CORROSIE
Maintenance Magazine 159 – maart 2023
Betere stukken met thermisch opspuiten

Thermisch opspuiten is ideaal voor stukken die veel slijten en slijtvaster moeten gemaakt worden. (© De Beleyr)

Ook voor nieuwbouw kan het procedé ingezet worden. (© De Beleyr)

De poederdeeltjes worden met zeer hoge snelheid op het werkstuk worden gespoten. (© De Beleyr)

De standtijd van stukken die vatbaar zijn voor slijtage kan aanzienlijk verlengd worden. (© De Beleyr)
PreviousNextEen versleten onderdeel vervangen we veelal één-op-één door hetzelfde stuk. Vandaag staat die benadering evenwel onder druk. Grondstoffen worden duurder en we moeten ook rekening houden met de ecologische voetafdruk. Reparatie is vaak een prima alternatief, maar we kunnen nog een stapje verder gaan: thermisch opspuiten repareert niet alleen, het maakt de installatie ook beter. Bovendien is het ook mogelijk voor nieuwbouw.
Door Sammy Soetaert
De opspuittechniek kent zijn oorsprong in de luchtvaartsector. In die sector zijn twee zaken zeer belangrijk: gewicht en betrouwbaarheid. Thermisch opspuiten was het antwoord daarop, waarbij men onderdelen bijvoorbeeld voorziet van een titaniumsubstraat, een licht maar zeer sterk materiaal. Bij herstellingen wordt van het stuk in kwestie een faalanalyse uitgevoerd en het slijtgedrag nagegaan. Op basis daarvan kan een ideaal materiaal geselecteerd worden om de herstelling uit te voeren. In het proces worden druppeltjes gesmolten materiaal via één van de diverse opspuittechnieken op een substraat opgespoten. Dit te verspuiten materiaal kan in poeder- of draadvorm tot smelten gebracht worden, waarbij de kleine druppeltjes, met diameter gaande van 1 tot 100 µm, aan hoge snelheid verstoven worden op het substraat om daar een coating te vormen. Het einddoel is duidelijk: de standtijd verlengen, de kosten beperken en de duurzaamheid verbeteren.
Verschil met lassen
Bij lassen worden extra lagen gelegd op het substraat waardoor het verdwenen materiaal geleidelijk weer wordt opgebouwd. Er is met andere woorden geen metallische verbinding tussen het originele materiaal en de aangebrachte lagen. Dat is bij thermisch opspuiten wél het geval. Door het aan hoge snelheid verstuiven van de metaaldeeltjes wordt er als het ware één geheel gecreëerd met het originele stuk. Dat leidt zowel tot een nadeel als voordeel, want er is niet altijd een nabewerking mogelijk na het proces (bijvoorbeeld boren). Bij lassen kan dat wel. Het voordeel is dan weer dat er geen vervormingen optreden, omdat er geen spanningen door warmte-inbreng ontstaan. Bij thermisch opspuiten kan je daarom ook aan de slag op zeer beperkte plaatdiktes, zonder verandering aan de basiseigenschappen van het materiaal. Ook hoge sterktes bij beperkte diktes volgen uit die eigenschap.
Diverse combinaties van materialen
Eén van de bijkomende voordelen van thermisch opspuiten is de combinatie van materialen die de gebruiker kan maken. Rvs op staal, koper op staal, aluminium op koper, aluminium op rvs ... Ook niet-metallische materialen kunnen ingezet worden om een beter eindresultaat te creëren. Bij racewagens worden de remschijven bijvoorbeeld via thermisch opspuiten voorzien van een keramische laag die de remeigenschappen verbetert. En dat brengt ons naadloos tot bij de inzetbaarheid van thermisch opspuiten voor onderhoudstoepassingen: wat als we de coating zo selecteren dat het te bewerken stuk beter wordt dan het origineel? Sterker nog, wat als we onze applicatie diepgaand analyseren en zo een ideale coating in functie van deze resultaten laten ontwikkelen?
In functie van slijtagepatroon
Frederik Blancke van Uptimise: “Thermisch opspuiten is ideaal voor stukken die veel slijten en slijtvaster moeten gemaakt worden. De kunst bestaat erin het slijtagepatroon te herkennen en in functie daarvan de ideale legering te selecteren. Een standaardcoating of één op maat. Dat is echt specialistenwerk. De mogelijkheden zijn enorm. Zo is er een coating beschikbaar waarvan de hardheid stijgt bij rijzende temperaturen, dus net het omgekeerde gedrag dan wat we bij vele metalen zien. Toepassingen vinden we in boilers, biomassa-installaties of in de metallurgie. Temperatuurgedrag is uiteraard niet de enige factor. Veelal is vooral het verlengen van de standtijd het einddoel. Om dat te bewerkstelligen moeten we kijken naar de drie hoofdfactoren van slijtage: corrosie, erosie en abrasie. Het slijtagepatroon is veelal een combinatie van meerdere van deze factoren. De uiteindelijk resultaten? Die zijn zeer goed te noemen. Een standtijdverlenging met factor maal twee à drie is eerder standaard, vaak kunnen we zelfs nog betere resultaten afleveren, tot zelfs 50 keer langer. Het is veelal een getrapt proces, waarbij we voortdurend het geheel finetunen om een langere standtijd te verkrijgen. Daarom is kennis van het productieproces van de klant van groot belang. Historische gegevens, eerdere faalpatronen, andere oplossingen die geprobeerd werden, de omstandigheden ter plaatse ...”
Voer voor specialisten
In principe is de techniek zeer breed inzetbaar, in feite in elke sector waar slijtage een belangrijke rol speelt. Ze vraagt niet alleen om grondige kennis rond legeringen en coatings, maar ook om de gepaste uitrusting. In de meeste gevallen zullen bedrijven daarom in zee gaan met gespecialiseerde bedrijven, die de machines en expertise in huis hebben om dit op een kwalitatieve manier te doen. In sommige gevallen kan de techniek ook ter plaatse uitgevoerd worden, bijvoorbeeld voor stukken die niet uitgebouwd kunnen worden of als de beschikbare tijd te beperkt is om het stuk in kwestie richting de bewerker te brengen. Aandachtspunten bij dit proces is het droog en vrij zijn van vet en ander vuil van het werkstuk om de hechting te optimaliseren.
Aandachtspunten
Bij thermisch opspuiten worden de lagen niet metallisch gebonden. Het oorspronkelijke materiaal en het opgespoten materiaal hebben dus veelal niet dezelfde uitzettingscoëfficient. Bij toepassingen met extreem hoge temperaturen is het dus minder aangeraden. Ook voor applicaties met extreme impacten (betonbrekers bijvoorbeeld.) is deze techniek minder geschikt. Tot slot heeft thermisch opspuiten ook een zeker prijskaartje, in die zin dat het soms duurder uitvalt dan een één-op-één vervanging door een nieuw stuk. De betere eigenschappen na het thermisch opspuiten (standtijd bijvoorbeeld) moeten dus afgewogen ten opzichte van de voordelen van een nieuw stuk.
Ook voor nieuwbouw
Naast het herstellen en verbeteren van stukken kan thermisch opspuiten ook voor nieuwbouwstukken ingezet worden. Matthieu Vuylsteke van De Beleyr Engineering: “Herstellen is prima, maar in sommige gevallen kan er ook over nagedacht worden om thermisch opspuiten al in te zetten bij de productie van het onderdeel. Enkele voorbeelden. Een klant beschikt over een enorme machine, waarin een meterslange wals draait. Er zijn al twee werkdagen nodig om het gevaarte te demonteren. Door via thermisch opspuiten een fijne coating (0,2 mm) uit bijvoorbeeld wolfraamcarbide aan te brengen op het stuk voor het ingebouwd wordt, kan dat moment veel langer uitgesteld worden. Zonder coating zouden ze deze wals na drie maand mogen vervangen en afvoeren, dankzij de coating loopt de standtijd makkelijk op naar vijf à zes jaar en kan bovendien een nieuwe laag aangebracht worden. Het bedrijf zou in principe ook een sterker basismateriaal kunnen gebruiken voor deze wals, maar dat wordt al snel onbetaalbaar.” Een tweede voorbeeld zijn metalen balken die geregeld binnenkomen om via thermisch opspuiten te herstellen. “Sinds kort besliste de klant om zijn nieuwe balken al preventief te behandelen, zo overtuigd is hij van het nut van deze werkwijze.”
Mogelijkheden zijn enorm
“Daarom wil ik een lans breken voor thermisch opspuiten”, gaat Vuylsteke verder. “Voor velen is het nog een onbekende technologie, en dat is zonde. Want de mogelijkheden zijn echt enorm. Zo is het mogelijk om zeer specifieke eigenschappen te voorzien. Het beter elektrisch geleidend maken van delen, of het net meer isolerend maken. Betere afdichting, betere corrosieweerstand, pure slijtvastheid ... het lijstje is eindeloos. We hebben voor een team van F1 powerboat racing de as van de aandrijving behandeld. Die bestond oorspronkelijk uit hoogwaardig titanium, een enorm dure grondstof. Eén as kostte liefst 10.000 euro, maar door de toerentallen en belasting tijdens de race, konden ze er welgeteld één race mee afwerken. Wij hebben dat stuk behandeld en een coating opgelegd. Nu kunnen ze tot zeven races afwerken met één stuk. Reken maar uit je winst. Dagelijks komen er nieuwe coatings op de markt, voor elke toepassing is er in principe een geschikte oplossing. Dat geldt eveneens voor de vervanging van een hard-chroomlaag, wat voor industriële toepassingen zal verboden worden. Ook kunnen zowat alle materialen behandeld worden. Enkel geharde stukken worden beter niet via thermisch opspuiten behandeld.”
Meerdere subtechnieken
Grosso modo kunnen we vier technieken onderscheiden: vlamspuiten, elektrisch draadspuiten, hogesnelheidsspuiten (HVOF) en plasmaspuiten. Ook de coldspray techniek hoort bij het thermisch opspuiten, maar wordt in de maintenancewereld minder gebruikt. Bij vlam- of autogeen draadspuiten wordt door middel van een elektro- of luchtmotor een materiaal in draadvorm door een spuitpistool getransporteerd en centraal in een brandend gas-zuurstofmengsel tot smelten gebracht. Vervolgens wordt het gesmolten materiaal door perslucht naar het substraat verstoven om daar een deklaag te vormen die de producteigenschappen verbetert. Elektrisch draadspuiten is een vorm van thermisch spuiten die veel wordt toegepast bij reparaties van astap of lagerzittingen of corrosiebescherming van bruggen en sluizen. Twee elektrisch geleidende draden worden door een spuitpistool 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. Het hogesnelheidsspuiten (High Velocity Oxygen Fuel) onderscheidt zich, omdat de poederdeeltjes met zeer hoge snelheid en in verhouding lage temperatuur op het werkstuk worden gespoten. In de verbrandingskamer van de gun wordt onder hoge druk zuurstof met kerosine gemengd wat een vlam met bijzonder hoge snelheid oplevert (Mach 2 - 7). In de concentrische straal wordt poeder onder druk geïnjecteerd wat daardoor een hoge snelheid (Mach 1 - 2) krijgt en tevens opgewarmd wordt. Door de aanwezige kinetische energie zullen de poederdeeltjes inslaan en hechten aan het oppervlak. Hierdoor wordt een dichte, homogene en porievrije laag gevormd. Ten gevolge van de hoge inslagsnelheid is de hechtsterkte bijzonder goed. Het spuitproces bij plasmaspuiten is gebaseerd op het creëren van een plasma (5.000 °C tot 20.000 °C ) dat wordt gevormd door een elektrische ontlading in een edelgas. Hierdoor is het mogelijk zowat alle materialen te verspuiten, onder meer oxides en keramieken. Kenmerk van dit proces is het sterke uv-licht wat opgewekt wordt door de plasmaboog. De laag die gecreëerd wordt heeft een hoge mate van hechting, homogeniteit, sterkte en zuiverheid op het werkstuk.