Miten saavutetaan täydelliset pinnanlaatutasot valukappaleisiin?

Pinnankäsittelyn standardit ja luokkavalinnat painevaluosille

NADCA:n pinnankäsittelyn luokat: käyttöluokka, toimintaluokka, kaupallinen luokka ja kuluttajaluokka – sovitaan odotukset sovellukseen

Sopivan pinnankäsittelyn luokan valinta painevaluosille edellyttää sekä toiminnallisten että esteettisten vaatimusten huomioon ottamista. Pohjoisamerikkalainen painevalumiesliitto (NADCA) jakaa pinnankäsittelyn viiteen erilliseen luokkaan:

Edistä mahdollisimman alhaista luokkaa – esimerkiksi käyttöluokkaa (1) sisäisille kiinnikkeille – kustannusten hallitsemiseksi samalla kun suorituskyvyn vaatimukset täyttyvät. Jokainen luokka asettaa tiukemmat vaatimukset valupinnan huokoisuudelle ja karheudelle: kuluttajaluokan (4) komponenteille vaaditaan yleensä enintään 0,8 μm Ra, kun taas käyttöluokan osat voivat hyväksyä jopa 3,2 μm Ra:n arvon.

Valupinnan alkuperäisen tilan ratkaiseva merkitys pinnanlaadun toteutettavuuden määrittämisessä

Se, mitä tapahtuu tuotteen ensimmäisellä valussa muodostuneella pinnalla, määrittää ratkaisevasti sen, millaista pintakäsittelyä voidaan saavuttaa myöhemmin. Pintasuun poroisuustaso, sulan metallin liikkeestä aiheutuvat virtausviivat sekä metallien eriytyminen muotissa vaikuttavat kaikki lopputulokseen. Kun kaasukuplat muodostavat yli 0,1 mm:n kokoisia poikkipintoja, kaupallisen luokan 3 -vaatimusten saavuttaminen on melkein mahdotonta ilman jälkikäsittelyhitsausta. Lämpötilan vaihtelut muotissa yli 30 °C valussa pahentavat pinnan kraattereita noin 70 prosenttia, mikä häiritsee sekä anodointiprosesseja että valmistajien käyttämiä herkkiä ohutkalvoja. Siksi prosessin tarkka säätö on niin tärkeää tuotantoympäristössä. Jatkuvan ja tasaisen jäähdytysnopeuden säilyttäminen sekä suodattimien (gates) asianmukainen suunnittelu edistävät kokonaisuudessaan parempaa pintalaatua. Joissakin tehtaissa on raportoitu ylimääräisten koneistusvaiheiden vähentämisestä noin 40 prosenttia, kun näihin perusasioihin kiinnitetään huomiota jo alusta lähtien.

Esikäsittelymenetelmät, jotka mahdollistavat luotettavan pintakäsittelyn

Mekaaninen profiilointi: sinkityn metallin puhdistus (shot blasting) vs. hiekanpuhdistus (sand blasting) optimaalisen ankkuriprofiilin muodostamiseksi

Oikean mekaanisen profiilin saaminen on se, mikä luo ne ankkurimaiset pinnat, joille pinnoitteet tarttuvat kunnolla. Hiomakäsittely toimii heittämällä pyöreitä hiomateriaaleja, kuten teräspalloja, jolloin saadaan melko tasaisia pintoja, joiden karheus on noin 1,5–3 mil. Tämä tekee siitä erinomaisen valinnan korkeavolyymisille tuotantoprosesseille, joissa pölyn vähentäminen on tärkeää ja osien kestoon kiinnitetään huomiota. Toisaalta hiekanhioonta heittää kulmikasta materiaalia pintaa vasten, mikä luo karkeampia, piikikäisempiä profiileja, joiden syvyys on noin 3–5 mil. Nämä tarjoavat pinnoitteille paljon paremman tartunnan vaativiin tehtäviin, vaikka niiden seurauksena syntyykin enemmän likaa, joka on puhdistettava myöhemmin. Alan tilastojen mukaan noin seitsemän kymmenestä pinnoitevirheestä johtuu siitä, että pinnat eivät ole profiloitu oikein alusta lähtien. Kun valitaan menetelmää, tekijät, kuten osan geometrian monimutkaisuus, käsittelttävien osien määrä ja ympäristövaatimusten noudattaminen, vaikuttavat usein yhtä paljon kuin itse pinnoitteen ja pohjamateriaalin välinen täydellinen liitos.

Kemialliset esikäsittelyt: kromaatit ja kolmenarvoisen kromin muuntokerrokset parannettua tarttuvuutta varten

Esikäsittelyaineet tekevät ihmeitä metallipintojen tarttuvuuden parantamisessa ja ruosteenestossa. Kromaatipinnoitteet, jotka valmistetaan heksavalenttisesta kromista, ovat pitkään olleet luotettavia suorittajia, vaikka maailmanlaajuiset valmistajat vähentävätkin niiden käyttöä terveyshuolen vuoksi, joka liittyy niiden myrkyllisyyteen. Nykyään trivalenttisten kromiratkaisujen käyttö on yleistynyt ympäristöystävällisillä tuotantolinjoilla. Ne täyttävät kaikki tarvittavat REACH-säännökset, kestävät suolahöyrytestin yli 500 tuntia ja parantavat maalin tarttuvuutta noin 40 % verrattuna raakametalliin. Vaikka molemmat pinnoitustyypit kulkevat samanlaisen prosessin läpi, joka sisältää puhdistuksen, aktivoinnin ja itse pinnoituksen, trivalenttisten aineiden käsittely tekee elämästä helpompaa turvallisuusprotokollien ja paperityön osalta. Kun valitaan eri käsittelyjä, päätöksentekoon vaikuttavat merkittävästi esimerkiksi käsiteltävän seoksen tyyppi (esimerkiksi sinkki-alumiini verrattuna magnesiumiin) sekä valmiin tuotteen tuleva käyttöpaikka.

Pinnanpäällysteiden arviointi suorituskyvyn ja esteettisyyden kannalta

Anodointiongelmat korkean piisisältöisten alumiiniseosten (esim. ADC12) kohdalla ja vaihtoehtoiset menetelmät

Alumiiniseokset, joissa on korkea piipitoisuus, kuten ADC12, jossa on noin 10–12 % piiä, eivät sovellu hyvin anodointimenetelmiin. Piipartikkelit häiritsevät periaatteessa oksidikerroksen muodostumista pinnan yli. Mitä tapahtuu? Epätasainen kerrospaksuus, heikompi suojautuminen korroosiota vastaan ja nuo ärsyttävät tummat täplät tai niin sanottu "sotku", jotka näkyvät läpi. Kun tärkeintä on itse asiassa osan suojaaminen eikä sen ulkonäkö, kolmenarvoisen kromin muuntokerrokset tarttuvat yleensä paremmin ja tarjoavat myös vahvempaa korroosiosuojaa, samalla kun niiden alustava kustannus on pienempi. Tietysti jotkut tehtaat yrittävät ensin mekaanista kiillotusta korjatakseen nämä ongelmat ennen anodointia, mutta tämä menetelmä nostaa yleensä tuotantokustannuksia 15–25 prosenttia. Osille, joiden ulkonäkö ei ole erityisen tärkeä – erityisesti kun piipitoisuus ylittää 9 prosenttia – jauhepinnoitus tai keraamiset käsittelyt toimivat yleensä paremmin kuin perinteiset anodointimenetelmät sekä suorituskyvyn että kustannusten kannalta.

Pulverimaalaus vs. sähkökemiallinen maalaus: Kompromissit kestävyydessä, reunakattavuudessa ja kustannuksissa HPDC-komponenteille

Korkeapainemaalattujen (HPDC) komponenttien osalta pulverimaalaus ja sähkökemiallinen maalaus täydentävät toisiaan:

• Kestävyys pulverimaalaus tuottaa paksuempia pinnoitteita (60–120 μm) ja paremman iskunkestävyyden – mikä tekee siitä erinomaisen valinnan autoteollisuuden ulkopinnoille. Sähkökemiallinen maalaus tuottaa ohuempia ja UV-stabiilimpia pinnoitteita (15–25 μm).
• Reunapeite sähkökemiallisen maalauksen elektrodeposiitio takaa yhtenäisen kattavuuden – myös terävillä reunoilla ja syvennyksissä – ja se ylittää pulverimaalauksen suorituskyvyn 40 %:lla monimutkaisissa geometrioissa.
• Kustannukset ja kestävyys sähkökemiallinen maalaus vähentää materiaalihävikkiä 30 %:lla nestemäisen kierrätyksen avulla; pulverimaalaus poistaa VOC-päästöt kokonaan, mutta vaatii korkeampaa kuumennusenergiaa.

Käytännöllinen päätöksentekokehys pinnanpäällysteen valintaan

Materiaali–geometria–toiminto-matriisi: pinnanpäällysteiden sovittaminen todellisiin vaatimuksiin

Oikean pinnankäsittelyn valinta perustuu kolmeen keskenään vuorovaikutteiseen tekijään: käytettävään materiaaliin, osan muotoon ja sen toiminnallisesti vaadittaviin ominaisuuksiin. Esimerkiksi alumiiniseokset, kuten ADC12, vaativat usein erityiskohteita ennen pinnankäsittelyä, koska piisisältö tekee anodoinnin epävakaaksi. Ohen seinämien tai runsaasti alakoukkuja sisältävät osat eivät sovellu hyvin tiettyihin mekaanisiin pinnankäsittelyihin. Toiminnalliselta kannalta on suuri ero esimerkiksi veneosien vaatimassa suolavesikorroosion kestävyydessä ja kuluttajaelektroniikan vaatimassa sileässä ulkoasussa. Nämä erilaiset vaatimukset ohjaavat meitä kohti tiettyjä vaihtoehtoja, kuten kolmiarvoisen kromin muuntokerroksia, jauhepintamalleja tai elektroforeettisia pinnoitteita, riippuen siitä, mikä vaihtoehto sopii parhaiten sekä teknisesti että taloudellisesti.

Otetaan esimerkiksi monimutkaiset osat, joissa on paljon kulmia ja reunoja: ne toimivat erinomaisesti sähkökemiallisella pinnoituksella (e-pinnoitus), koska se pääsee näihin vaikeasti saavutettaviin paikkoihin. Kun taas jotakin täytyy kestää jatkuvaa kulumista ja rasitusta, jauhepinnoitus saattaa olla vaivan arvoinen lisäenergiankulutus, vaikka se olisikin kalliimpi. Oikean ratkaisun tekeminen suunnitteluvaiheessa tekee valtavan eron. Useimmat insinöörit saavuttavat ensimmäisellä yrityksellään noin 80 % parempia tuloksia, kun määrittelyt täyttyvät asianmukaisesti. Eikä kukaan halua tuhlata aikaa ja rahaa koneistuksen jälkeisiin korjauksiin. Kaikista uudelleentyöstöistä noin puolet johtuu siitä, että alun perin valittiin väärä pinnankäsittely, joten oikean päätöksen tekeminen heti alusta alkaen säästää myöhempää vaivaa.

UKK

Mikä on paras pintakäsittely sisäosille, joille ei ole estetiikkaa vaadittu?

Hyötyluokka (1) on paras pinnanlaatu sisäisille komponenteille, joille ei ole kosmeettisia vaatimuksia, koska se sisältää käsittelemättömät valusisälpinnat.

Miten seoksen koostumus vaikuttaa pinnanlaadun valintaan?

Seoksen koostumus vaikuttaa pinnanlaadun valintaan siten, että se määrittää esikäsittelyn mahdollisuuden, sillä tiettyjen seosten käsittelyyn saattaa vaadita erityisiä menetelmiä, jotta pinnanlaatu säilyy täysin toimivana.

Mitkä ovat e-pintakäsittelyn ympäristöhyödyt verrattuna pulveripintakäsittelyyn?

E-pintakäsittely vähentää materiaalihävikkiä 30 %:lla nestemäisen materiaalin kierrätyksen avulla, kun taas pulveripintakäsittely poistaa VOC-päästöt kokonaan, mutta sen kovettamiseen vaaditaan enemmän energiaa.

Miksi anodointi saattaa olla sopimaton korkean piisisältöisen alumiiniseoksen käsittelyyn?

Anodointi saattaa olla sopimaton korkean piisisältöisen alumiiniseoksen käsittelyyn, koska piihiukkaset häiritsevät oksidikerroksen muodostumista, mikä johtaa epätasaiseen kerrospaksuuteen ja heikentyneeseen korroosiosuojaukseen.