Metallin pinta- ja lämpökäsittely

Perinteisin tapa ja vaihtoehto jauhemaalaukselle. Sopii metalleille, joita ei voi kuumentaa jauhemaalausta varten. Takaa paksumman maalikerroksen ja paremman suojan tilanteissa, joissa jauhemaali ei kestä niin hyvin.

Sinkityksessä teräs- ja metallituotteet päällystettään sinkkikerroksella, joka suojaa metallia erinomaisesti korroosiolta. Sinkki muodostaa suojaavana kerroksena, joka estää metallin syöpymistä ja pidentää sen käyttöikää. Galvanointi on kustannustehokas menetelmä, joka antaa pitkäikäisen pinnoitteen.

Kaksi yleisintä galvanointimenetelmää ovat kuuma- ja sähkösinkitys. Kuumasinkityksessä metallikappale upotetaan nestemäiseen sinkkiin, kun taas sähkösinkityksessä metallikappale päällystetään sinkillä elektrolyysin avulla.

Galvanointia käytetään yleisesti kohteissa, joissa metallin täytyy kestää vaativia olosuhteita, tai metallirakenteissa, joissa sen on säilytettävä lujuutensa vuosikymmenten ajan. Sinkitettyä terästä käytetään laajasti mm. silloissa, kaiteissa sekä kemiantehtaissa käytettävissä teräsosissa.

Käsittelemättömän alumiinin kulutuskestävyys on heikko, mutta altistuessaan ympäristötekijöille sen pintaan muodostaa heti ohut oksidikerros, joka suojaa sitä korroosiolta. Tämä luonnollisesti syntyvä oksidikerros voi kuitenkin kulua pois sen reagoidessa muiden ympäristötekijöiden kanssa. Alumiinin anodisointi tarjoaa tehokkaamman suojan korroosiota vastaan.

Anodisointi on sähkökemiallinen prosessi, jossa metallin pinnalle muodostetaan oksidikerros. Tämä kerros suojaa sitä kulumiselta ja vaurioilta samalla, kun se tekee metallin pinnasta kauniin. Prosessissa päällystettävä tuote toimii elektrolyyttisessä kennossa anodina, mistä menetelmä on saanut nimensä.

Anodisointia käytetään useimmiten alumiiniin pintakäsittelyyn, mutta myös monia muita metalleja voi käsitellä samalla menetelmällä, kuten magnesiumia, titaania, zirkoniumia, niobiumia, sinkkiä, hafniumia ja tantaalia, tosin pintakäsittelyn tarkoitus voi vaihdella eri metallien välillä.

Anodisointi on korkealuokkainen pintakäsittely verrattuna pinnoitukseen ja jauhemaalaukseen. Sen avulla metallin pinnan voi viimeistellä muistuttamaan tarkasti erilaisia jäljiteltäviä materiaaleja.

Sähköpinnoituksessa ohut kerros metalliatomeja saostetaan toisen materiaalin pinnalle elektrolyysin avulla. Metallikerroksen lisääminen työkappaleen pintaan parantaa useita sen fysikaalisia, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia.

Korroosion- ja kulutuskestävyyden parantamisen ohella, sähköpinnoitus tehdään usein myös tuotteen ulkonäön parantamiseksi (esim. sähkönikkelöinti).

Musta oksidipinnoite on muuntopinnoite, joka parantaa metalliosien korroosionkestävyyttä ja ulkonäköä muodostamalla metallin pinnalle suojaavan kerroksen. Menetelmää käytetään pääasiassa rautapohjaisille metalleille, mutta se sopii myös ruostumattomalle teräkselle, kuparille, alumiinille ja sinkille. Prosessi tapahtuu upottamalla metalli kemialliseen kylpyyn, joka reagoi metallin pinnan kanssa ja muodostaa ohuen, mustan pinnan. Värin intensiteetti riippuu upotuksen kestosta.

Menetelmä on erityisen tehokas valon heijastuksen vähentämisessä ja tyylikkään, mattapinnan luomisessa. Menetelmää käytetään yleisesti työkaluissa ja autonosissa, ja se tarjoaa kohtuullisen suojan muuttamatta tarkkuusosien mittoja.

Rummutus on pintakäsittelymenetelmä, jossa pienet osat asetetaan värisevään rumpuun. Kun osa liikkuu sisääntulosta poistoreiän suuntaan, hiomahiukkaset kuluttavat sen pintaa ja poistavat pinnan suuremmat epätasaisuudet. Sitä käytetään purseenpoistoon, puhdistamiseen, kiillotukseen jne. On järkevää käyttää tätä tapaa, jos osien määrä on riittävä vähintään rummun täyttämiseen puolilleen.

Hiekka- ja sinkopuhallus ovat hiontaprosesseja, joissa käytetään suurella nopeudella puhallettuja hiukkasia metallipintojen puhdistamiseen, tasoittamiseen tai karhentamiseen. Hiekkapuhalluksessa puhalteet puhalletaan paineilman avulla, kun taas sinkopuhalluksessa puhalteet puhalletaan keskipakoisvoiman avulla.

Sinkopuhallus on yleensä tehokkaampi ja voimakkaampi menetelmä, mutta sen vaikutus riippuu käytetystä puhalteesta ja prosessin asetuksista. Molemmat menetelmät valmistavat pinnan hyvin pinnoitteita varten ja parantavat pinnoitteen tarttuvuutta ja osan korroosionkestävyyttä.

Lasikuulapuhallus muistuttaa sinkopuhallusta, mutta siinä puhalteena käytetään lasihelmiä tai muita pehmeämpiä puhalteita, jolloin lopputuloksena on sileämpi pinta. Tämän ansiosta menetelmä sopii kevyempää pintakäsittelyä vaativiin ratkaisuihin, kuten metallien kiillotukseen ja satiinimaisen pinnan luomiseen.

Elektrolyyttinen kiillotus, eli sähkökiillotus, on sähkökemiallinen prosessi, jossa sähkövirran avulla poistetaan ohut kerros sähköä johtavan metallin pinnalta ja samalla menetelmä tasoittaa pinnan mikroskooppiset epätasaisuudet. Toisin kuin mekaaninen kiillotus, sähkökiillotus toimii mikroskooppisella tasolla, tasoittaen pinnan karheat kohdat ja virheet, jolloin lopputuloksena on puhdas ja heijastava pinta. Sitä käytetään usein mekaanisen kiillotuksen jälkikäsittelynä.

Pinnan karheuden vähentämisen lisäksi prosessi parantaa korroosionkestävyyttä ja puhdistaa osat, minkä vuoksi se soveltuu erinomaisesti teollisuudenaloille, joissa tarvitaan suurta tarkkuutta, kuten lääke-, elintarvike- ja elektroniikkateollisuuteen. Lisäksi elektrolyyttinen kiillotus ehkäisee bakteerien kasvua, mikä tekee siitä suositun menetelmän korkeita hygieniavaatimuksia edellyttävissä sovelluksissa.

Passivointi on valmistuksen jälkeinen käsittely, joka tekee materiaalista kemiallisesti passiivisen eli reagoimattoman. Se parantaa ruostumattoman teräksen korroosionkestävyyttä muodostamalla teräksen pinnalle reagoimattoman oksidikerroksen. Tämä suojaava kalvo estää ruosteen muodostumista suojaamalla metallia ympäristön, kuten kosteuden ja ilman, vaikutuksilta.

Prosessissa metalli upotetaan mietoon happokylpyyn, joka poistaa epäpuhtaudet ja edistää oksidikerroksen muodostumista. Passivointia käytetään usein teollisuudenaloilla, joissa kestävyys ja puhtaus ovat kriittisiä, kuten lääketieteellisissä laitteissa, elintarviketeollisuudessa ja ilmailussa.

Peittaus on kemiallinen prosessi, jossa poistetaan mm. teräksen, ruostumattoman teräksen ja alumiini pinnalta epäpuhtauksia, kuten ruostetta ja oksideja. Työkappale upotetaan happoliuokseen, joka poistaa epäpuhtaudet ja jättää metallin pinnan puhtaaksi ja kiiltäväksi.

Happokäsittelyä käytetään usein ennen galvanointia, pinnoitusta tai maalausta varmistamaan, että pinnoitteet tarttuvat metalliin hyvin ja osat kestävät käytössä kauan. Se on olennaista metallin kestävyyden ja korroosionkestävyyden varmistamiseksi vaativissa ympäristöissä.

Normalisointi on eräänlainen hehkutusprosessi, jossa metalli jäähdytetään huoneenlämmössä sen sijaan, että se jäähdytettäisiin kontrolloidusti uunissa. Tämän vuoksi normalisoinnin hyödyt ja käyttösovellukset ovat usein samankaltaisia hehkutuksen kanssa – metallin sitkeys ja lujuus paranevat samalla, kun sen kovuus vähenee.

Käyttökohteissa, joissa tarvitaan näitä ominaisuuksia, normalisointi on suhteellisen nopea ja kustannustehokas tapa saavuttaa halutut tulokset, sillä normalisoinnissa kappaletta tarvitsee pitää uunissa lyhyemmän aikaa. Useimmissa tapauksissa normalisointi riittää, jos komponentit eivät joudu suurten kuormitusten alaisiksi.

Kun kyseessä on niukkaseosteinen tai niukkahiilinen teräs, hehkutus ja normalisointi parantavat niiden ominaisuuksia lähes identtisesti.

Päästöhehkutus on lämpökäsittelymenetelmä, jossa kappaleet kuumennetaan ja pidetään tietyssä, kriittisen pisteen alapuolella olevassa lämpötilassa tietyn ajan. Tämän jälkeen kappaleet jäähdytetään huoneenlämpöön seisovassa ilmassa.

Päästö tehdään yleensä karkaisun jälkeen, jossa materiaali kuumennetaan sen ylemmän kriittisen lämpötilan yläpuolelle ja jäähdytetään nopeasti. Karkaisun aiheuttaman haurauden vähentämiseksi ja sitkeyden palauttamiseksi metalli lämmitetään uudelleen, tällä kertaa matalampaan lämpötilaan. Tämä auttaa saavuttamaan halutun tasapainon metallin kovuuden ja sitkeyden välillä.

Päästettyjä metalleja käytetään käyttötarkoituksissa, joissa osien täytyy olla jonkin verran joustavia. Periaatteessa päästö voidaan tehdä monille eri metallityypeille, mutta sitä käytetään tyypillisesti hiiliteräkselle, sillä harvat muut metallit reagoivat tähän lämpökäsittelymenetelmään samalla tavalla kuin teräs.

Karkaisu on nopea jäähdytysprosessi, jota käytetään metallien kovettamiseen sen jälkeen, kun ne on kuumennettu tiettyyn lämpötilaan rekristalloitumispisteen ja sulamispisteen välille metallin rakenteen muuttamiseksi. Karkaisussa kuuma metalli upotetaan jäähdytysaineeseen, kuten veteen, öljyyn tai ilmaan, mikä lukitsee materiaalin kovaan ja kestävään olotilaan.

Tämä prosessi lisää komponenttien lujuutta ja kulutuskestävyyttä, mikä tekee siitä ihanteellisen ratkaisu korkeaa suorituskykyä vaativiin käyttötarkoituksiin. Karkaisua käytetään yleisesti työkalujen, koneiden osien ja rakenteellisten elementtien valmistuksessa. Metallin haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi karkaisu yhdistetään usein muihin lämpökäsittelymenetelmiin, kuten päästöön tai hehkutukseen.

Erkatuskarkaisu, eli vanhennus, on lämpökäsittelymenetelmä, jolla lisätään muokattavien metallien, kuten joidenkin alumiini-, nikkeli- ja terässeosten, myötölujuutta. Tämä prosessi toteutetaan yleensä karkaisun jälkeen, ja siinä metalli kuumennetaan korkeaan lämpötilaan ja jäähdytetään sen jälkeen hitaasti. Vaikka päästö ja vanhennus saattavat ensi alkuun vaikuttaa samankaltaisilta, ne ovat termodynaamisesti hyvin erilaiset prosessit, ne soveltuvat eri metalleille ja tuottavat erilaisia ominaisuuksia riippuen käytetystä ajasta ja lämpötilasta.

Vanhennusprosessissa materiaalin rakenteeseen muodostuu pieniä hiukkasia eli saostumia, jotka estävät dislokaatioliikkeitä ja lisäävät metallin kovuutta ja kestävyyttä. Tämä menetelmä sopii erityisesti komponentteihin, joiden tulee olla sekä lujuudeltaan vahvoja että väsymistä kestäviä. Joillakin metalliseoksilla vanhennus voi lisäksi parantaa niiden hapettumisen ja korroosionkestävyyttä.

Hiiletyskarkaisun avulla metallin pinta kovetetaan samalla kun sen sisäosa säilyy pehmeänä. Hiiletyskarkaisu yhdistää pehmeän ja kovan metallin parhaat ominaisuudet samassa osassa.

Pehmeällä materiaalilla on parempi iskunkestävyys kuin kovalla materiaalilla. Se on sitkeämpää, venyvämpää ja lujuudeltaan parempaa, mutta sen kulutuskestävyys on heikko. Hyvä kulutuskestävyys on tärkeää, jotta materiaali ei kulu hankauksen tai kitkan seurauksena. Kovettamalla vain materiaalin pinta voidaan tehokkaasti vähentää kulumista samalla säilyttäen materiaalin muut hyvät ominaisuudet.

Jos työstökappaleen hiilipitoisuus on riittävän suuri, riittää, että osa kuumennetaan ja karkaistaan. Jos hiilipitoisuus on alhainen tai tarvitaan äärimmäistä kovuutta, metallin pintaan täytyy lisätä alkuaineita, kuten hiiltä (hiiletyskarkaisu) tai typpeä (nitraus).

Nitraus on pintakarkaisumenetelmä, jossa typpeä johdetaan kappaleen pintaan. Nitrauksessa metallin pinnalle muodostuu kova ja kulutusta kestävä nitridikerros. Nitraus tehdään suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, minkä ansiosta kappaleen mitat eivät muutu ja sen vääntyminen on minimaalista.

Nitrausta käytetään yleisesti teräksestä ja ruostumattomasta teräksestä valmistetuille osille, jotka vaativat suurta pintakovuutta, väsymislujuutta ja hyvää korroosionkestävyyttä.