Keuze van oppervlaktebehandelingen voor verschillende toepassingen

De keuze van oppervlaktebehandelingen biedt vele opties. Traditioneel worden hard verchroomde lagen toegepast. Intussen hebben zich nieuwe technieken ontwikkelt, waaronder lasercladden. In dit artikel leggen wij een aantal voorbeelden neer van producten en keuzes in oppervlaktebehandelingen met de voordelen en nadelen hiervan.

Over welke producten praten we zoal?

• Stangen voor hydrauliek cilinders
• Walsen in productieprocessen
• Lagers voor zware toepassingen
• Corossievrije schroefverbindingen

Waar worden oppervlaktebehandelingen op gebaseerd?

Primair moet een stang voldoen aan de functionele eisen in zijn toepassing. De meest voorkomende functionele eisen zijn:

• Corossiebestendigheid
• Slijtvastheid
• Buigzaamheid/hechting
• Reparatiemogelijkheid

Een “pancake” cilinder (kort en dik) om een brug of viaduct te herpositioneren wordt eenmalig gebruikt. De cilinder wordt vaak in beton gestort. Voor die toepassingen is een teflon coating op de cilinderstang voldoende. Corossiebestendigheid, slijtvastheid en buigzaamheid spelen hier geen rol. Misschien hoeft er op zulke cilinders zelfs geen enkele coating toegepast te worden.
Cilinders die echter in de mijnbouw gebruikt worden, bij de distributie van strooizout of de verwerking van accu’s hebben te maken met een agressief milieu. Cilinders die in de offshore gebruikt worden staan in een wat minder agressief milieu (zeewater), maar staan vaak wel langere tijd achtereen in de uitgeschoven stand wat alsnog een corrosie risico met zich meebrengt. De grotere lengtes van deze cilinders beperkt overigens ook de keuze van de te kiezen beschermlaag. . Bij bepaalde vormen van stangbekleding is de stanglengte gelimiteerd. De maximum mogelijke lengte bij galvanisch nikkel/chroom (Ni/Cr) is ca. 11 meter, bij lasercladden is momenteel ca. 35 meter mogelijk.
Aan cilinders die gebruikt worden in 24/7 toepassingen zoals persen met centrische belasting, worden andere eisen gesteld dan aan cilinders die af en toe gebruikt worden, maar wel onderhevig zijn aan zijdelings belasting ( o.a door een horizontaal gebruik). Kortom, het is veelal maatwerk.

In de onderstaande paragrafen worden de functionele eisen per type oppervlaktebehandeling besproken.

Welke andere factoren kunnen een rol spelen dan alleen functionele?

• Mogelijkheid tot (snelle) reparaties
• “Total Cost of Ownership” (TCO).
• Milieubelasting (gebruik chemicaliën en energie)
• Continuïteit (regelgeving, technische ontwikkelingen)

Als de stang of wals relatief klein is en er worden geen bijzondere eisen gesteld aan mechanische- of corrosiewerende eigenschappen, dan kan het voor de hand liggen om een RVS kwaliteit staal te nemen, zonder verdere oppervlaktebehandelingen. RVS soorten kunnen echter wel prijzig zijn en omdat vaak zwaarder geconstrueerd moet worden dan bij koolstof staal ( koolstofstaal heeft meestal beter mechanische eigenschappen), kan de hogere prijs en de extra kilo’s materiaal nadelig uitpakken voor RVS. Dat is de reden dat meestal een stang of wals uit koolstofstaal geconstrueerd wordt, met daarover heen een stangbekleding die voldoet aan de gebruiksomstandigheden. Zolang het koolstof gehalte in het staal niet te hoog oploopt, zijn alle type bekledingen mogelijk. Staal met een hoog koolstofgehalte is echter niet geschikt voor klassieke oplastechnieken. De warmte inbreng is daarvoor te groot zodat scheurtjes ontstaan. Bovendien ontstaat een relief grote “Heat Affected Zone” alwaar structuurverandering tot andere ( slechtere) mechanische eigenschappen leidt. Bij lasercladden, HVOF thermisch spuiten en galvanisch Ni/Cr is dat niet het geval.

Functionele eis: Corrosie bestendigheid.

Corrosiebestendigheid wordt verkregen door het bekleden met een corrosiebestendige laag die vrij is van poriën, zodat het onderliggende metaal afgeschermd wordt voor het milieu waarin de stang, rol of wals zich bevindt. De klassiek oplastechnieken en het lasercladden geven een laag die absoluut porievrij is. Lasercladden is daarin beter dan het oplassen omdat bij het oplassen meer opmenging plaatsvindt van het onderliggende staal. Bij galvanisch Ni/Cr zorgt met name de nikkellaag voor het afsluiten van het onderliggende materiaal en chroom zorgt voor de slijtvastheid. De mate waarin het galvanisch Ni/Cr corrosiebestendig is, hangt af van de kwaliteit van de opgebrachte laag, de mate van verontreinigingen die in het onderliggende materiaal zitten en van het milieu waarin de stang of rol gebruikt wordt. Dit galvanisch aangebrachte Ni/Cr is niet bestand tegen alle soorten (agressieve) milieu’s. En de weerstand die het biedt aan corrosie hangt tevens samen met de aard van het gebruik. Een hydrauliek stang in de “splash” zone van zout water (afwisselend zout water en lucht) kan een redelijk standtijd hebben als de cilinderstang regelmatig met olie bevochtigd wordt door in- en uitgaande bewegingen. De hydrauliekolie zorgt voor een tijdelijke beschermlaag. Maar als dat niet het geval is, kan binnen 24 uur al corrosie zichtbaar zijn.

In tegenstelling tot het galvanisch Ni/Cr is bij HVOF, lasercladden en het klassieke oplassen een ruime keuze aan oplasmateriaal, waarvan de keuze afgestemd kan worden op de aard van het gebruik. Er zijn inmiddels tientallen soorten op te brengen legeringen verkrijgbaar, voor het merendeel gebaseerd op nikkel (Inconel varianten), cobalt (Stelliet varianten) en RVS basis. Op dit moment zijn bij het lasercladden Inconel varianten het meest gebruikt omdat die legeringen zeer goed corrosiewerend zijn in verschillende soorten agressieve milieu’s en bovendien zijn ze betaalbaar.

Functionele eis: Slijtvastheid

Als de keuze van een oppervlaktebehandelingen op basis van corrosiebestendigheid is bepaald, is vervolgens de mate van slijtvast ervan belangrijk voor de standtijd. De hardheid word vaak als graadmeter genomen voor de slijtvastheid omdat die voor het oog makkelijk te meten is. Schijn bedriegt hier! Uit wetenschappelijk onderzoek blijkt dat de correlatie tussen slijtvastheid en hardheid veelal ver te zoek is. Bovendien is de hardheid helemaal niet makkelijk te meten. Met een hardheidsmeter wordt niet de hardheid van de opgebracht laag gemeten, maar meer de hardheid van de onderliggende laag. Dat komt omdat de opgebrachte laag te dun is om als op zichzelf staande laag te meten. En verder worden er steeds meer lagen toegepast met daarin een bepaalde verhouding van zeer harde carbides. Bij het meten wordt overwegend de hardheid van de matrix gemeten waarin de carbides zich bevinden, maar niet de hardheid van de carbides zelf.
Kortom; ga niet af op de gemeten hardheden maar kijk naar de slijtvastheid als graadmeter voor de standtijd ( levensduur) van de laag.

Van het galvanisch Ni/Cr is bekend dat het een zeer goede slijtvastheid heeft. (Dit is echter zelden de oorzaak waardoor de levensduur van galvanisch Ni/Cr tot een einde komt. Dat is corrosie!)

Bij het eerste gebruik van een hydraulische stang die bekleed is met galvanisch Ni/Cr kunnen er loopsporen zichtbaar worden die een gering oliekraagje veroorzaken. Dat komt door vervorming van het wat zachtere nikkel wat onder de chroomlaag zit. Bij verder gebruik leidt die vervorming tot een egale “koude” verharding van het nikkel en daarmee tot een prima loopvlak zonder olieverlies.
Ditzelfde verschijnsel vindt ook plaats bij een lasercladlaag van Inconel. Het hier toegepaste nikkel heeft een samenstelling die zich op voorhand al sterker laat “koud vervormen” in het gebruik en vervolgens na de eerste slagen zelf een prima slijtvastheid creeert.

Ondanks dat de chroomlaag bij het galvansich Ni/Cr een prima slijtweerstand vertoont, is de slijtweerstand van een lasercladlaag op basis van Inconel625 veelal ruim voldoende. Om de slijtvastheid van een Inconel laag verder te vergroten, kunnen in die Inconellaag legeringselementen en nabewerkingstechnieken toegepast worden.
Bij het HVOF proces op basis van keramisch materiaal (alu gebaseerd), is in de basis een prima slijtvastheid te bereiken. Daarin verschillen HVOF thermisch spuiten en lasercladden elkaar niet veel.

Voor nog betere slijtvastheden is het mogelijk om bij zowel het lasercladden als het HVOF thermisch spuiten “hard facings” toe te voegen aan de op te brengen legering. Deze verhogen de slijtvastheid tot ieder gewenst niveau. Het voordeel van een lasercladlaag is hierbij dat er geen brosheid ontstaat. De buigzaamheid en kerfslagwaarden worden niet aangetast.
Bij de klassieke oplastechnieken is uiteindelijk hetzelfde resultaat te bereiken als bij het lasercladden, met dien verstande dat de laag veel dikker is ( kostbaarder), meer ongewenste opmenging geeft en een grotere (ongewenste) “Heat Affected Zone”.

In het bijzonder dient vermeldt te worden dat lasercladlagen met “hardfacings” veel toegepast worden in lagerconstructies voor o.a. scheepsaandrijfassen en scharnieren voor grote, zwaarbelaste bruggen en sluizen. Het gaat hierbij om roterende in plaats van translerende eigenschappen van slijtage. De praktijk wijst uit dat de slijtageweerstand van een lasercladlaag met “hardfacings” superieur is ten opzicht van andere lagen. Evengoed kan voor lagerconstructie AluBronse via het lasercladen opgebracht worden, wat goede eigenschappen tegen het fretten heeft

Functionele eis: Buigzaamheid

Omdat het basismateriaal van een hydrauliekstang of van een wals uit elastisch materiaal gemaakt is, moet de aangebrachte oppervlaktebehandeling ook die elasticiteit hebben. Als dat niet het geval is, gaat de beschermlaag scheurtjes vertonen (hetgeen tot ondercorrosie leidt) en/of treed er delaminatie op, dat wil zeggen dat de beschermlaag loslaat a.g.v. de ontstane materiaalspanningen. Ook dit leidt onverbiddelijk tot corrosie.

Het lasercladden en de klassieke oplastechnieken onderscheiden zich hierin sterk ten opzichte van de HVOF techniek en het galvanisch Ni/Cr. De eerste groep geeft een metallische binding tussen de toplaag en de onderliggende laag. Die zijn een geheel geworden.
Bij HVOF en galvansich Ni/Cr is dat niet het geval. Hier is sprake van een mechanische hechting van deeltjes en die hechting wordt verbroken bij enige mate van spanning door bijvoorbeeld buiging. De lagen laten elkaar dan los. Verder moet opgemerkt worden dat de keramische HVOF lagen uit aluminiumoxide weinig elastisch zijn en dus al gauw scheurvorming zullen laten zien.

De mate van hechting is bijzonder belangrijk bij knikgevoelige hydrauliekstangen. Dit is het geval wanneer de lengte/diameter verhouding groot is en wanneer sprake is van excentrische drukbelasting c.q. doorbuiging als gevolg van het eigen gewicht.

Voor bijzonder omstandigheden wordt in dit kader ook de kerfslagproef aangehaald om (ongewenste) brosheid aan te tonen, met name bijlage temperaturen. Brosheid is een equivalent voor vermoeiing.
Brosheid ontstaat voornamelijk door structuurverandering als gevolg van warmte inbreng in de Heat Affected Zone (HAZ). Bij de klassieke inlasmethode is die structuurverandering in de HAZ significant en daardoor zakt de kerfslagwaarde ofwel neemt de brosheid toe.
Overigens is het keramisch HVOF materiaal ook redelijk bros.

Functionele eis: Reparatiemogelijkeden

Een onderdeel van de standtijd is de impact die schades met een oorzaak van buitenaf hebben. Als die schades aan de beschermende laag te herstellen zijn, ter plaatse en zonder wezenlijke onderbreking van de bedrijfsprocessen, dan drukt dat de TCO (Total Cost of Ownership). Is er anderzijds geen mogelijkheid tot kortstondige reparatie en moet een actie ingezet worden tot het compleet nieuw onderdeel, dan zijn niet alleen de kosten van het onderdeel van belang maar ook de stilstandkosten.

Schades aan galvanisch Ni/Cr zijn in beperkte mate in het veld te herstellen middels een z.g.n. taponeerproces. De diepte en het oppervlak van de schade mag niet te groot zijn en het gaat hier om tijdelijk herstel. De kwaliteit van de reparatie wordt niet als volwaardig gezien en dat betekent een complete vervanging van het onderdeel op korte termijn nodig is.

Bij HVOF lagen is ook slechts beperkt herstel mogelijk in het veld. De te herstellen schade mag niet te groot zijn.
Bij lagen die opgebracht zijn met de klassieke oplasmethode of met lasercladden is volwaardig en definitief herstel in het veld wel mogelijk, zonder uitbouw van het repareren onderdeel. Daar is slechts een lasapparaat voor nodig.

Overige Eisen: Total Cost of Ownership van beschermende lagen (oppervlaktebehandelingen)

We onderscheiden hierbij de volgende hoofdcomponenten:
• Kosten van initiele vervaardiging.
• Standtijd van de betreffende beschermende laag
• Kosten van stilstand bij uitwisseling aan het einde van de standtijd of bij reparatie

Kosten van initiele vervaardiging:
Een lasercladlaag of een HVOF laag zitten in grote lijnen op hetzelfde prijsniveau en dat is ca. 35% hoger dan galvanisch Ni/Cr. Een klassieke opgelaste laag zit op ca. het dubbele van een galvanische Ni/Cr laag.

Prijsverhoudingen:
• Galvanische Cr/Ni laag : 1,0
• Keramische HVOF laag: : 1,35
• Lasercladlaag : 1,35
• Klassieke oplaslaag : 2,0

De kosten van stilstand per geval wordt voor alle stangbekleding op een gelijk bedrag gesteld.

De standtijd wordt bepaald door het zwakste element uit de aangebrachte laag. Het merendeel van hydrauliekstangen staan in offshore en baggerinstallatie waar HCl en H2S de oorzaak van falen zijn. Door ondercorrosie worden de Cr/Ni lagen er af gedrukt. In mindere mate gebeurd dit bij keramische HVOF lagen. Bij HVOF speelt ductiliteit daarbij een rol. Door mechanische belasting treden scheurtjes op waar de bron van corrosie ligt.

Op basis van zoutsproeitesten en een aantal praktijkervaringen wordt uitgegaan van de volgende standtijden van de verschillende lagen in een zoutwateromgeving: ( We realiseren ons dat de uitkomsten in de praktijk, afhankelijk van de omstandigheden, anders kunnen zijn.)
• Galvanisch NiCr : 8 jaar
• Keramisch NiCr : 15 jaar
• Lasercladlaag : 30 jaar
• Klassieke oplaslaag : 30 jaar

Als de gebruiksduur van de installatie op 30 jaar gesteld wordt, dan zijn de TCO voor deze vergelijking van lagen als volgt: Aantal keren initiele kosten van aanbrengen van de laag ( IK) + aantal keren stilstandkosten (SK)

TCO:
• Galvanische Cr/Ni laag : 30/8 x 1,0 IK + 30/8 SK = 3,75 IK + 3,75 SK
• Keramische laag : 30/15 x 1,35 IK + 30/15 SK = 2,7 IK + 2,0 SK
• Klassieke oplaslaag : 30/30 x 2,0 IK + 30/30 SK = 2,0 IK + 1,0 SK
• Lasercladlaag : 30/30 x 1,35 IK + 30/30 SK = 1,35 IK + 1,0 SK

De uitkomst van dit vergelijk geeft een indicatie van de TCO en niet een exact bedrag. Dit simpele model poogt aan te geven wat de initiele kosten, de stilstandkosten en standtijd doen met de TCO. De standtijd zal meestal de dominatie factor zijn en de initiele kosten de minst dominatie. De TCO van de galvanische Ni/Cr laag  en de keramisch HVOF laag zijn onder die aannames het hoogste en die van de lasercladlaag het laagst.

Overige eisen: Belasting voor het milieu en toekomstbestendig.

De belasting voor het milieu van oppervlaktebehandelingen en daarbij te gebruiken producten wordt steeds belangrijker. Het is niet alleen een maatschappelijke verantwoordelijkheid maar binnenkort ook een wettelijke verantwoordelijkheid. Bedrijven worden verplicht om plannen ten uitvoer te brengen om het energieverbruik te verminderen.
Niet alleen het energieverbruik is in het segment van oppervlaktebehandelingen belangrijk. Ook het gebruik van milieubelastende en risicovolle chemicaliën speelt een rol. En de mogelijkheid om deze processen vergunningtechnisch te handhaven. Lokale overheden verhogen de vestigingseisen voor risicovolle processen steeds meer en de EU heeft zijn focus gericht op het afbouwen dan wel verbieden van bijvoorbeeld Cr6. Welke processen zijn nog toekomstbestendig ten aanzien van regelgeving?

Galvanisch Ni/Cr oppervlaktebehandelingen:
Het principe van het opbrengen van zo’n galvanische laag is gebaseerd op het laten neerslaan van nikkel en chroom op een te behandelen product. Dit proces zelf, inclusief voor- en nabehandelingen vindt plaats en baden met chemicalien onder het gebruik van hoge stroom. De energiebehoefte en dus ook de CO2 belasting is dus hoog. Om een bepaalde kwaliteit van de nikkel- en choomlaag te garanderen, moeten de chemicalien op een zeker moment ververst worden. Er is dus sprake van een verbruik! Het (extern) verwerken van vervuilde chemicalien is een energieverbruikend proces.

De locale en centrale overheid heeft de afgelopen jaren haar eisen ten aanzien van het onderhouden en handhaven van deze processen sterk aangehaald middels een BRZO regelgeving. Dit maakt dat de veiligheid voor de omgeving beter geborgd is, maar ook dat het verkrijgen van nieuwe vestigingsvergunningen aan zwaardere regels onderworpen wordt. Kunnen de bestaande galvanische bedrijven zich wel handhaven door de strenger eisen?

De EU richt reeds een aantal jaren haar focus op het verbieden van Cr6. Kortgezegd is de huidige regel dat processen waar Cr6 vrijkomt alleen nog toegepast mogen worden wanneer er geen alternatief voor is en het verbod een te grote economische impact heeft. Op dit moment is voor deze tak van industrie nog steeds een tijdelijke vergunning te verkrijgen. Het is momenteel niet bekend hoe lang dat nog zal duren.
In de industrietak van galvanische oppervlaktebehandelingen wordt hard gewerkt aan een de vervanging van chroom door een vergelijkbaar product zonder het vrijkomen van Cr6.

HVOF oppervlaktebehandelingen: 
HVOF oppervlaktebehandelingen worden opgebracht door een edelmetaal in poedervorm over een product aan te brengen. Het edelmetaal wordt in poedervorm wordt verwarmd en met hoge snelheid tegen het product gespoten. Zo ontstaat een laag van over elkaar gehechte poederdeeltjes. De energie die hier voor nodig is, is relatief gering ten opzichte van het galvanisch proces en te vergelijken met de energie die nodig is voor het lasercladden.

Het HVOF proces is naar industriele normen niet milieubelastend. Het proces geeft een hoog geluid, maar dat levert geen hinder op voor de omgeving door het verwerken in cabines en het gebruik van beschermende middelen door de operators. De overheden verstrekken daarom zonder bijzondere eisen omgevingsvergunningen en de verwachting is dat deze type bedrijven zich op dat vlak kunnen handhaven.

De verbruiksmaterialen, het op te brengen edelmetaal, brengt geen bijzonder risico’s voor mens en milieu met zich mee.

Laserclad oppervlaktebehandelingen:
Bij het lasercladden wordt, net als bij de HVOF techniek, een edelmetaal in poedervorm over het te beschermen product aangebracht. Het verschil is dat het poeder met een laserstraal op het product versmolten wordt.
De hoeveelheid energie die hier voor nodig is, is zeer gering. Het smeltbadje wat gemaakt wordt is slecht zo’n 0,1 mm diep. Net als bij de HVOF techniek is de energiebelasting en daarmee CO2 uitstoot gering.

Het lasercladproces geeft geen hinder voor de omgeving. Net als bij het HVOF proces, gebeurd het opbrengen ervan in afgeschermde cabines. Ook zijn, net las bij de HVOF techniek, de verbruiksmaterialen ( het poeder) in milieutechnisch opzicht niet belastend en risicovrij voor de omgeving.

Klassiek oplasprocesssen:
Bij het klassiek oplassen wordt middels lassen een draad van een edelmetaal op het te beschermen product gelast. De hoeveelheid energie die daar voor nodig is, is aanzienlijk meer dan bij het lasercladden of bij de HVOF techniek.
Door het hoger energiegebruik, is de CO2 uitstoot fors hoger t.o.v. het laserclad- en HVOF proces, doch lager dan bij het galvanisch NiCr. Het gebruikte lasdraad heeft geen negatieve milieu aspecten. Wel is bij dit proces de materiaalkeuze beperkter. Bij HVOF en lasercladden kunnen velerlei mixen van toevoegmateriaal worden gebruikt. Dit proces geeft geen hinder voor de omgeving. Er ontstaan weliswaar meer dampen, maar die kunnen met eenvoudige technieken gefilterd worden.

Samenvatting:

Van de vier meest gangbare oppervlaktebehandelingen technieken is beschreven in welke mate zij voldoen aan de meest gevraagde eisen. Corrosiewerendheid, slijtvast en buigzaamheid zijn uitvoerig besproken, alsmede Total Cost of Ownership en belasting voor het milieu.

Op het gebied van slijtvastheid presteren het galvanisch Ni/Cr, de lasercladlaag (met carbides) en de HVOF laag (met carbides) uitstekend. Op het gebied van corrosiewerendheid en buigzaamheid komt de lasercladlaag als beste naar voren.

Op basis van Total Cost of Ownership (TOC) en belasting voor het milieu ( inclusief toekomstbestendigheid), is een lasercladlaag veruit het meest aantrekkelijk en de galvansiche Ni/Cr laag het minst aantrekkelijk.