idea procesu

natryskiwanie cieplne

Natryskiwanie cieplne – nowoczesna obróbka powierzchni

Natryskiwanie cieplne to nowoczesna metoda obróbki powierzchni, polegająca na nanoszeniu powłok ochronnych – metalicznych, ceramicznych lub kompozytowych – na różnego rodzaju elementy przemysłowe. Technologia ta pozwala skutecznie zwiększyć odporność na ścieranie, korozję, wysokie temperatury oraz złożone procesy niszczenia powierzchni, dzięki czemu znacząco wydłuża trwałość komponentów i poprawia ich parametry pracy. Dodatkową zaletą procesu jest możliwość regeneracji zużytych części maszyn i urządzeń. Natryskiwanie cieplne umożliwia uzupełnianie ubytków materiału, co stanowi ekonomiczną i szybką alternatywę dla kosztownej wymiany całych podzespołów. Dzięki temu technologia znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle ciężkim, energetyce, motoryzacji oraz branży narzędziowej.

Etapy procesu natryskiwania cieplnego – fizyczne i techniczne aspekty powstawania powłok ochronnych

Poniżej przedstawiam etapy procesu natryskiwania cieplnego.

Etap 1: Przygotowanie powierzchni – klucz do przyczepności powłoki

Przed właściwym procesem natryskiwania cieplnego konieczne jest uzyskanie odpowiedniej chropowatości podłoża. To kluczowy etap, który decyduje o przyczepności powłoki ochronnej. Fizycznie polega to na:

usunięciu warstwy tlenków, zabrudzeń i tłuszczów,
szorstkowaniu strumieniem ścierniwa, które tworzy mikronierówności kotwiczące,
zwiększeniu powierzchni właściwej dla lepszego mechanicznego zakotwiczenia cząstek powłoki.

Ten etap ma ogromny wpływ na przyczepność powłok ochronnych i ich późniejszą odporność eksploatacyjną.

Etap 2: Topienie materiału powłokowego

W natryskiwaniu cieplnym materiał powłokowy (proszek lub drut) jest ogrzewany do temperatury zbliżonej do temperatury topnienia. Zależnie od metody używa się:

płomienia gazowego,
łuku elektrycznego,
strumienia plazmy,
spalania w strumieniu HVOF pod bardzo wysokim ciśnieniem.

W tym etapie zachodzą zjawiska fizyczne, takie jak:

topienie materiału,
przyspieszanie go energią gazów, plazmy lub łuku,
fragmentacja cząstek na drobne krople.

Etap 3: Przyspieszanie cząstek w strumieniu nośnym

W tym kroku rozpoczyna się kluczowy dla jakości powłoki ochronnej proces: cząstki roztopionego lub półroztopionego materiału są przyspieszane do bardzo dużych prędkości – od kilku do kilkuset m/s. W zależności od technologii wykorzystuje się:

ciśnienie gazów sprężonych,
energię spalania mieszanin paliwowych (HVOF),
energię elektromagnetyczną plazmy.

Im wyższa prędkość cząstek, tym:

większa gęstość powłoki,
wyższa twardość,
mniejsza porowatość.

Etap 4: Uderzenie cząstek o podłoże i tworzenie warstw powłoki

W chwili zetknięcia cząstek z podłożem zachodzą zjawiska typowe dla natryskiwania cieplnego:

spłaszczanie cząstek (tzw. „splats”),
gwałtowne chłodzenie materiału,
mechaniczne zakotwiczenie w mikroporach powierzchni,
stopniowe budowanie kolejnych warstw powłoki.

Właściwa kontrola:

temperatury podłoża,
prędkości przesuwu palnika,
odległości natryskiwania

zapewnia równomierną mikrostrukturę powłoki.

Etap 5: Kontrola grubości powłoki i parametrów termicznych

W czasie procesu natryskiwania monitoruje się między innymi:

grubość nakładanej powłoki (zwykle 50–500 µm),
temperaturę elementu,
stabilność łuku, płomienia lub strumienia plazmy,
zużycie materiału i przepływ gazów.

Nadmierne nagrzanie elementu może prowadzić do odkształceń lub naprężeń, dlatego natryskiwanie cieplne wymaga ciągłej kontroli termicznej.

Etap 6: Chłodzenie powłoki i stabilizacja struktury

Po zakończeniu natrysku dochodzi do szybkiego odprowadzania ciepła z powłoki metalicznej lub ceramicznej. Fizycznie zachodzą procesy:

krystalizacji materiału powłokowego,
stabilizacji kolejnych warstw,
wyrównania naprężeń wewnętrznych.

Unikanie gwałtownych zmian temperatur zapobiega powstawaniu mikropęknięć.

Etap 7: Obróbka wykańczająca i finalne dostosowanie geometrii

Po natryskiwaniu powłok ochronnych stosuje się obróbkę wykańczającą, aby dopasować geometrię oraz parametry warstwy wierzchniej do wymagań eksploatacyjnych. Najczęściej wykorzystywane procesy to:

szlifowanie,
toczenie,
polerowanie,
honowanie.

Proces ten ma na celu uzyskanie odpowiedniej:

chropowatości,
dokładności wymiarowej,
twardości warstwy wierzchniej.

Etap 8: Kontrola jakości powłok ochronnych

W końcowej fazie procesu natryskiwania cieplnego stosuje się specjalistyczne techniki pomiarowe w celu weryfikacji jakości powłoki. Najczęściej wykonywane badania to:

pomiar grubości powłoki,
badanie przyczepności (testy odrywowe),
analiza porowatości,
mikroskopia struktury powłoki,
pomiar twardości powierzchniowej.

Etap ten potwierdza, że powłoka spełnia wymagania eksploatacyjne i technologiczne dla danej aplikacji oraz rodzaju obróbki powierzchni.

Techniki natryskiwania cieplnego

Jednym z najważniejszych wyznaczników wpływających na opisane parametry jest technika natryskiwania cieplnego. Na współczesnym rynku zastosowanie mają cztery technologie. Dla każdej z nich posiadamy dedykowane urządzenia, będące w naszej ocenie jednymi z najlepszych rozwiązań na rynku.

Robotyzacja procesu pozwala na wytwarzanie jednorodnych, powtarzalnych pod względem własności i grubości warstw na seriach elementów.

Natryskiwanie łukowe

Technologia bazująca na rozwiązaniach spawalniczych. Dwa druty o określonych składach chemicznych podłączone do specjalnie zaprojektowanego zasilacza spawalniczego spotykają się w pistolecie urządzenia do metalizacji, w efekcie czego powstaje łuk elektryczny. Dysza formująca sprężone powietrze rozpyla ciekły metal na pokrywaną powierzchnię. Do zalet zaliczamy wysoką wydajność i jakość powłok. Dedykowane materiały powłokowe to najczęściej stale wysokostopowe z lub bez dodatku węglików, a także cynk, aluminium i ich stopy.