Document made with KompoZer by Jonas Van der Borght

Inhoud

Inhoud

1       Inleiding

1.1        Definitie en doel van oppervlaktebehandeling

1.2        Keuze van de oppervlaktebehandeling

1.3        Voorbereiding oppervlaktebehandeling

1.4.       Aanbrengen van oppervlaktelagen

2       Galvaniseren

2.1        Wat is galvaniseren?

2.2        Doel van het galvaniseren.

2.3         De werking van het galvaniseren.

2.3.1     Galvanisatie met een externe stroombron

2.3.2     Galvanisatie zonder externe stroombron

2.4        Gereedschap

2.5        Materialen

3       Metallische deklagen

3.1        Stroomloze metaalafzetting

3.1.1     Proces

3.1.2     Voorbeeld (bekleden van staal met koper in een bad van kopersulfaat)

3.2        Stroomloos vernikkelen

3.2.1  Autokatalytisch vernikkelen

3.2.2  Eigenschappen

3.3        Stroomloos verkoperen

4       Conversiedeklagen

4.1        Anodiseren

4.1.1     Wat is anodiseren?

4.1.2     Doel van anodiseren

4.1.3     Proces

4.1.4     Hard anodiseren

4.1.5     Toepassingen

4.1.6     Eigenschappen 

5       Dunne deklagen

5.1        Physical vapor deposition (PVD)

5.1.1     Verdampen

5.1.1.1     ARC 

5.1.2     Magnetron sputteren

5.1.2.1     DC

5.1.2.2     RF

5.2        Chemical vapor deposition (CVD)

6       Oplassen

6.1        Wat is oplassen?

6.2        Principe van oplassen.

7       Metaalspuiten

7.1        Hechtprincipe van een thermisch gespoten deklaag

7.2        Overzicht van de thermische spuitprocessen

7.2.1     Autogeen draadspuiten

7.2.2     Autogeen poederspuiten

7.2.3     Hogesnelheidspuiten

7.2.4     Elektrisch draadspuiten

7.2.5     Plasmaspuiten

7.2.6     Koudgasspuiten (Coldgas spraying)

8       Diffusieverzinken

8.1        Wat is diffusieverzinken?

8.2        Proces

8.3        Kenmerken

8.4        Toepassingen

9       Zandstralen

10    Bibliografie

         

 

 

1      Inleiding

1.1           Definitie en doel van oppervlaktebehandeling

Een oppervlaktebehandeling of coating is een handeling waarbij een deklaag op een ondergrond          wordt aangebracht. Behalve de algemeen bekende behandelingen ter verfraaiing of bescherming van oppervlakten zijn er nog vele andere redenen waarom men tot oppervlaktebehandeling wil overgaan. Door oppervlaktebehandeling verandert men de eigenschappen van het oppervlak. Hieronder volgt een opsomming van eigenschappen die we aan een product kunnen veranderen via oppervlaktebehandeling:

     corrosiebescherming;

     verfraaiing;

     glij- en /of slijteigenschappenverbetering;

     verbetering van de oppervlaktehardheid;

     reflectie van licht en warmte;

     oppervlaktegeleidbaarheidsverandering ten aanzien van warmte of elektriciteit;

     weerstand tegen bijvoorbeeld chemische aantasting;

     soldeerbaarheid;

     herkenbaarheid.

Vaak worden combinaties van bovengemelde eigenschappen nagestreefd. Onze huishoudapparaten zoals koelkasten, ovens, wasmachines enz. zijn een goed voorbeeld van corrosiebescherming en verfraaiing.

Bij metalen kan de oppervlaktebehandeling door een chemische behandeling worden gerealiseerd. Omdat hierbij materiaal wordt omgezet, wordt dit ook wel het opbouwen van een conversielaag genoemd.

 

1.2           Keuze van de oppervlaktebehandeling

Om het doel te bereiken – verandering van eigenschap(pen) – moet er een juiste keuze  worden gemaakt van de oppervlaktebehandeling die gaat worden toegepast.

Belangrijke factoren die deze keuze beďnvloeden zijn:

     welke eigenschap(pen) van het moedermateriaal willen we veranderen;

     welke kwaliteit is vereist;

     omstandigheden waaronder het product moet functioneren;

     vorm van het product;

     onderhoud en reparatie;

     oppervlaktetoestand van het moedermateriaal;

     aantal stuks;

     gewenste levensduur;

     milieuaspecten;

     de prijs.

1.3           Voorbereiding oppervlaktebehandeling

Voor het aanbrengen van een oppervlaktelaag moet het oppervlak van het moedermateriaal een bewerking ondergaan zodat een goed hechting kan worden verkregen.

Afhankelijk van de soort oppervlaktegesteldheid van het moedermateriaal en de soort bekleding waar men voor kiest, zijn voorbewerkingen meestal noodzakelijk.

Bij reparaties of onderhoud moeten oppervlaktelagen vaak vervangen of gerepareerd worden. De voorbewerkingen zijn dan vaak ingewikkeld en duur.

Voorbeelden van mogelijke voorbewerking zijn: ontvetten, ontlakken, oxiden verwijderen, afroesten, beitsen, ontkolen, bikken, slijpen, stralen, schuren, borstelen, vlamstralen, branden, trommelen en polijsten.

Afhankelijk van de materialen, afmetingen enz. wordt voor één of meerdere bovengenoemde reinigingsmethoden gekozen. Niet ongenoemd mag blijven dat bij veel voorbewerkingen een afvalprobleem kan ontstaan.

Een belangrijke reinigingsmethode is het stralen. Bij deze methode worden korrels met grote kracht op het metaaloppervlak gespoten. Als straalmiddel worden diverse producten toegepast: koperslak, hoogovenslak, glaskorrels, korund, staalkorrels, siliciumcarbide enz. .

Bij het stralen in straalcabines kan het straalmiddel worden teruggewonnen. Dit in tegenstelling tot het stralen in de openlucht. In dit laatste geval maakt men dan ook meestal gebruik van goedkopere eenmalige straalmiddelen. De kwaliteit van het straalwerk is erg belangrijk met betrekking tot de levensduur van de aan te brengen oppervlaktelaag.

 

1.4.        Aanbrengen van oppervlaktelagen

Voor het aanbrengen van oppervlaktelagen zijn een groot aantal methoden ontwikkeld die ieder hun eigen toepassingsgebied hebben. Het aanbrengen kan gebeuren met of door middel van: kwast, roller, borstel, spuit, dompelen, sinteren, wals, spatel, trommelen, elektrochemische werking, opdampen, oplassen, chemische werking.

Metaallagen kunnen worden aangebracht door:

     onderdompelen van het moedermateriaal in het gesmolten metaal dat de deklagen moet vormen (thermishe deklagen);

     via een elektrochemisch proces op het grondmetaal aangebracht (galvanische deklaag);

     een chemisch reductieproces (chemische deklaag);

     metaalspuitproces;

     de afdeklaag bij meestal hoge temperatuur in het grondmetaal te laten diffunderen (diffusielaag);

     opdampen in een vacuüm.

 

Kunststofbekledingen worden aangebracht door:

     opwalsen;

     lijmen van folie of plaat;

     poederspuiten;

     sinteren na opspuiten;

     wervelsinteren.

 

 

 

 

 

 

 

 

2      Galvaniseren

2.1           Wat is galvaniseren?

Galvaniseren (ook: galvanisatie, galvanotechniek of elektroplating) is een methode die gebruikmaakt van elektriciteit om een voorwerp te bedekken met een laagje metaal.
Door middel van galvaniseren kan bijvoorbeeld een ijzeren plaat worden voorzien van een laagje zink, nikkel of chroom om het meer corrosiebestendig te maken of mooier te laten glanzen.

 

2.2           Doel van het galvaniseren.

Door een metalen werkstuk van een deklaag van een ander metaal te voorzien, kan men profiteren van de eigenschappen van beide metalen.

Voordelen:

 

-       minder gevoelig voor corrosie (bijvoorbeeld roesten);

-       een fraaier uiterlijk (glans en kleur);

-       krasbestendigheid, wat samenhangt met de hardheid van het materiaal;

-       gewenste elektrische eigenschappen, zoals de geleidbaarheid.

Nadelen:

 

-       beschadiging versnelt het corrosieproces;

-       de beschermlaag wordt in de levensloop aangetast;

-       minder bestand tegen zeewater.

 

2.3            De werking van het galvaniseren.

Er zijn twee methoden van galvaniseren:

-       Galvanisatie met behulp van een externe stroombron,

 

-       Galvanisatie door middel van een reductiemiddel dat in de elektrolyt aanwezig is.

 

 

2.3.1                Galvanisatie met een externe stroombron

Bij deze vorm van galvanisatie wordt het voorwerp in een zoutoplossing ondergedompeld (met het metaal als ion in het zout), waardoorheen via een externe bron een stroom wordt geleid, waarbij het voorwerp als kathode wordt gebruikt. Er treedt dan een redoxreactie op.

De volgende procedure wordt hierbij gevolgd:

1)      Een zout van het metaal dat het laagje moet vormen, bijvoorbeeld zinkchloride, wordt opgelost in een bak met water. Dit betekent, dat het zout uiteenvalt in ionen. Bijvoorbeeld ZnCl2 vormt Zn2+ kationen en Cl- anionen.

2)      Het voorwerp dat van een metaallaagje moet worden voorzien, wordt aangesloten op de negatieve pool van een stroombron. De externe stroombron stuurt dus extra elektronen naar deze pool.

3)      Een ander metalen voorwerp wordt op de positieve pool aangesloten. Beide voorwerpen worden in de vloeistof gedompeld, waarna er een stroom gaat lopen.

4)      Doordat het voorwerp, dat van een metaallaagje moet worden voorzien, kathode is, worden de metaalionen gereduceerd tot het metaal. Deze metaalionen nemen, naargelang hun valentie, elk één of meer van de door de stroombron aangeboden elektronen op en slaan het metaal neer op het voorwerp.

 

2.3.2                Galvanisatie zonder externe stroombron

Een stroom doorvoeren is niet noodzakelijk. Er zijn ook zogenaamde stroomloze processen waarbij een reductiemiddel in de elektrolyt aanwezig is. Dit wordt vooral bij de nikkelafscheiding toegepast. Maar ook bij de afscheiding van metalen als zilver, goud en koper. Dit zijn autokatalytische processen; het afgescheiden metaal zelf is de katalysator voor het reductieproces. Een voorbeeld van dit proces is het zogenaamde "chemisch nikkel".

 

2.4           Gereedschap

Als gereedschap kun je het proces in zijn geheel bekijken. De instrumenten die hier worden gebruikt, zijn machines die producten in de baden dompelen. Na het proces wordt er een meetgereedschap gebruikt om te kijken of er genoeg metaal is aangebracht op het product. De gereedschappen die worden gebruikt zijn geautomatiseerd, deze machines (gereedschappen) zijn compleet ingesteld op het proces.

 

 

 

 

2.5           Materialen

Het is in principe mogelijk om alle metalen uit een waterige oplossing van hun zout neer te slaan. In sommige gevallen zijn de procesparameters echter zo extreem dat zich op economische gronden (nog) geen commerciële processen hebben gevormd. De volgende metalen worden op grote schaal toegepast: Zink- en zinklegeringen

-       Nikkel

-       Chroom

-       Koper

-       Tin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3      Metallische deklagen

Metallische deklagen worden toegepast om oxidatie te voorkomen.

Methodes om metallische deklagen aan te brengen zijn:

     Stroomloze metaalafzetting

     Stroomloos vernikkelen

     Stroomloos verkoperen

     Thermische metaalafzetting

 

3.1           Stroomloze metaalafzetting

Deze methode is van weinig belang, want deklagen gevormd door stroomloze afzetting hebben meestal ongunstige eigenschappen of zijn te dun om praktisch van nut te zijn.

 

3.1.1                Proces

Stroomloos bekleden is het eenvoudigste bekledingsproces: het te bekleden voorwerp wordt gewoon ondergedompeld in een bad met chemicaliën en de deklaag ontstaat zonder dat daarbij energie zoals stroom wordt toegevoegd.

 

3.1.2                Voorbeeld (bekleden van staal met koper in een bad van kopersulfaat)

Het ijzer wordt door de kopersulfaatoplossing opgelost. De ijzerionen die als gevolg van deze aantasting ontstaan, vervangen koperionen in de oplossing. De koperionen worden tot metallisch koper gereduceerd door van het corroderende ijzer elektronen af te nemen. De deklaag die op deze manier ontstaat, is niet erg geschikt voor machineonderdelen, maar in de industrie gebruikt men het soms als eerste stap bij het galvaniseren van moeilijk te bekleden metalen (aluminium en magnesium) en van kunststoffen.

 

3.2            Stroomloos vernikkelen

Bij stroomloos vernikkelen wordt er geen uitwendige elektrische energie toegevoerd: het werkstuk wordt gewoon ondergedompeld in het bad met chemicaliën en daar ontwikkeld zich een deklaag. Het metaal wordt afgezet als gevolg van een chemische reductie van metaalionen. Zo bestaat het bad dat voor chemisch vernikkelen wordt gebruikt, uit water waarin zowel nikkelzouten als een reductiemiddel zijn opgelost, en waaraan bovendien chemicaliën zijn toegevoegd die de pH en de reactiesnelheden regelen.

 

3.2.1  Autokatalytisch vernikkelen

In het bad wordt een geschikt basismateriaal ondergedompeld, het basismateriaal werkt als katalysator: het bevordert dat de opgeloste nikkelionen, door het reductiemiddel worden gereduceerd. De ionen nemen nu geen elektronen op van een kathode, zoals bij galvaniseren gebeurt. Het reductiemiddel zorgt ervoor dat de opgeloste metaalionen worden gereduceerd, het te bekleden metaal dient daarbij als katalysator. In een nikkelsulfaatbad met natriumhypofosfiet als reductiemiddel treedt de volgende reactie op:

NiSO4  + NaH2PO2 + H2O(hitte katalysator) → nikkeldeklaag + NaHPO3 + H2SO4

De beste katalysatoren voor dit proces zijn ijzer, nikkel, kobalt en palladium, maar ook metalen die zelf geen katalytisch effect hebben, kunnen chemisch worden vernikkeld. Er vormt zich namelijk in eerste instantie een nikkelafzetting door een redoxreactie, en het aldus gevormde nikkeloppervlak wordt vervolgens de katalysator voor de reductie. Vandaar de term autokatalytisch. Wanneer het basismateriaal volledig met nikkel is bedekt, gaat het bekledingsproces dus gewoon door. De laag blijft aangroeien. De snelheid waarmee de dikte toeneemt, bedraagt gewoonlijk 2,5 tot 12,5 µm/uur. De warmte die in de reactie meespeelt (zie de reactievergelijking) komt van de oplossing, die een temperatuur heeft in de buurt van het kookpunt van water (100 °C).

 

3.2.2  Eigenschappen

De stroomloos aangebrachte nikkeldeklaag heeft een hoge dichtheid en is een verhoudingsgewijs hard materiaal (43 tot 55 HRC). Zulke nikkeldeklagen zijn geen zuiver nikkel, maar bestaan uit nikkel-fosforlegeringen die 4 % tot 12 % fosfor bevatten en reageren op een warmtebehandeling. De hardheid van de deklaag kan tot ongeveer 65 HRC worden verhoogd door middel van precipitatieharden, waarbij het materiaal gedurende 2 uur op 345 °C wordt gehouden. Bij stroomloos vernikkelen ontstaat er een deklaag van homogene dikte en worden alle bevochtigde oppervlakken – inclusief blinde gaten - bekleed.

Wanneer een werkstuk wordt bekleed om de maten te corrigeren, heeft stroomloos vernikkelen het voordeel dat er geen hoekaangroei optreedt. Nikkel heeft een betere corrosieweerstand dan cadmium en zink, en omdat het zo hard is, is het bovendien duurzamer. Stroomloos vernikkelen wordt veel voor machineframes, grondplaten, fittingen en allerlei machineonderdelen gebruikt. Vanwege de lage afzettingssnelheid wordt de nikkellaag gewoonlijk niet dikker dan maximaal 50 µm. Voor gewone industriële toepassingen is een deklaag van ongeveer 25 µm in het algemeen voldoende.

 

3.3           Stroomloos verkoperen

Stroomloos verkoperen blijkt in de praktijk een moeilijk proces te zijn. Het vereist een zeer nauwkeurige procescontrole. Desondanks wordt stroomloos verkoperen op grote schaal toegepast bij de vervaardiging van printplaten en gedrukte bedradingen. Er zijn verschillende technieken.

Subtractieve techniek

Bij de subtractieve techniek gaat men uit van een plaat isolatiemateriaal waarop een dunne koperlaag wordt aangebracht. Vervolgens wordt deze koperlaag gedeeltelijk afgedekt met behulp van een grafisch proces, waarna het niet-beschermde koper door een etsproces wordt opgelost. Het banenpatroon blijft over.

Additieve techniek

Bij de additieve techniek gaat men uit van een niet-bedekte plaat isolatiemateriaal, waarop na plaatselijk afdekken stroomloos koper wordt neergeslagen. Verschillende combinaties van technieken komen voor, onder meer om de aanvankelijke koperlaagdikte te vergroten en ook voor het inwendig verkoperen van de (vaak zeer nauwe) boorgaten, de zogenaamde “through hole plating”.

Elektroformeren

Een van de additieve techniek afgeleid proces, het elektroformeren, kan worden gebruikt voor het vervaardigen van zeer precieze, braamloze, dunne (0,015 - 0,2 mm) vlakke producten van nikkel (in diverse hardheidsgraden), koper, zilver en goud. Elektroformeren wordt onder andere gebruikt voor het maken van afdekmaskers voor optische, opdamp- en sputtertechnieken, codeerschijven, scheerfoliën, precisiezeven en doseerplaatjes voor brandstofinspuitpompen, inkjet printers en luchtstroommeting. In de volgende figuur wordt het elektroformeerproces schematisch toegelicht.

 

 

Bron: Materiaalkunde technici, Kenneth G. Budinski, (met toestemming overgenomen: Stork Veco B.V., Eerbeek)

 

Een metaalbasismateriaal met een gestructureerd oppervlak wordt gereinigd en ontvet. Hierop wordt een lichtgevoelige laklaag aangebracht. Vervolgens wordt er een filmmasker op het basismateriaal geplaatst, waarna de laklaag wordt belicht met een UV-lichtbron. De belichte lak hardt uit. De niet-belichte lak wordt uitgespoeld. Daarna wordt er met behulp van elektrodepositie, metaal op het niet met fotolak afgedekte basismateriaal aangebracht. Na enige tijd is de gewenste dikte bereikt, waarna het geëlektroformeerde product van het basismateriaal kan worden verwijderd.

Eigenschappen:

     zeer hoge nauwkeurigheid;

     braamloze, vlakke producten;

     ingewikkelde vormen mogelijk;

     scherp en nauwkeurig gedefinieerde randen.

 

 

 

 

4      Conversiedeklagen

Een conversiebehandeling is het chemische of elektrochemisch proces dat wordt toegepast om een deklaag (conversielaag) te verkrijgen, die onder meer bestaat uit een verbinding met het metaal van het substraat. Anodiseren van aluminium voldoet aan deze definitie, maar kan ook als een elektrolytisch proces worden behandeld.

Conversiedeklagen bestaan uit:

     Oxide: oxidedeklagen

     Chromaten: chromaatdeklagen

     Fosfaten of sulfiden: fosfaatdeklagen

     Anodiseren.

4.1           Anodiseren

4.1.1                Wat is anodiseren?

Anodiseren van aluminium is een oppervlaktebehandeling, waarbij een kunstmatige oxidelaag op de oppervlakte wordt gevormd door een elektrochemische behandeling. Afhankelijk van het toepassingsgebied past men anodiseerlagen toe van 5 tot 25 micrometer dik. De dunnere laagdikten dienen veelal voor toepassingen binnenshuis en de dikkere voor buiten, voornamelijk in de architectuur. Anodiseerlagen worden vanuit het aluminium opgebouwd. Een deel van de laag zit dus op het aluminium, en een deel in het aluminium. Daardoor ontstaat een goede hechting van de anodiseerlaag.


Bron: https://ibbt.emis.vito.be/content/conversielagen

Anodiseren kunnen we opsplitsen in twee hoofdgroepen:

     esthetische lagen (architectuur en de bouw);

     technische lagen (machinebouw).

 

 

 

4.1.2                Doel van anodiseren

Aluminium is een licht metaal, relatief zacht en in zuivere toestand zilverwit. Hoewel het een onedel metaal is, corrodeert het zeer langzaam aan de lucht. Dit komt omdat het van nature wordt bedekt met een zeer dunne en gesloten oxidefilm, die zo dun is (ongeveer 0,05 µm) dat hij onzichtbaar is. Om deze natuurlijke oxidefilm langs kunstmatige weg dikker en sterker te maken (verbetering van de corrosieweerstand van aluminium), wordt geanodiseerd. Naast aluminium zijn er ook anodiseerprocessen voor zink, magnesium, titaan en tantaal.

Aluminium wordt geanodiseerd, omdat deze anodiseerlagen:

     mooi zijn en ook blijven (mits er onderhoud wordt gepleegd);

     de corrosieweerstand verhogen;

     de slijtvastheid verhogen, hardheden realiseerbaar hoger dan van glas;

     na langdurig gebruik, nauwelijks materiaalverlies;

     van allerlei kleuren kunnen worden voorzien;

     elektrisch isolerend zijn.

 

4.1.3                Proces

Voor het vervaardigen van anodiseerlagen zijn de volgende behandelingen nodig:

     voorbehandelen, eventueel ontvetten, matbeitsen, glansbeitsen of polijsten;

     desmutten, ontdoen van aankoekingen;

     anodiseren;

     grondig spoelen,

     eventueel kleuren;

     sealen.

 

Voorbehandelen

Aluminiumproducten kunnen voor het anodiseren, elektrolytisch worden gepolijst. Ze krijgen hierdoor een lagere oppervlakteruwheid en meer glans. Ontvetten: om het aluminium te ontdoen van vetten en andere verontreinigingen. Gebeitst om het een gelijkmatig en vlak oppervlak te geven.

Anodiseren

Het principe van het anodiseerpoces is eenvouding. De aluminium werkstukken worden in een elektrolyt (badvloeistof) als anode geschakeld (aan de plus) en door dit circuit wordt een gelijkstroom gevoerd. Aan het oppervlak van de werkstukken wordt zuurstof ontwikkeld door de ontleding van het water van de elektrolyt. Deze zuurstof komt in de eerste instantie vrij in de vorm van losse atomen: atomaire zuurstof, die zeer reactief is. De atomaire zuurstof vormt op het metaal een oxidelaag, die vele malen dikker en dichter is dan de natuurlijke oxidefilm op aluminium. Er zijn anodiseerprocessen waarbij het anodiseerproces stopt, nadat een laagdikte van 2 tot 3 µm is bereikt, omdat de aluminiunoxidefilm een zeer goede elektrische isolator is.

 

Bron: http://www.joostdevree.nl/shtmls/anodiseren.shtml

Spoelen

Tijdens het zwavelzuuranodiseerproces ontstaan poriën in de laag. In deze poriën bevindt zich de badvloeistof waardoor het proces langer in stand  kan worden gehouden. Omdat zwavelzuur een corrosief zuur is, moet na de anodiseerbewerking de anodiseerlaag zeer goed en grondig worden gespoeld om alle zwavelzuur uit de nauwe poriën te verwijderen.

 

Eventueel kleuren

Anodiseerlagen zijn kleurloos, hierdoor ontstaat een metallisch uiterlijk. Gekleurde anodiseerlagen kan men op verschillende manieren verkrijgen, zo bestaan er de volgende mogelijkheden:

     ingekleurd met organische kleurstof;

     ingekleurd met anorganische kleurstof (twee fasenkleuring);

     elektrolytisch ingekleurd;

     direct in kleur geanodiseerd;

     zelfkleurend aluminium;

     combinatiekleuring elektrolytisch plus organisch;

     combinatiekleuring zelfkleurend plus organisch.

 

 

Sealen

De poreuze anodiseerlaag, die na het spoelen, en eventueel drogen aanwezig is, heeft niet de optimale corrosiewering, want in de poriën kunnen schadelijke stoffen uit de omgeving tot het aluminium doordringen en daar alsnog corrosie veroorzaken. Na het spoelen wordt daarom nog een andere bewerking uitgevoerd. Dit proces heet sealen. Het sealen is het sluiten van poriën. De anodiseerlaag krijgt hierbij zijn hoge corrosiewering. De meest gebruikte sealmethode is met heet water (90 °C) of verzadigde stoom, hiermee wordt de anodiseerlaag omgezet in een waterhoudende oxide die afsluiting van de poriën bewerkstelligt.  Vuilopname  wordt voorkomen en de corrosieweerstand vergroot.

 

4.1.4                Hard anodiseren

Hard-anodiseerlagen worden meestal bij temperaturen onder het vriespunt gevormd. Hierdoor ontstaat een anodiseerlaag met minder porievolume in vergelijking met lagen geproduceerd op hogere temperatuur. Tevens bestaat de mogelijkheid het anodiseerproces langer te laten voortduren, en met hogere stroomdichtheden te anodiseren, waardoor het mogelijk is laagdikten van 30 µm tot 100 µm met een constante kwaliteit door de gehele laag te realiseren. De voordelen hiervan zijn groot: hard-geanodiseerd aluminium heeft een zeer hoge krasbestendigheid, is beduidend minder aan slijtage onderhevig en geeft een grote elektrische isolatie. De verkregen laagdikte wordt voor 50 % gevormd uit het basismateriaal. Hard-anodiseerlagen kunnen ook met andere stoffen worden geďmpregneerd. Een voorbeeld hiervan is Nituff. Nituff is de combinatie van een hard-anodiseerlaag met polytetrafluoretheen (PTFE). Door het toepassen van een speciale techniek is het mogelijk kleine deeltje PTFE in een deel van de anodiseerlaag te impregneren. Eigenschappen zoals slijtvastheid, corrosiebestendigheid en non-stick verbeteren hierdoor aanzienlijk. Tevens ontstaat op deze wijze een zelfsmerende anodiseerlaag.

 

4.1.5                Toepassingen

Antennes, onderdelen voor auto’s, motoren en boten, condensatoren, kozijnen, campingartikelen, lantaarnpalen, etalage inrichting, meubels, kunstvoorwerpen, ladders, lichtmasten, sieraden, tanks, vliegtuigonderdelen, wieldoppen enz.

 

4.1.6                Eigenschappen

Afhankelijk van het toegepaste proces en de gebruikte legering hebben anodiseerlagen de volgende eigenschappen:

     laagdikte tot 100 µm;

     laagdikte hardheden tot 600 micro Vickers;

     laagdikte slijtvastheid hoger dan gehard staal;

     laagdikte doorslagspanning 40 V/µm;

     laagdikte aluminium geeft niet meer zwart af;

     laagdikte anodiseren verhoogt de corrosiebestendigheid aanzienlijk;

     bestand tegen vele chemicaliën,

     de lagen zijn aan te brengen met een hoge nauwkeurigheid.

 

 

 

 

 

5      Dunne deklagen

Dunne lagen met een dikte gaande van micrometers tot slechts enkele manometer bepalen in sterke mate onze technologische vooruitgang. Afhankelijk van de toepassing kan worden gekozen uit vele depositietechnieken.

 

5.1           Physical vapor deposition (PVD)

PVD-processen gebeuren onder vacuüm en bij temperaturen tussen 150 en 500 °C en vinden plaats in een vacuüm waarbij minstens één van de chemische componenten van de coating in vaste vorm (ook wel ‘target’ genoemd) aanwezig is. Het vacuüm zorgt ervoor dat het materiaal in de dampfase zonder contaminatie of botsingen met andere elementen op het te coaten oppervlak wordt afgezet. Het hoogwaardige en zuivere coatingmateriaal
(metalen zoals titanium, chroom en aluminium) wordt verdampt door warmte (verdampen) of door sputtering van ionen. Tegelijkertijd wordt er een reactief gas toegevoegd (stikstof of koolstofgas). Hieronder vindt U een overzicht van de verschillende methodes.

 

Bron: http://www.plasticvision.be/files/ckfinder/files/Teaser%20Krasvast.pdf

5.1.1                Verdampen

Verdampen is de eenvoudigste manier om materiaal in een dampfase te brengen. Het is vergelijkbaar met het verdampen en condenseren van water op een oppervlak. Water wordt opgewarmd en er wordt waterdamp gevormd, die vervolgens neerslaat (condenseert) op koudere oppervlakken. Om thermische opwarming (smelten en verdampen of sublimeren) van het deklaagmateriaal te verkrijgen bestaan er verschillende technieken (directe of indirecte verhitting).

 

 

 

 

ARC

Het verdampen in dit proces gebeurt via een boog van een aantal micrometer in diameter die loopt over het metallische coatingmateriaal. Door de hoge stromen en spanningen, ioniseert het verdampte materiaal bijna volledig en vormt er zich een plasma met hoge energie. De metaalionen gecombineerd met het reactieve gas, toegevoerd in de proceskamer, zorgen dat de gereedschappen en componenten worden gecoat met hoge energie. Ze worden afgezet als een dunne en zeer goed hechtende laag.

Bron: http://www.oerlikonbalzerscoating.com/bbe/dut/01-products-services/03-coating-technology/05-arc-evaporation/indexW3DnavidW261.php

1        1 Argon

2        Reactief gas

3        Arc-bronnen (coating materiaal en achtergrondplaat)

4        Te coaten delen

5        Vacuümpomp

 

5.1.2                Magnetron sputteren

Het bronmateriaal, meestal een metaal, bevindt zich onder de vorm van een plaat, het target genoemd, in de magnetrons. Aan het oppervlak van de magnetron wordt een plasma geëxciteerd in positief argongas(anode). Het plasma wordt versterkt door een magnetisch veld, opgewekt  door permanente magneten achter het target. Hiervan komt trouwens de naam magnetron. Argonionen uit het plasma bombarderen het targetoppervlak dat op negatieve hoogspanning staat (kathode). Hierdoor worden individuele atomen uit  het target door kinetische energieoverdracht in de gasfase gebracht. De metaaldamp verspreidt zich in de depositieruimte en zet zich af op de substraten die centraal op een roterende houder zijn geplaatst. Andere coatings dan metalen zijn mogelijk door in de depositieruimte een reactief gas toe te voeren, bijvoorbeeld zuurstofgas of stikstofgas. Het reactieve gas wordt in het plasma geactiveerd (d.w.z. er worden atomen, ionen en andere reactieve deeltjes gevormd) en bindt zich aan het oppervlak van de groeiende laag, zodat een metaaloxide of metaalnitride coating wordt afgezet.

 

Bron:http://www.mamesta.nl/upload/file/Downloads/Leaflet%20Vapour%20Deposition%20NL.pdf

DC

Men legt tussen anode en kathode een gelijkspanning aan.

RF

Wanneer het target niet-geleidend is, wordt het plasma door middel van radiofrequente (RF) excitatie onderhouden.

 

5.2           Chemical vapor deposition (CVD)

Met deze methode worden de deklagen op chemische wijze aangebracht. Een gas dat in de reactiekamer wordt toegelaten, ontleedt aan het oppervlak van het werkstuk. Het materiaal dat hierbij vrijkomt, wordt geabsorbeerd door het werkstuk of condenseert tot een harde slijtvaste laag van 2 tot 40 micrometer dik.

 

6          Oplassen

6.1           Wat is oplassen?

Oplassen is het toevoegen van materiaal aan een object door middel van lassen, door op een basismateriaal een laag materiaal te lassen. Als dit niet kan worden toegepast, dan maakt men gebruik van het materiaal te gaan spuiten.

Dit kan men ook gaan delen in drie groepen:http://www.tosec.nl/wp-content/uploads/lassen/robotlassen-groot.jpg

 

Booglasprocessen:

 

-       Gewone oplastechnieken (TIG, MIG, MAG, MMAW)

-       Onderpoederdeklassen (SAW)

-       Plasma oplastechnieken (PTA)

-       Poederlassen

-       Bandoplastechnieken

-       Druklasprocessen

-       Beam welding

 

Druklasprocessen:

 

-       Rollassen (roll welding)

-       Explosief oplassen

-       Magnetisch pulslassen

 

Beam welding

 

-       High Density IR arc Lamp (HDIR)

-       Laserlassen en lasercladden

 

6.2           Principe van oplassen.

Oplassen is geen specifiek lasproces maar alleen een bijzondere vorm van een ‘lasverbinding’. Oplassen wordt dikwijls toegepast om de eigenschappen van metalen voorwerpen te verbeteren, bijvoorbeeld tegen corrosie of abrasie.
Op bepaalde onderdelen kan men bijvoorbeeld harde slijtvaste lagen oplassen. In drukvaten is de corrosiebestendigheid bijvoorbeeld van groot belang. Ook is het mogelijk om afgesleten materiaal dat niet meer voldoet aan de daarvoor geldende normen, door middel van oplassen te herstellen. Eventueel kan na dit herstel ook nog een speciale corrosiebestendige of slijtvaste laag worden aangebracht. Deze methode wordt ook toegepast om te besparen op materiaalkosten: op een ‘goedkoop’ basismateriaal wordt dan een laag van een duurder materiaal met speciale hoogwaardige eigenschappen gelast. Oplassen geeft een 100 % metallurgische verbinding tussen de opgelaste laag en het basismateriaal. De ‘gewone’ lastechnieken worden hier kort behandeld omdat deze reeds goed zijn gekend. Het rollassen wordt niet verder besproken omdat dit als hersteltechniek niet in aanmerking komt.

7      Metaalspuiten

Thermisch spuiten is een techniek waarbij een metaal, een metaallegering of metaalverbinding in draad- of poedervorm door middel van een thermisch spuitpistool wordt gesmolten en verstoven op een oppervlak ter verkrijging van een deklaag met verbeterde eigenschappen voor de functie van het onderdeel. Thermisch spuiten is, met slechts één uitzondering, een koud proces. Dat wil zeggen dat het werkstuk slechts een geringe temperatuurverhoging krijgt door de warmteoverdracht van de gesmolten druppels bij het neerkomen. Bij de gebruikelijke spuittemperatuur van 50° tot 200 °C kan geen vervorming, structuurverandering of opmenging plaatsvinden. De structuur van een koud gespoten laag is lamellair, enigszins gelijkend op een gietijzerstructuur. Van sommige gespoten metaallagen zijn microporiën en oxide-insluitingen mede de oorzaak van een lage wrijvingscoëfficiënt en een hoge hardheid. Ook nemen microporeuze spuitlagen zeer goed een smeermiddel op en voorkomen daardoor slijtage door metaal op metaalcontact.

7.1           Hechtprincipe van een thermisch gespoten deklaag

- Tussen deklaag en substraat interface

- Tussen de afzonderlijke spuitdeeltjes

Bron: http://image.slidesharecdn.com/theworldofthermalspray-130514115900-phpapp01/95/the-world-of-thermal-spray-22-638.jpg?cb=1368532906

Om een optimale hechting te krijgen tussen de coating en het substraat is het belangrijk dat het substraat goed is gereinigd. De onderdelen worden vetvrij gemaakt en vervolgens gezandstraald of er wordt een tussenlaag aangebracht om de hechting te vergroten.

 

 

7.2           Overzicht van de thermische spuitprocessen

 

 

 

De verschillende thermische spuitprocessen zijn onder te verdelen door:

    vorm toevoermateriaal;

     thermische energiebron;

     kinetische energieomvang.

 

7.2.1                Autogeen draadspuiten

Autogeen draadspuiten oftewel draadvlamspuiten is het oudste proces uit de thermische spuittechnologie. Door middel van een elektromotor of een luchtmotor wordt een materiaal in draadvorm door een spuitpistool getransporteerd en centraal in een brandend gas-zuurstofmengsel (2760 °C) (meestal acetyleen-zuurstof) tot smelten gebracht. Vervolgens wordt het gesmolten materiaal door middel van perslucht naar het substraat verstoven om daar een deklaag te vormen. De te verspuiten materialen voor dit proces zijn metalen en legeringen die in draadvorm kunnen worden getrokken en een smeltpunt hebben dat ver onder de temperatuur ligt van de gebruikte warmtebron. Wanneer men voor de draden, zink of aluminium gebruikt, wordt het ook wel Schooperen genoemd, naar de naam van de uitvinder.

7.2.2                Autogeen poederspuiten

Bij het warme autogeen poederspuitproces worden "zelfvloeiende" legeringen opgespoten. Deze term wordt gebruikt om legeringen op nikkel- of cobaltbasis aan te duiden die tevens de elementen borium en silicium bevatten. De zelfvloeiende legeringen ondergaan na het opspuiten een warmtebehandeling waardoor de opgebrachte laag een moleculaire binding met het basismateriaal vormt. Hierdoor ontstaat een zeer slijtvaste laag die tevens een hoge slag- en stootvastheid bezit. Het insmelten (fusen) gebeurt met een hete vlam door middel van een insmeltbrander of in een oven. De insmelttemperatuur ligt tussen de 1000 en 1100 °C. Het werkstuk zelf (materiaal, geometrie) speelt dus een grote rol in het al dan niet toepassen van deze methode.

Bron: http://griekspoorthermalcoatings.com/en/thermal-coatings/theory/thermal-spraying/autogenous-powder-spraying-5p

7.2.3                Hogesnelheidspuiten

Bij het hoge snelheidsproces (High Velocity Oxygen Fuel) van de eerste generatie wordt een mengsel van gas en zuurstof tot ontbranding gebracht. De gasstroom, die door middel van een speciaal mondstuk expandeert, bereikt een snelheid tot 1500 m/sec. Het axiaal in deze gasstroom geďnjecteerde poeder krijgt een zeer hoge snelheid (tot 800 m/sec). De deklagen die zo ontstaan kenmerken zich door hun lage porositeit en hun hoge hechtsterkte.

Bij het recent ontwikkelde hoge druk hoge snelheidsproces (High Pressure High Velocity Oxygen Fuel), van de inmiddels derde generatie, wordt een mengsel van kerosine of gas en zuurstof tot ontbranding gebracht. De gasstroom, die met behulp van een special mondstuk expandeert, bereikt een snelheid tot 2200 m/sec. Afhankelijk van het type krijgt het axiaal of radiaal in deze gasstroom geďnjecteerde poeder een zeer hoge snelheid (tot 1100 m/sec). De deklagen die zo ontstaan kenmerken zich door hun nog geringere porositeit en hogere hechtsterkte t.o.v. de eerste generatie HVOF systemen.

7.2.4                Elektrisch draadspuiten

Het elektrisch draadspuiten is een techniek waarbij twee elektrisch geleidende draden door een spuitpistool worden getransporteerd. Tussen de uiteinden van de twee draden wordt een elektrische boog getrokken waardoor ze afsmelten. Het gesmolten materiaal wordt met perslucht naar het substraat getransporteerd waar het een deklaag vormt. Een nadeel bij dit proces is dat de te verspuiten materialen in draadvorm leverbaar moeten zijn. Hetgeen voor verschillende materialen moeilijkheden oplevert.

7.2.5                Plasmaspuiten

Het tot plasma omgevormde inerte gas wordt met grote kracht door de nozzle van het spuitpistool naar buiten gedreven. In de kern van deze zeer hete vlam (tot 20.000 °C) worden de poederdeeltjes versmolten, in de boog meegevoerd en op het voorbehandelde werkstuk gespoten. Door de hoge energie en gassnelheden kunnen zuivere, sterk hechtende en homogene deklagen worden aangebracht. Vele materialen die door hun hoge smeltpunt niet in een autogene vlam kunnen worden verspoten, zijn daardoor geschikt voor deze techniek. Voorbeeld hiervan zijn de keramische deklagen. Plasmaspuiten geeft deklagen met een hogere dichtheid, minder porositeit en een betere hechting. Door de grote verscheidenheid van materialen die op zeer uiteenlopende ondergronden kunnen worden aangebracht, gaat men dit toepassen bij: slijtagebestijding, elektrische- en thermische geleiding en –isolatie, het fabriceren van voorwerpen uit moeilijk smeltbare materialenen het repareren van versleten of te ver afgeslepen onderdelen.

 

7.2.6                Koudgasspuiten (Coldgas spraying)

Nieuw is de ontwikkeling van het koudgasspuiten. Het principe van koudgasspuiten is de hoge impact van poederdeeltjes op het substraat. Dit wordt door de combinatie van de geometrie van de lavalnozzle, de gasdruk en de gastemperatuur bewerkstelligd. Het gas, helium (He), maar meestal stikstof (N2) wordt verhit tot 800 ŕ 950 °C en gecomprimeerd tot 40 bar. Resultaat zeer hoge laagdichtheid en hoge hechtsterkte.

Bron: http://www.fst.nl/cold-spray/

 

 

8      Diffusieverzinken

8.1           Wat is diffusieverzinken?

Diffusieverzinken of sherardiseren is het aanbrengen van een zinklaag door het tezamen verhitten van producten en zinkpoeder in een oven ter bescherming tegen corrosie.

 

8.2           Proces

De te verzinken producten worden batchgewijs in afgesloten roterende trommels samen met zinkpoeder verhit. Bij temperaturen van 320° tot 500 °C verbindt het zink zich door diffusie met het basismateriaal. Hierdoor ontstaan gelijkmatige, hittebestendige, harde en slijtvaste zink/ijzer-legeringslagen, met een duurzame corrosiewering.

Het proces wordt toegepast op onderdelen vervaardigd uit onder meer ongelegeerd koolstofstaal en gelegeerd staal, waaronder hoogvast staal. Maar ook verenstaal en producten vervaardigd uit gietijzer en gietstaal kunnen worden diffusieverzinkt, zonder dat de eigenschappen van het basismateriaal worden aangetast. In de Europese norm EN 13811 staan de specificaties van het diffusieverzinken.

 

8.3           Kenmerken

-       Beschermd tegen corrosie.

-       Voorzien van een instelbare en gelijkmatige deklaag over het gehele product, dus ook op bijvoorbeeld binnenschroefdraad.

-       Slag- en slijtvast met een hardheid tot 450 HV (41 HRC).

-       Hittebestendig tot 600 °C.

-       Geen vloeibaarmetaalbrosheid.

-       Waterstofbrosheid is procestechnisch uitgesloten.

-       Duplexsystemen, lijmverbindingen en rubber-metaalverbindingen zijn zonder voorbehandeling toepasbaar.

8.4           Toepassingen

-       Verbindingsmaterialen voor gebruik tot in de zwaarste klimaatomstandigheden.

-       (gietijzeren) voorwerpen, welke zonder verdere voorbehandeling kunnen worden voorzien door een toplaag (Duplex systeem).

-       Onderdelen die berubberd of verlijmd worden voor bijvoorbeeld trailer-, spoor- en treinbouw.

-       (steiger-) bouwproducten die veelvuldig gemonteerd en gedemonteerd worden.

9      Zandstralen

Met zandstralen wordt gritstralen bedoeld, waarbij met behulp van een compressor en perslucht gritkorrels tegen voorwerpen worden geblazen. De aldus behandelde materialen kunnen zijn:

     Metaal, bijvoorbeeld staal en ijzer, om deze zo vrij te maken van roest, verf of verontreinigingen.

     Brons, om het op te ruwen voor verdere behandeling, bijvoorbeeld patineren.

     Glas, om diverse oppervlakte-effecten te bereiken die gevolg hebben voor de doorzichtigheid ervan.

     Hout, om deze zo vrij te maken van vernis, verf of verontreinigingen.

Gritstralen kan gebeuren in speciale straalcabines, waarbij de straler wordt beschermd  door een straalpak, laarzen, handschoenen en een overdrukhelm. De cabine heeft een stalen vloer en is vaak bekleed met rubber. Een afzuiginstallatie zuigt het vrijgekomen stof af. Bij grote objecten kan het ook op locatie, waarbij het object dan helemaal wordt ingepakt zodat het vrijgekomen stof kan worden afgezogen.

Er zijn vele soorten straalmiddelen waaruit een keus kan worden gemaakt. De twee hoofdgroepen zijn metallisch en non-metallisch. Een voorbeeld van een non-metallische straaltechniek is het onder hoge luchtdruk spuiten met gemalen kokosnootschaal, droogijs, carborundum (siliciumcarbide) of glasparels.

 

 

10     Bibliografie

(sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van ttp://www.mamesta.nl/upload/file/Downloads/Leaflet%20Vapour%20Deposition%20NL.pdf

(sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van The world of thermal spray: http://image.slidesharecdn.com/theworldofthermalspray-130514115900-phpapp01/95/the-world-of-thermal-spray-22-638.jpg?cb=1368532906

anodiseren, eloxeren. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van www.joostdevree.nl: http://www.joostdevree.nl/shtmls/anodiseren.shtml

Arc evoporation. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van Oericon Balzers coating service: http://www.oerlikonbalzerscoating.com/bbe/dut/01-products-services/03-coating-technology/05-arc-evaporation/indexW3DnavidW261.php

autogenous powder spraying. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van Griekspoor Thermal Coatings: http://griekspoorthermalcoatings.com/en/thermal-coatings/theory/thermal-spraying/autogenous-powder-spraying-5p

Budinski, K. G. (1996). Materiaalkunde voor technici. Schoonhoven, Nederland: Academic Service.

cold spray process. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van flame spray technologies: http://www.fst.nl/cold-spray/

conversielagen. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van vito: Bron:https://ibbt.emis.vito.be/content/conversielagen

Herstellen van oppervlakken. (2015, December 09). Opgehaald van https://esites.vito.be/sites/i-SuPORT/Public/Herstellen%20van%20oppervlakken%20-%20Sirris.pdf

plasticvision. (sd). Opgeroepen op November 30, 2015, van http://www.plasticvision.be/files/ckfinder/files/Teaser%20Krasvast.pdf