää, parantamaan kulutuksen kestoa (eroosio, kavitaatio, kitkasyöpyminen, fretting), korroosionkestoa (ympäristön-, ilmaston-, happojen aiheuttama korroosio), lämpöeristykseen (lämpöhäviö, lämpövaihtelut, kuumakorroosio, lämpöshokki), sähkönjohtavuuteen (sähköiset kontaktit, EMI/RFI- suoja, sähköeristys), kunnostukseen, lääketieteelliseen pinnoitukseen (implantit), lisäämään kemikaalinkestoa, muuttamaan pinnan liukuominaisuuksia tai muita pinnan ominaisuuksia.
Yleisimpiä kulutukseen kestoon käytettyjä pinnoitteita ovat mm. oksidit, karbidit. Korroosionestoon puolestaan käytetään pinnoitteita kuten sinkki, alumiini, nikkelipohjaiset ja kuparinikkelipohjaiset metallit. Lämpöeristykseen käytettyjä pinnoitteita ovat mm. zirkonium tai alumiinioksidit sekä sähkönjohtavuuteen yleisimmin käytetään hopea-, kupari-, alumiini-, tinaseos- ja pronssiseos pinnoitteita.
Piirrosmerkinnät ja määrittely
Termisestä ruiskutuksesta yleisesti merkitään termisen ruiskutuksen perusmerkki (TS), pinnoitteen tyyppi, ruiskutusmenetelmä, pinnoitepaksuus, pinnoitemateriaali ja mahdolliset jälkikäsittelyt. Termisen ruiskutuksen piirustusmerkinnät ovat esitetty standardissa ISO-12671 lukuun ottamatta patentoituja pinnoituksia tai yrityksen omia pinnoitteita.
Kuvitteellinen merkintäesimerkki:
Jossa katkoviiva tarkoittaa pinnoitettavaa pintaa, TS tarkoittaa termistä ruiskutusta, TC kertoo pinnoitteen olevan päällyspinnoite, PFS kertoo ruiskutusmenetelmän olevan jauheliekkiruiskutus, ISO 01234:2018-5.6 kertoo sovellettavan standardin mukaisen ruiskutusmateriaalin ja valittu jauhe 5.6 standardista, 200 on pinnoitteen paksuus µm ja F kertoo jälkikäsittelymenetelmän olevan sulatus.