Metalli pinnaviimistlus ja termotöötlus

Märgvärvimine on traditsiooniline alternatiiv pulbervärvimisele. See on sobiv pinnakatteviis metallidele, mida ei saa pulbervärvimise eesmärgil kuumutada.

Võrreldes pulbervärvidega on vedelvärvidel laiem värvivalik ning nendega on võimalik peale kanda paksem kattekiht, mis tagab parema kaitse nõudlikes keskkonnatingimustes.

Tsinkimine ehk galvaniseerimine tähendab terase või raua katmist tsingikihiga. Tsink toimib kaitsekihina, mis takistab aluspinna roostetamist ja pikendab metalli eluiga. Tegemist on kuluefektiivse ja pikaajalist kaitset pakkuva viimistlusmeetodiga.

Peamisteks galvaniseerimismeetoditeks on kuumtsinkimine ja elektrotsinkimine.

• Kuumtsinkimise puhul kastetakse metalltooted sulatsingi vanni, kus raud reageerib tsingiga ning moodustab detaili pinnale kaitsva pinnakihi.
• Elektrolüütilise tsinkimise käigus kantakse tsink detailile elektrivoolu abil. Selleks lastakse elektrivool läbi soolalahuse, mille ühes otsas on anoodina tsink ning teises katoodina mõni muu metall.

Tsingitud detaile kasutatakse eelkõige kohtades, kus nad peavad taluma karme keskkonnatingimusi, või konstruktsioonides, mis peavad säilitama oma tugevuse aastakümnete jooksul. Kaitsekiht aitab vältida korrosioonist tulenevat kahjustust, säilitades samal ajal alusdetaili olulised omadused nagu tõmbetugevus, elastsus ja vastupidavus.

Galvaniseeritud toodetel on iseparanduslikud omadused. Kui tsingikiht saab kahjustada, siis korrodeerub ikkagi esmalt tsink, kattes paljastunud baasmetalli tsinkoksiidi kihiga.

Tsinkimise võimalikkus ja sobivus sõltub metalli keemilisest koostisest, peamiselt just räni- ja fosforisisaldusest. Kontrolli metalli sobivust tsinkimise kalkulaatori abil.

Töötlemata alumiiniumil on madal kulumiskindlus ning kokkupuutel keskkonnaga moodustub selle pinnale loomulik õhuke alumiiniumoksiidi kiht, mis pakub teatavat kaitset korrosiooni eest. Kuid see loomulikult tekkinud kaitsekiht võib erinevate keskkonnategurite mõjul ajapikku kuluda. Tõhusama ja vastupidavama kaitse tagamiseks kasutataksegi anodeerimist.

Anodeerimine on elektrokeemiline protsess, mille käigus kasvatatakse detaili pinnale kontrollitud oksiidikiht. See kaitseb metalli korrosiooni ning kulumise eest, kuid tagab ka kena välimuse. Protsessi käigus toimib töödeldav detail elektrolüütilises vannis anoodina – sellest ka nimi.

Kuigi anodeerimist seostatakse peamiselt alumiiniumiga, sobib see ka paljudele teistele mitteraudmetallidele. Raudmetallid ei sobi seetõttu, et oksiidikiht kipub pealt lagunema ning paksu katet ei õnnestugi tekitada. Anodeerida saab näiteks magneesiumi, titaani, tsirkooniumi, nioobiumi, tsinki, hafniumi ja tantaali, kuid seda tehakse sageli erinevatel eesmärkidel. 

Anodeerimine on kvaliteetne, premium-klassis viimistlusmeetod, mida eelistatakse tihti näiteks tsinkimisele või pulbervärvimisele. See meetod võimaldab saavutada mitmesuguseid viimistlusi, sh on võimalik imiteerida teiste materjalide välimust. Lisakaitsena saab kasutada ka värvikihti.

Elektrokeemiline katmine (ehk galvaaniline katmine) on protsess, mille käigus kaetakse detaili pind õhukese metallikihiga, kasutades selleks elektrolüüsi. Teise metalli lisamine parandab töödetaili mitmeid füüsikalisi, mehaanilisi ja keemilisi omadusi.

Lisaks paremale korrosiooni- ja kulumiskindlusele kasutatakse elektrokeemilist katmist sageli ka toote visuaalse väljanägemise parandamiseks – näiteks läikivama või ühtlasema pinna saavutamiseks. Selle meetodi alla kuuluvad näiteks nikeldamine, kroomimine, vaskkatmine ja muud sarnased pinnakatmisprotsessid.

Mustoksiidkatmine on konversioonkatte meetod, mille käigus tekib metallpinnale kaitsev oksiidikiht, mis parandab detailide korrosioonikindlust, vähendab valguse peegelduvust ning annab elegantse, mati välimuse. Enamasti kasutatakse seda rauasulamitest detailidel, kuid protsess on kohandatud ka roostevaba terase, vase, alumiiniumi ja tsingi jaoks.

Metalli mustamine toimub keemilisse vanni kastmise teel, kus keemilise reaktsiooni tulemusena tekib detaili pinnale õhuke must kaitsekiht. Katte tugevus ja väljanägemine sõltub eelkõige vanni kastmise kestusest.

Mustoksiidkatet kasutatakse sageli tööriistadel ja autotööstuse komponentidel, kuna see pakub mõõdukat kaitset ilma täpsust nõudvate detailide mõõtmeid muutmata.

Trummeldamine on automaatne pinnatöötlusmeetod, mida kasutatakse eelkõige väiksemate detailide viimistlemiseks. Protsessi käigus asetatakse detailid koos abrasiivsete täiteosakestega vibreerivasse või pöörlevasse trumlisse, kus pidev liikumine ja osakeste omavaheline hõõrdumine pindasid siluvad.

Töö käigus eemaldatakse krassid, puhastatakse pinnad, vähendatakse teravaid servi ning soovi korral saavutatakse ka kergelt poleeriv efekt. Tulemuseks on ühtlase ja ümarama servaprofiiliga detailid, mis sobivad hästi edasiseks töötluseks või lõppkasutuseks.

Trummeldamist on mõistlik kasutada juhul, kui detailide kogus on piisav, vähemalt poole trumli jagu, et tagada ühtlane tulemus ja efektiivne tööprotsess.

Liivapritsimine ja haaveldus on abrasiivsed pinnatöötlusmeetodid, mille käigus suunatakse osakesi auurel kiirusel metallpinna vastu, et seda puhastada, siluda või karestada. Peamine erinevus seisneb abrasiivi paiskamise viisis: liivapritsi puhul kasutatakse suruõhku, haavelduse puhul aga mehaanilist paiskeratas

Haaveldus on reeglina intensiivsem meetod, kuigi lõplik tulemus sõltub alati kasutatava abrasiivi tüübist ja protsessi seadistustest. Mõlemad meetodid on väga tõhusad pindade ettevalmistamiseks enne värvimist või muud katmist, kuna need parandavad pinnakatte nakkuvust ja suurendavad seeläbi korrosioonikindlust.

Klaaskuulprits on sarnane protsess, kuid seal kasutatakse siledama viimistluse saavutamiseks pehmemaid abrasiive, näiteks klaaskuule. See teeb sellest õrnatoimelisema meetodi, mis sobib poleerimiseks, dekoratiivse satiinviimistluse loomiseks või olukordades, kus on vaja pinda töödelda ilma seda mehaaniliselt liigselt kahjustamata.

Elektropoleerimine on elektrokeemiline protsess, mille käigus eemaldatakse elektrit juhtivate metallide pinnalt õhuke kiht materjali. Selle tulemusel muutub pind ühtlasemaks ning on võimalik saavutada peegelsile viimistlus. Elektropoleerimine võimaldab lahti saada ka mikroskoopilistest ebatasasustest ja muudes pindmistest defektidest, mida mehaaniline poleerimine sageli ei kõrvalda. Sageli kasutataksegi seda just täiendava viimistlusmeetodina, et viia mehaaniliselt eeltöödeldud pind järgmisele kvaliteeditasemele.

Lisaks pinnakareduse vähendamisele parandab see protsess ka detailide korrosioonikindlust ning eemaldatakse töötluse käigus tekkinud jääkmäärdumised. Tänu nendele omadustele sobib elektropoleerimine eriti hästi täppiskomponentide töötlemiseks farmaatsia-, toidu- ja elektroonikatööstuses, kus nõutakse kõrget puhtustaset. Samuti vähendab siledam pind bakterite kinnitumise riski, kinnitades selle protsessi olulisust steriilsete ja hügieenitundlike rakenduste jaoks.

Passiveerimine on järeltöötlusprotsess, mis muudab materjali keemiliste reaktsioonide suhtes passiivseks ehk inertseks. Kõige sagedamini kasutatakse seda roostevaba terase korrosioonikindluse parandamiseks, luues selle pinnale õhukese kaitsva oksiidikihi. See kaitsekile takistab rooste teket, varjestades metalli keskkonnamõjude (niiskuse ja õhu) eest.

Protsessi käigus kastetakse metall nõrka happevanni, mis eemaldab pinnalt tootmisjäägid ja muu mustuse ning soodustab ühtlase oksiidikihi teket. Passiveerimist kasutatakse laialdaselt tööstusharudes, kus pikaajaline vastupidavus ja puhtus on kriitilise tähtsusega, näiteks meditsiiniseadmete, toiduainetööstuse ning lennundus- ja kosmosetööstuse komponentide tootmisel.

Happepesu, kõnekeeles tuntud ka kui pikeldamine, on keemiline pinnatöötlusprotsess, mille käigus puhastatakse metallide, nagu teras, roostevaba teras ja alumiinium, pinnad roostest, oksiididest ja muust mustusest. Selleks kastetakse metalltoorik spetsiaalsesse happelisse lahusesse, mis reageerib metalli pindmise kihiga ning eemaldabab seeläbi saaste. Tulemuseks on puhas, ühtlane ja läikiv pind.

Pärast happevanni on kriitilise tähtsusega detaili põhjalik loputamine ja neutraliseerimine. See on vajalik, et peatada happe söövitav toime ja vältida alusmetalli kahjustamist.

Väga sageli on happega pesu ettevalmistav etapp enne teisi pinnatöötlusi, näiteks enne tsinkimist või värvimist, et tagada parem nakkumine ning kestvam kaitse. Korralik eelpuhastus on oluline, et viimistluskiht ühtlaselt püsiks ja ei hakkaks aja jooksul kooruma või roostetama.

On oluline eristada happepesu ja passiveerimist, sest esmapilgul võib tunduda, et tegu on väga sarnaste protsessidega:

• Happepesu = agressiivne puhastus (eemaldab paksud oksiidikihid ja saaste).

• Passiveerimine = kaitsekihi loomine (parandab roostevaba terase korrosioonikindlust).

Normaliseerimine on lõõmutamise alaliik, mille peamine erinevus seisneb jahutamise meetodis. Kui lõõmutamisel jahutatakse detaile kontrollitud tingimustes ahjus, siis normaliseerimisel lastakse detailidel õhus toatemperatuurini jahtuda. Seetõttu on normaliseerimise kasutusvaldkonnad ja tulemused sarnased lõõmutamisele – vähenenud kõvadus ning suurenenud plastilisus ja sitkus.

Kuna protsess nõuab vähem ahjuaega, on normaliseerimine võrdlemisi kiire ja soodne viis nende omaduste saavutamiseks. Kui komponendid ei pea taluma väga suuri koormusi, on normaliseerimine üldjuhul piisav lahendus – praktiline ja tõhus.

Vähese süsinikusisaldusega ning madallegeerteraste puhul on materjali omaduste paranemine lõõmutamisel ja normaliseerimisel peaaegu identne.

Noolutamine on termotöötlusprotsess, mille käigus kuumutatakse eelnevalt karastatud metall kindla temperatuurini allpool kriitilist punkti, hoitakse seal ettenähtud aeg ning seejärel jahutatakse õhus toatemperatuurini.

Protsessi käigus vähendatakse karastatud materjali haprust ning taastatakse sitkus. Selleks kuumutatakse detail uuesti üles, kuid seekord madalama temperatuurini. See aitabki saavutada optimaalse tasakaalu materjali kõvaduse ja sitkuse vahel.

Kuigi noolutamist saab teoreetiliselt rakendada paljudele metallidele, on see protsess tihedalt seotud süsinikterasega, kuna vähesed teised metallid reageerivad sellele kuumtöötlusele terasega sarnasel viisil.

Karastamine on termotöötlusprotsess, mille käigus kuumutatakse metall üle rekristalliseerumistemperatuuri, kuid alla sulamispunkti, ning seejärel jahutatakse kiiresti – tavaliselt vees, õlis või õhus. Selline kiire jahutamine muudab metalli kõvemaks ja kulumiskindlamaks, lukustades selle struktuuri tihedamasse ja tugevamasse olekusse.

Karastamine suurendab materjali tõmbetugevust ja kulumiskindlust, mis muudab karastatud detailid sobivaks rakendustesse, kus nõutakse suurt vastupidavust ja töökindlust, näiteks tööriistad, masinakomponendid ja konstruktsioonielemendid.

Et saavutada soovitud kombinatsioon tugevusest ja sitkusest, järgneb karastamisele sageli noolutamine või teatud juhtudel ka lõõmutamine. Need järelprotsessid aitavad vähendada karastamise tulemusel tekkinud haprust ning parandavad materjali töötlusomadusi.

Vanandamine, ehk sadustuskõvenemine, on termotöötlusprotsess, mille eesmärk on suurendada plastsete metallide voolavuspiiri ja mehaanilist tugevust. Seda kasutatakse näiteks alumiinium-, vase-, nikli- jt mitterauasulemite korral, aga ka teatud teraste puhul (martensiitvanandatavad terased).

Protsess algab tavaliselt materjali karastamisega, millele järgneb kuumutamine madalamale temperatuurile ning sellel hoidmine. Kuigi vanandamine ja noolutamine võivad esmapilgul tunduda sarnased, on need termodünaamiliselt erinevad protsessid, mida teostatakse erinevat tüüpi metallidele ning mis annavad sõltuvalt ajast ja temperatuurist erinevaid omadusi.

Vanandamisprotsessi käigus moodustuvad materjali struktuuris väikesed osakesed ehk sadestised. Need sadestised takistavad dislokatsioonide liikumist ning suurendavad seeläbi materjali kõvadust ja vastupidavust. Meetod sobib ideaalselt komponentidele, mis peavad olema samaaegselt nii tugevad kui ka väsimuskindlad. Mõnede sulamite puhul võib vanandamine parandada ka oksüdatsiooni- ja korrosioonikindlust.

Pindkarastamise käigus muudetakse metalli pind kõvaks, samal ajal kui detaili südamik jääb pehmeks ja sitkeks. See protsess võimaldab ühendada ühes detailis nii kõva kui ka pehme metalli parimad omadused.

Pehme ja sitke südamik annab detailile suurepärase löögikindluse, plastilisuse ja tugevuse. Samas ei ole sellel piisavat kulumiskindlust. Kulumiskindlus, mis on vajalik materjali kaitsmiseks hõõrdumise ja abrasiooni eest, saavutataksegi pinna kõvendamisega. Seega, karastades valikuliselt ainult välimist kihti, saame minimeerida materjali kulumist, säilitades samal ajal südamiku soovitavad sitked omadused.

Pindkarastamise meetod sõltub terase süsinikusisaldusest.

• Piisava süsinikusisaldusega teraste puhul piisab pinna kiirest kuumutamisest ja seejärel jahutamisest (nt induktsioon- või leekkarastamine).

• Kui terase süsinikusisaldus on madal või kui on vaja saavutada eriti suurt pinnakõvadust, tuleb pinda rikastada täiendavate elementidega. Levinumad meetodid on pinna rikastamine süsinikuga (tsementeerimine) või lämmastikuga (nitriitimine).

Nitriitimine on pindkarastuse meetod, mille käigus juhitakse lämmastikku metalli pinnakihti. Lämmastikuühendid metalli pealispinnas suurendavad oluliselt kulumis-, väsimus- ja korrosioonikindlust.

Protsess viiakse läbi suhteliselt madalatel temperatuuridel, enamasti 500–600 °C juures. Lisaks madalale temparatuurile puudb ka karastamise vajadus, mistõttu on detailide kuju- ja mõõtmemuutused minimaalsed.– eriti oluline täppiskomponentide puhul.

Nitriitimist kasutatakse laialdaselt legeerterasest ja roostevaba terasest detailidel. Tüüpilised rakendused on mootoriosad, võllid, hammasrattad ja muud suure koormuse all töötavad mehaanilised komponendid.