Na czym polega metalizacja natryskowa?

Stosowanie metalizacji natryskowej jest metodą o dość długiej historii, która od ponad wieku wciąż jest udoskonalana i poprawiana. Dzięki różnym sposobom ulepszania powierzchni materiału proces ten pomaga w wytwarzaniu maszyn i urządzeń oraz ich naprawach. Sprawdza się także przy zabezpieczaniu przedmiotów codziennego użytku, a także dużych instalacji, konstrukcji i pojazdów. Wielką zaletą jest też stosunkowo niski koszt technologii.

Metalizacja natryskowa jako sposób na ulepszenie powierzchni materiału

Dążenie do ulepszenia powierzchni materiału przez poprawę jego właściwości pod kątem konkretnego zastosowania lub czynników, z którymi będzie miał kontakt, jest obecne we wszystkich branżach związanych z wytwarzaniem materiałów, półproduktów czy gotowych wyrobów. Różne rozwiązania z tego zakresu stosuje się dla polepszenia wyglądu, uzyskania specjalnych właściwości fizycznych, przygotowania do wykonania procesów technologicznych, zwiększenia wytrzymałości na obciążenia dynamiczne i statyczne, ale także w celu uzyskania odporności na ścieranie, erozję czy wszelkiego typu rodzaje korozji. Większość działań związanych ze staraniami o poprawę własności powierzchni wyrobu ma swoje źródła w działalności rzemieślniczej i stanowi ich rozwinięcie. Za pierwowzór takich działań można uznać staranne wygładzanie pierwszych narzędzi kamiennych, hartowanie metalu czy wreszcie nakładanie tłuszczu na warstwę tkaniny w celu zapewnienia jej wodoodporności. Wśród różnych metod wykorzystywanych przez wieki wraz z rozwojem techniki i technologii produkcji różnych materiałów szczególne znaczenie uzyskało nakładanie różnych rodzajów powłok – zauważa przedstawiciel firmy TECHROM, specjalizującej się w zabezpieczaniu antykorozyjnym i ogniochronnym metali.

Do najbardziej rozpowszechnionych należy z pewnością malowanie, jednak poza farbami wszelkie materiały pokrywa się także tworzywami sztucznymi, elastomerami, smarami i impregnatami, krzemianami służącymi do uzyskania powłoki ceramicznej czy szklonej, jak również metalami oraz pierwiastkami metalicznymi. Wśród różnych metod związanych z dziedziną nazywaną inżynierią powierzchni do zmiany cech fizycznych, chemicznych lub przekształcenia struktury zewnętrznej warstwy materiału stosuje się szeroką paletę sposobów wykorzystujących różne zjawiska – absorpcję związaną z pochłanianiem i rozpuszczaniem jednego związku w innym, adsorpcję łączącą się z gromadzeniem substancji na granicy faz między materiałami czy dyfuzję polegającą na przenikaniu pierwiastków albo wreszcie adhezję, wykorzystującą silne oddziaływania między atomami tworzącymi różne, lecz stykające się struktury.

Do uzyskiwania efektów związanych z ulepszaniem właściwości powierzchni wykorzystuje się różne metody. Są wśród nich oddziaływania fizyczne np. implantacja jonów, chemiczne i elektrochemiczne, polegające choćby na trawieniu materiałów, cieplno-chemiczne stosowane m.in. przy nasycaniu – azotowaniu czy nawęglaniu. Używanymi sposobami wpływania na charakterystykę zewnętrznej warstwy materiału będzie także obróbka cieplna z hartowaniem, wyżarzaniem lub napawaniem, oddziaływania mechaniczne m.in. obróbka plastyczna, jak również metody mechaniczno-cieplne – platerowanie, nadtapianie lub natryskiwanie związane z nakładaniem rozmaitych powłok.

Metodą, która ma szczególne znaczenie w zastosowaniach przemysłowych, jest zwłaszcza natryskiwanie, dzięki któremu w stosunkowo prosty sposób na powierzchnię można nanosić cienką warstwę dowolnie wybranego metalu.

Metody nakładania powłok stosowane przy metalizacji natryskowej

Metalizacja natryskowa wiąże się topieniem odpowiedniego metalu podawanego w postaci sproszkowanej, drutu, taśmy albo pręta, rozpylaniem go za pomocą gazu stającego się nośnikiem oraz jego przyleganiem do ulepszanej powierzchni. Warstwa powstająca w wyniku natryskiwania osadza się w postaci mieszaniny cząstek, z których część znajduje się w stanie płynnym, półpłynnym oraz niestopionym. Cząsteczki płynne i półpłynne łączą się z materiałem dzięki połączeniu mechanicznemu – wnikając w pory, a następnie zastygając. Połączenie ma również charakter adhezyjny, gdyż naniesiona powłoka tworzy płaską i rozległą strukturę, co wytwarza silne oddziaływania między cząsteczkami obu materiałów. Ważnymi elementami pozwalającymi na wykonywanie metalizacji natryskowej jest wytrzymałość termiczna podłoża, które powinno mieć nieco wyższą temperaturę topnienia, a także jego odpowiednia chropowatość poprawiająca stopień złączenia obu substancji. Liczyć będzie się także dokładne oczyszczenie powierzchni, zwłaszcza z resztek smarów, olejów czy warstwy tlenków. Grubość warstwy, jaką można wytworzyć w procesie metalizacji natryskowej, waha się od 0,01 mm do nawet 12,5 mm. Co ważne, grupa rodzajów materiałów na powłoki, które mogą być w ten sposób naniesione, obejmuje bardzo wiele metali m.in. molibden zwiększający odporność na wysoką temperaturę, cynk lub aluminium zapewniające ochronę przeciwkorozyjną albo brąz, poprawiający odporność na ścieranie.

Metalizacja może być przeprowadzana na różne sposoby w zależności od technologii dostarczania energii niezbędnej do stopienia i umieszczenia metalu na ulepszanej powierzchni. Najstarszą metodą wykorzystywaną od wynalezienia natryskiwania w 1909 roku jest natryskiwanie płomieniowe. W tym przypadku używany jest zwykle acetylen, spalany w atmosferze tlenowej, choć używa się również propan-butanu, metanu czy wodoru, a roztopiony metal jest wyrzucany przez gazy spalinowe lub dodatkowo doprowadzane sprężone powietrze. Uzyskiwanie powłok o większej grubości wymaga nakładania kilku warstw. Metalizacja metodą gazowo-płomieniową może być wykonywana za pomocą proszku. Podstawowymi zaletami będzie tu mało skomplikowana aparatura, którą łatwo przemieszczać i wysoka wydajność, problemem okazuje się jednak wysoka porowatość powłoki, a także jej niewielka adhezyjność. Jest zwykle wykorzystywana przy zabezpieczaniu antykorozyjnym większych konstrukcji lub urządzeń przez natrysk cynku albo aluminium.

Innym sposobem rozgrzewania metalu jest wykorzystywanie łuku elektrycznego, który zostaje rozżarzony między dwoma elektrodami z drutu, które podobnie jak przy spawaniu elektrodą otuloną zarazem stanowią materiał wykorzystywany w całym procesie. Przy natryskiwaniu łukowym cząsteczki roztopionego metalu są transportowane za sprawą strumienia sprężonego powietrza. Powłoki uzyskiwane w ten sposób wyróżniają się niższą porowatości niż w przypadku natryskiwania płomieniowego, a ich adhezja jest większa. Poza cynkiem i aluminium można w ten sposób nanosić także miedź, nikiel lub brąz.

Kolejną metodą natryskiwania jest natryskiwanie plazmowe. W tym przypadku energia jest dostarczana przez plazmę wytwarzaną wskutek zajarzenia łuku elektrycznego i zapalenia dostarczanego gazu – najczęściej argonu bądź jego mieszanki z helem, azotem lub wodorem. Ze względu na wytwarzaną bardzo wysoką temperaturę dysza do natryskiwania musi być chłodzona. Natryskiwane cząsteczki mają wysoką prędkość i tworzą wyjątkowo odporne powłoki. Mogą być nanoszone w atmosferze gazu ochronnego lub bez niej, a także w próżni. Zaletą natryskiwania plazmowego jest możliwość używania metali trudnotopliwych, problemami jest wysoki hałas i skomplikowana oraz kosztowna aparatura.

Popularną metodą metalizowania natryskowego jest korzystanie z metody HVOF (High Velocity Oxy–Fuel) – naddźwiękowego nanoszenia paliwowo-tlenowego. W tym przypadku temperatura jest osiągana dzięki spalaniu tlenu i gazu (acetylenu, etylenu lub propylenu) albo paliwa ciekłego (nafty lotniczej). Roztapiany proszek jest wyrzucany z prędkością naddźwiękową za sprawą strumienia argonu albo azotu. Zaletami metody jest możliwość osiągania niewielkiej porowatości, bardzo dobrej przyczepności oraz fakt, że w procesie powstaje znikoma ilość tlenków.

Zalety korzystania z procesów metalizacji natryskowej

Metalizacja natryskowa to proces, który wyróżnia się wieloma unikalnymi zaletami. Pozwala na nanoszenie powłok z różnych rodzajów metali – cynku, będącego pierwszym z nanoszonych w ten sposób związków, ale także aluminium, miedzi, brązów, niklu, molibdenu oraz wszelkich typów stali. Metody natryskowe sprawdzają się także w przypadku pierwiastków niemetalicznych, takich jak węgliki, azotki, borki czy tlenki. Za jej pomocą jest możliwe nanoszenie materiałów ceramicznych, cermetali czy polimerów. Różne mogą być także powierzchnie, które poddaje się ulepszaniu. Choć w przeważającej mierze są to wszelkie rodzaje metali, to natryskiwanie można wykonywać również na tworzywach sztucznych, ceramice oraz kompozytach.

Powłoki wykonywane za pomocą metalizacji natryskowej mogą pełnić różne funkcje – chronić przed przyspieszonym ścieraniem, udarami, działaniem erozyjnym, zabezpieczać przed korozją czy też wpływem wysokich temperatur, a także przed połączonym oddziaływaniem kilku czynników. Metoda ta jest używana najczęściej w przypadku wielkogabarytowych elementów, których nie można zanurzyć w wannie i poddać cynkowaniu ogniowemu. Należą do nich przęsła pomostów, rurociągi, zbiorniki, balustrady i ogrodzenia. Technologię natryskiwania można wykorzystywać także przy wytwarzaniu powierzchni ślizgowych łożysk, naprawie i regeneracji powierzchni elementów maszyn i urządzeń oraz uzupełniania wad powstałych przy produkcji i obróbce materiałów. Z pomocą natryskiwania powstają m.in. powierzchnie zabezpieczające przed zużyciem wewnętrznej części korpusów maszyn, panwie sprzęgieł, wnętrza cylindrów w silnikach spalinowych, a także w siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych. W ten sposób ulepsza się tłoki, sworznie, wały, piasty czy wszelkiego rodzaju czopy. Trzeba pamiętać, że proces metalizacji natryskowej wymaga odpowiedniego przygotowania powierzchni, zarówno jeśli chodzi o jej czystość, jak i jej chropowatość. W tym celu często stosuje się różne rodzaje obróbki strumieniowo ściernej, np. piaskowanie z wykorzystaniem korundu. W przypadku wielu powłok niezbędne będzie także zmniejszenie wymiarów części, tak by po całym procesie zachować ja na wymaganym poziomie.

Nowoczesne techniki natryskiwania pozwalają na uzyskiwanie równomiernych powłok o wybranej grubości, a także osiąganie wysokiej adhezji i niskiej porowatości. Ze względu na dużą wydajność metalizowanie natryskowe jest przystępne pod względem kosztów i bardzo konkurencyjne w porównaniu z innymi metodami nakładania powłok. Ważne są także możliwości zabezpieczania elementów o dużych rozmiarach, w tym istniejących już konstrukcji.