Plasmapinnoitus

Plasmapinnoitus

Mikä plasmapinnoitus on?

Plasmaruiskutusmenetelmällä voidaan valmistaa hyvin laadukkaita pinnoitteita. Menetelmä sopii varsinkin keraamipinnoitteiden valmistukseen. Plasmapinnoituksen vahvuuksia ovat laaja pinnoitelisäainevalikoima sekä – suuren partikkelinopeuden ansiosta – hyvä tartunta ja pinnoitteen tiiveys. Plasmapinnoitusta käytetään mm. suihkumoottoreiden valmistuksessa ja huollossa ja teollisuudessa uustuotannossa. Pinnoituskohteita, joissa plasmapinnoitusta käytetään, on myös kunnossapidossa ja korjauksessa

Liekin kuumuuden takia plasmapinnoitusmenetelmä ei ole paras mahdollinen tapa volframi- ja kromipinnoitteiden valmistamiseen.

Plasmaruiskutukseen käytettävä laitteisto ei ole siirrettävä, joten pinnoitettavat kohteet tuodaan laitteiston luo, esimerkiksi pinnoitusyrityksen tiloihin.

Plasmaruiskutusmenetelmä

Plasmaruiskutuksessa käytettävien lisäainemateriaalien valikoima on laaja. Menetelmän avulla voidaan sulattaa muoveja, metalleja ja keraameja – kaikkia tunnettuja materiaaleja. Kuten liekki-, HVOF- ja VPS- ruiskutusmenetelmissä myös plasmaruiskutuksessa käytettävä pinnoitemateriaali on jauhemaista.

Plasmaruiskutusmenetelmässä kaasu kuumennetaan volframisen katodin ja putkimaisen, kuparista valmistetun anodin välillä. Kaasun avulla plasmapistoolissa sytytetään katodin ja anodin välille sähköä johtava valokaari, jossa kaasu kuumenee yli 12000 °C:een. Anodiin syötetään keskeytymättä uutta, kylmää kaasua, joka kuumenee ja syntyy kuuma plasmaliekki, johon jauhemainen pinnoitelisäaine syötetään.

Pinnoitejauhe sulaa kuumassa, nopeasti virtaavassa liekissä – kaasun nopeus on 100…200 m/s - ja saa liike- energian: sulat pinnoiteainepartikkelit iskeytyvät pinnoitettavan kohteen pintaan ja jähmettyvät pinnoitteeksi, jonka paksuus on 0,1…1,0 mm. Plasmaruiskutuksella valmistetun pinnoitteen tartuntalujuus on erittäin korkea.

Plasmapinnoituksessa pinnoituspistooli liikkuu 50…100 mm etäisyydellä pinnoitettavasta kohteesta. Pinnoitusprosessin aikana pinnoitettavan kappaleen lämpötila pysyy tavallisesti alle 200°C:ssa – kuten muitakin termisiä ruiskutusmenetelmiä käytettäessä. Plasmaliekin ulkopuolelta tuleva ilma jäähdyttää pinnoitettavaa kappaletta tehokkaasti sekä liekkiä ja usein myös estää kappaleen liiallisen kuumenemisen. Liekkiin sekoittuva ilma toisaalta myös hapettaa metallisia pinnoitteita.

Plasma tarkoittaa sellaista kaasua, jonka lämpötila on nostettu niin korkeaksi, että kaasu on ionisoitunut ja muuttunut sähköä johtavaksi. Tämän teknologian avulla melkein minkä tahansa metallin ja keramiikan ruiskuttaminen eri materiaaleihin tuottaa poikkeuksellisen vahvan sidoksen. Perusaineen vääristymä on minimaalinen menetelmää käytettäessä. Plasmapinnoituksessa plasma saadaan aikaan valokaaren avulla, ruiskutuspistoolin suuttimen sisällä.

Plasmapinnoittaminen – edut ja ominaisuudet

Plasmapinnoitusmenetelmässä käytettävä pinnoitemateriaali on monipuolinen ja laaja – pinnoittamisessa voidaan käyttää lähes kaikkia materiaaleja. Pinnoitusnopeus on suuri ja pinnoitusprosessi on automatisoitavissa. Ilmanpaineinen plasmapinnoitusmenetelmä on monipuolisin termisistä ruiskutusmenetelmistä. Menetelmän suurin etu onkin se, että ruiskutuksessa voidaan käyttää lukuisia materiaaleja – metalleista aina tulenkestäviin keraamisiin materiaaleihin – ja sen avulla voidaan pinnoittaa niin pieniä kuin suuriakin komponentteja.

Plasmapinnoitusmenetelmää käytetään esimerkiksi komponenttien kunnostuksessa, vanhojen ja kuluneiden osien kunnostamisessa, korroosion estoon, abraasion ja eroosion estoon, kavitaatiokulumisen estoon, liukukulumisen sekä gallingin, frettingin ja adhesiivisen kulumisen estoon. Menetelmää käytetään myös välysten säätöön (välyskontrolli), hapettumisen ja sulffidoitumisen estoon sekä termisten ja sähköeristyspinnoitteiden – vastus, johtavuus - valmistamiseen. Korkea lämpötila, suurenerginen lämmönlähde + suhteellisen reagoimaton ruiskutusaine (yleensä argon) yhdistettynä suureen hiukkasnopeuteen – plasmaruiskutusmenetelmän avulla aikaansaadaan korkealaatuinen pinnoite!

Plasmapinnoitus – käyttökohteet

Plasmapinnoitusmenetelmä on monipuolinen ja sillä saavutettavat ominaisuudet erinomaiset. Niinpä menetelmä on pinnoitusteknologien suosima – plasmapinnoitusmenetelmän tarjoama pinnoitusainevalikoima on laajin.

Plasmapinnoitusmenetelmää käytetään esimerkiksi kaasuturbiineissa, kaasuturbiinin polttolaitteessa, laserkaiverruksissa käytettävissä tulostusrullissa, dieselmoottoreiden mäntärenkaisiin, öljyn- ja kaasuntuotannon poraustyökaluihin jne. Pinnoitteella estetään esimerkiksi hankauskorroosiokulumista, suojataan kappaletta korkeassa lämpötilassa (lämpöeristepinnoitteet), lisätään kulumisenkestoa tai hankautumisenkestoa tai eroosionkestoa.

Plasmapinnoitusmenetelmä on tarkoituksenmukainen pinnoitusratkaisu useille eri käyttökohteille – niin alhaisissa kuin korkeissakin lämpötiloissa.

Ilmanpaineinen plasmaruiskutusmenetelmä

APS-ilmanpaineinen plasmaruiskutus - vakuumi-, alipaine- ja normaalipaineplasmaruiskutus (VPS, LPPS ja LVPS)

Vakuumi- eli alipaineplasmaruiskutusmenetelmässä pinnoitus tehdään suljetussa kammiossa. Pinnoituskammiossa ympäröivän kaasun koostumus on säädelty Kaasu on hapetonta eli metallisten pinnoitteiden hapettuminen vältetään. Plasmapistoolissa lisäainejauhetta kuumentavana kaasuna on tavallisesti argon tai helium ja vety. Kaasuista muodostuu kammioon kaasuympäristö, joka suojaa sekä pinnoitettavaa kappaletta että pinnoitejauhetta. Suljetussa pinnoituskammiossa pinnoittamiseen käytetään robottia tai manipulaattoria – säädöt (pinnoitusparametrit, pinnoituspistoolin liikeradat, plasmateho) tehdään pinnoituskammion ulkopuolelta.

Kammion paine voi olla jopa vain 50 mbar. Pinnoituskammiota voidaan käyttää myös korotetussa paineessa (4 bar). Kammion atmosfääri suojaa pinnoitettavaa kohdetta ja/tai pinnoitetta hapettumiselta. Kuten aiemmin jo mainittiin, pinnoitteen hapettuminen on pinnoiteainepartikkelien korkean lämpötilan (> 1500°C) takia voimakasta. Myös pinnoitettava kohteen hapettuminen on voimakasta sen korkean lämpötilan (>700°C) takia.

Vakuumiplasmapinnoitusmenetelmässä pinnoitettava kohde kuumennetaan korkeaan lämpötilaan, mikä mahdollistaa korkealaatuisen pinnoitteen tuottamisen: kuuman kappaleen päälle ruiskutettu pinnoite on tiivis ja kiinnittyy alustaan hyvin, sillä pinnoitettavan kappaleen lämpötila varmistaa pinnoitteen ja pinnoitettavan kappaleen välille syntyvän metallurgisen sidoksen muodostumisen.

Vakuumiplasmaruiskutusta (VPS) käytetään kaasuturbiinien siipien pinnoittamiseen. VPS on kallis pinnoitusmenetelmä, joten sitä sovelletaan harvoin perinteisten voimalaitoskomponenttien pinnoittamiseen.

Kontrolloiduissa oloissa – suljetussa pinnoituskammiossa – pinnoittamisen etuja on mm. pinnoitteen ja pinnoitettavan pohjamateriaalin välinen luja, metallurginen sidos, pinnoitteen tiiveys, oksiditon pinnoite sekä tasalaatuiset pinnoitteen ominaisuudet. Tämäntyyppinen pinnoitusmenetelmä ei aiheuta pinnoitteen tai pinnoitettavan kappaleen kontaminaatiota. Menetelmän avulla voidaan valmistaa myös erittäin paksuja pinnoitteita. Pinnoitusprosessin melutaso on alhainen ja pinnoitustehokkuus suuri. Prosessi on automatisoitu ja se on hyvin toistettavissa. Pinnoitusmenetelmä on myös ympäristöystävällinen.

Pinnoitemenetelmän käyttökohteita ovat oksidivapaiden ja kuumakorroosiopinnoitteiden valmistaminen sekä lääketieteellisten pinnoitteiden ja korkealuokkaisten, heijastavien pinnoitteiden valmistus. Sovelluskohteita ovat myös pinnoittaminen kovaa kemiallista rasitusta vastaan ja kuituvahvisteisten komposiittipinnoitteiden valmistus.

Termiset pinnoittamismenetelmät

Kovapinnoitteita valmistetaan termisillä pinnoitusmenetelmillä, joita ovat esimerkiksi valokaaripinnoitus, liekkiruiskutus, plasmapinnoitus ja HVOF-ruiskutus.

Termiset ruiskutusmenetelmät ovat kylmäpinnoitusmenetelmiä eli pinnoitettavan kohteen lämpötila ei yleensä nouse 150…200°C korkeammaksi. Pinnoitettavan kappaleen muodon- ja aineenmuutoksilta vältytään, kun lämpötila ei nouse korkeammaksi.

Termisiä pinnoitusmenetelmiä käytettäessä pinnoiteaineen tarttuminen pinnoitettavaan kohteeseen on osittain mekaanista. Tämä vaikuttaa menetelmien käyttöön ja asettaa käytölle tiettyjä rajoituksia.

Termisten ruiskutusmenetelmien avulla voidaan pinnoittaa eri materiaaleista valmistettuja kappaleita. Myös pinnoitemateriaalivaihtoehtoja on lukuisia – eri käyttökohteisiin ja -tarkoituksiin. Pinnoitteet voivat olla metalleja, muoveja, keraameja sekä näiden yhdistelmiä. Pinnoitteilla voidaan vaikuttaa pinnoitettavan kohteen kulumisenestoon, korroosionestoon, kitkaan (joko lisäämään tai vähentämään kitkaa), sähkönjohtavuuteen tai sähköneristykseen, lämmöneristykseen jne. Pinnoitteilla myös korjataan väärin koneistettuja tai kuluneita kappaleita.

Pinnoitemateriaalin lisäksi myös pinnoitteen paksuus vaikuttaa pinnoitettavan kohteen ominaisuuksiin. Pinnoitteen paksuuteen vaikuttaa pinnoitteen kovuus: kovimmat pinnoitteet ovat erittäin ohuita (max 500…600 µm).

Yleisimmät pinnoiteaineet ovat volframi ja kromikarbidi. Termisiä ruiskutusmenetelmiä käytetään monilla teollisuuden aloilla, moniin kohteisiin: termisten pinnoitusmenetelmien avulla voidaan pidentää koneiden käyttöikää ja vähentää niiden huollon tarvetta.





Ota yhteyttä!

Virtasen Koneistamo Oy on plasmapinnoituksen sekä muiden termisten pinnoitusmenetelmien asiantuntija.


Virtasen Koneistamo Oy
Salorankatu 8
24240 SALO

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

www.virtasenkoneistamo.fi

Virtasen Koneistamo Oy logo