naar top
Menu
Logo Print
10/10/2018 - LAURENS PENNINCK

EFFICIENTER EN GROENER WERKEN
MET ATMOSFERISCHE POEDERLAK

Nieuwe vorm van plasmaspuiten levert mooie resultaten

Thermisch spuiten, ook gekend als vlamspuiten, metaalspuiten, metalliseren en schooperen, is al een tijdje een bekend en vaak toegepast proces. In dit artikel gaan we dieper in op één van de toepassingen van thermisch spuiten, namelijk het coaten van cilinderboringen met atmosferische poederlak of poederspray. Die uitvoering heeft heel wat voordelen, zoals het verminderen van CO2-uitstoot, en is bovendien goedkoper dan andere spuitprocessen.

StraaltechniekTHERMISCH SPUITEN

Thermisch spuiten is een techniek waarbij metaal door middel van een thermisch spuitpistool wordt gesmolten en vervolgens verstoven op een oppervlak om een deklaag te verkrijgen. Die deklaag of coating zorgt voor verbeterde eigenschappen wat betreft de functie van het onderdeel. Thermisch spuiten is een relatief koud proces. Dit wil zeggen dat het werkstuk slechts een geringe temperatuurverhoging krijgt door de warmteoverdracht van de gesmolten druppels bij het neerkomen, ongeacht de warmtebron van het pistool waarin het metaal gesmolten en verstoven wordt. Bij de gebruikelijke spuittemperatuur van 50 tot 200 °C kan er geen vervorming, structuurverandering of opmenging plaatsvinden. Bij thermisch spuiten is het bespoten werkstuk onder andere beter bestand tegen hogere temperaturen en is de slijtage veel minder. Een nieuwe toepassing van thermisch spuiten, die heel voordelig blijkt bij cilinderboren, is het coaten met atmosferische plasmaspray (APS). Dit kan zowel met poeder of met draad als grondstof.

OerlikonATMOSFERISCHE PLASMASPRAY

Voordelen

Het proces met atmosferische poederspray vindt plaats in de omgevingslucht en onder druk, zonder dat een proceskamer (bv. vacuüm) nodig is. Het belangrijkste voordeel ten opzichte van andere coatingtechnieken is dat er een poeder als grondstof wordt gebruikt voor de coating. Dit betekent dat coatings gemaakt kunnen worden van bijna elk materiaal dat als poeder kan worden geleverd en een smelttijdinterval of een vast smeltpunt heeft. Het kan gaan om zuivere metalen, zuivere keramiek, legeringen of metaalmatrixcomposieten (MMC). Die laatste vormen een mengsel van metaal en keramiek. Dat maakt het mogelijk om de coatings aan te passen aan specifieke toepassingen. Chemische processen (bijvoorbeeld elektrolytisch) of draadgebaseerd (grondstof is een draad) zijn beperkt van samenstelling en bieden niet de grote verscheidenheid zoals de poedergebaseerde processen. Een ander voordeel is dat de samenstellingen van plasmacoatings op basis van atmosferische plasmacoatingpoeders kunnen zorgen voor oppervlakken met een hoge corrosiebestendigheid. Bij andere (spuit)technologieën kan dat vaak niet worden gecombineerd. Ten slotte is de boorgrootte die bekleed kan worden met APS, aanzienlijk kleiner dan de coatings op basis van draad. APS-coatings kunnen een diameter tot 50 millimeter hebben, terwijl draadgebonden binnendiametercoatings een diameter tot 65 millimeter hebben. Dat kan mogelijkheden bieden op de markt, want zo kunnen kleinere producten, zoals kleine motorfietsen, nu ook worden bekleed.

Moeilijkheden

Er zijn ook enkele moeilijkheden aan de coating met poedergebaseerde atmosferische plasmaspray. Poeders zijn doorgaans iets duurder dan draden of chemische grondstoffen, maar door de betere eigenschappen van de APS-coatings is de hogere kost vaak aanvaard en is die terug te winnen door de eigenschappen van de coatings en de prestaties van de gecoate onderdelen. Ook kan de behandeling van de poeders moeilijker verlopen in vergelijking met draad.

Wanneer gebruiken?

Coatings gemaakt door APS kunnen op vrijwel elk inwendig recht oppervlak van aluminium, magnesium, gietijzer, staal of andere (bv. kunststof), typisch metaalhoudende materialen aangebracht worden. Een andere, speciale toepassing is ook het coaten van keramische boren. De belangrijkste toepassing van deze technologie is in cilinderboren in verbrandingsmotoren, die in personenauto's, kleine vliegtuigen, motorfietsen en andere recreatieve voertuigen, vrachtwagens, marine, energieopwekking enz. worden gebruikt.

Wanneer niet gebruiken?

Er zijn ook enkele instanties waar thermisch spuiten met APS niet toepasbaar is. Zo werkt de coating niet met een boordiameter van minder dan 50 millimeter. Als de boringen zichtonderbrekingen hebben, kan de coating ook op deze plaatsen niet worden aangebracht. Want er kan niet 'om de hoek' worden gewerkt. Het spuiten met atmosferische plasmaspray heeft ook een limiet op lengte. Als de lengte van de boor groter is dan 1,5 meter, kan de binnendiameter niet gecoat worden, tenzij het stuk kan worden omgedraaid.

OerlikonVerminderen uitstoot

De atmosferische poederspray kan ook de CO2-uitstoot verminderen. Daar zijn enkele verklaringen voor. Ongeveer 25% van de brandstofenergie bij cilinderboren wordt gebruikt om de wrijving in de motor te overwinnen en 50% van deze wrijving bevindt zich in de zuigergroep, voornamelijk in het contact tussen de zuigerveren en de cilinderwand. De APS coatings kunnen gefreesd worden tot een zeer gladde oppervlak. Hoe gladder het oppervlak van de cilinder, hoe lager de wrijving. Dat vertaalt zich in een lager brandstofverbruik en verlaagt dus het uitstootniveau. De APS thermische spuitcoatings zijn poreus, wat zorgt voor een gladde oppervlakteafwerking zonder het risico dat alle olie van het oppervlak wordt geschraapt door de zuigerveren. De olie kan zich nog steeds in de open poriën aan het oppervlak bevinden en kan niet worden afgeschraapt.

Bij een niet-poreus oppervlak, zoals aluminium of gietijzer, zou de olie er wel van geschraapt worden. Dat gebrek aan olie kan leiden tot schuren in de cilinder. Een cilinderoppervlak dat gecoat is met atmosferische plasmaspray, heeft ook doorgaans minder olie op het oppervlak, in vergelijking met een conventioneel geslepen, niet-gecoat oppervlak. Hierdoor verbruikt de motor minder olie, waardoor ook het emissieniveau daalt. Een laatste reden voor het verminderen van de CO2-uitstoot is de hoge slijtvastheid van sommige coatings met APS. Dat betekent dat de prestaties tijdens de levensduur van de motor minder zullen verslechteren. Ook de emissies op het niveau van de nieuwe motor zullen vrij stabiel blijven.

Maximale motorvermogen

De lagere wrijving kan worden gebruikt om het vermogen te verhogen bij een bepaalde brandstofinput (aangezien er meer brandstofenergie beschikbaar is om de auto daadwerkelijk op de weg te verplaatsen (in een typische verbrandingsmotor komt slechts ongeveer 22% van de brandstofenergie op de wielen terecht). Als alternatief, zoals hierboven beschreven, kunnen de lagere wrijvingsverliezen worden gebruikt om het brandstofverbruik voor een specifiek uitgangsvermogen te verminderen. Racemotoren maken meestal gebruik van de verminderde wrijving om het vermogen van de motor te verhogen.

Materialen

Het meest gebruikte materiaal voor de poedergebaseerde APS, is XPT512, een laaggelegeerd koolstofstaal dat wordt gebruikt in personenauto's, schepen, vliegtuigen en race-applicaties. MMC-poeders zijn andere materialen die worden gebruikt in de motortoepassingen. F2071 is bijvoorbeeld een corrosiebestendig, slijtvast materiaal dat voornamelijk wordt gebruikt in zware vrachtwagens. Er zit ook toekomst in de coatings: de volgende generatie van coatings zou uit zuivere keramiek (zoals TiO2) kunnen bestaan, waarvan sommige al door een aantal fabrikanten, die zelf coatings toepassen, zijn gekwalificeerd.

Kosten

Hoewel de kosten voor de poeders iets duurder zijn dan die voor de draden of de chemische stoffen, zoals eerder vermeld, kunnen de kosten voor het aanbrengen van de coating met poedergebaseerde APS vergelijkbaar laag zijn. Voor een doorsneepersonenauto kunnen de kosten tot drie euro per boring bedragen. Daar wordt de afschrijving van apparatuur, gassen, poeder, elektriciteit en personeel bij gerekend, maar vaste lasten niet. Die lage kosten kunnen concurreren met de gietijzeren mouwen die worden gegoten in aluminium blokken. Dat is vandaag de dag de meest gebruikte technologie bij aluminium motoren. Deze kosten zijn voor een productie met een hoog volume en kunnen dus nog variëren. Maar over het algemeen liggen de kosten relatief laag.

CONCLUSIE

Cilinderboren coaten van plasmaspuitbussen met behulp van een poedergebaseerde atmosferische plasmaspraycoating lijkt de meest efficiënte en groene manier van werken voor de toekomst. De kosten van het poeder liggen iets hoger, maar dat wordt gepareerd door de vele voordelen ervan, zoals minder CO2-uitstoot en meer vermogen in de motors.