ZIT UW PRODUCT LEKKER IN ZIJN VEL?

Transcriptie

1 ECN-RX ZIT UW PRODUCT LEKKER IN ZIJN VEL? Toepassing van coatings biedt extra mogelijkheden voor productontwikkeling E.W. Schuring (ECN) J. van de Put (Syntens) Gepubliceerd in Product, 2, (maart 2005), MAART 2005

2 Zit uw product lekker in zijn vel? Toepassing van coatings biedt extra mogelijkheden voor productontwikkeling door: E.W. Schuring (ECN-TS&C, tel ) en J. van de Put (Syntens, tel ) Tijdens het productontwikkelingsproces worden de kansen die coatingtechnieken bieden vaak niet optimaal benut. Veelal wordt er pas aan een coatingtechnieken gedacht als de gewenste functionele eigenschappen tekort schieten bij het reeds ontwikkelde product. Hierdoor zal het vaak niet mogelijk zijn om de meest optimale coating toe te passen. Het reeds in de ontwerpfase betrekken van de mogelijkheden van functionele coatings maakt het mogelijk de voordelen van coatings optimaal te benutten en product veel effectiever te ontwikkelen. Een optimale selectie van basismateriaal en oppervlaktebehandeling vraagt daarbij om een gescheiden benadering van structurele functionaliteit en oppervlakte-functionaliteit, zogenaamd functioneel gescheiden ontwerpen. Het productontwikkelingsproces start met een pakket van functionele eigenschappen, zie Figuur 1, dat aan het nieuwe product moeten worden gesteld. Een deel van de eisen heeft betrekking op het materiaal dat men toe gaat passen, de zogenaamde structurele eisen. Denk daarbij aan eisen zoals sterkte, vervormbaarheid e.d. Daarnaast zijn er tal van functionele eisen die alleen betrekking hebben op de oppervlaktelaag van het materiaal, zoals slijtvastheid, corrosievastheid. De materiaalkeuze kan men baseren op alle eigenschappen die er gesteld worden. Vaak is het echter veel effectiever om de functionele eigenschappen die men van de oppervlakte vraagt in te vullen middels een coating, zodat er voor de overige eigenschappen het meest geschikte materiaal gekozen kan worden. Voor een goede RVS Om in een zeer corrosief milieu een bepaalde sterkte te verkrijgen is gekozen voor het toepassen van een austenitisch RVS. De corrosiewerendheid is echter alleen nodig aan het oppervlak. Indien men de eigenschappen van het oppervlak apart bekijkt en daar een coating voor kiest, kan men in dit geval volstaan met een ferritisch RVS. Dit ferritische RVS heeft een veel hogere sterkte waardoor het product slanker kan worden geconstrueerd. Daarnaast is ferritisch RVS veel voordeliger dan austenitisch RVS. Door nu op het ferritische RVS een coating aan te brengen kan toch aan de vereiste corrosiewerendheid worden voldaan. Voor meer informatie over ferritisch en austenitisch RVS zie ook Hwww.dunneplaat-online.nlH keuze moeten dus de functionele eigenschappen van het product eerst grondig geïnventariseerd worden. Figuur 1: Plaats waar eigenschappen gevraagd worden en de mogelijkheden voor coatings

3 Inventariseren van de functionele eigenschappen Functionele eigenschappen hebben direct betrekking op de toepassing van het product. Het product moet een bepaalde functie vervullen en wordt daarbij op verschillende wijzen belast. Het moet bijvoorbeeld een bepaalde sterkte met een zekere corrosievastheid combineren. Voor een optimaal ontwerp moeten deze functionele eigenschappen zo duidelijk mogelijk beschreven worden voordat met de ontwerpfase begonnen wordt. Voor functionele eigenschappen die van het oppervlak worden verwacht is de toepassing van coatings een optie die onderzocht moet worden. Voor functionele eigenschappen die (alleen) aan het oppervlak gesteld worden kunnen we ons bij het kiezen van een coating niet beperken tot alleen de coating. De functionele eigenschappen van de coating zijn namelijk nauw verbonden met de eigenschappen van het basismateriaal waarop het is aangebracht en de gebruikscondities. Het is dus altijd nodig om naar het gehele systeem van basismateriaal, gebruikscondities en coating te kijken. In sommige gevallen is het nodig om tussenlagen toe te passen om de hechting te verbeteren, verschillen in thermische uitzettingcoëfficiënt (zie kader) op te vangen, eigenschappen te combineren. Thermische uitzetting Als een product bijvoorbeeld onderhevig is aan grote temperatuurschommelingen is het belangrijk dat de uitzettingscoëfficient van het basismateriaal en die van de coating zo op elkaar zijn afgestemd dat de coating niet gaat scheuren. Dit vindt een toepassing in bijvoorbeeld de turbinebouw, waarbij een taaie hechtlaag op het substraat van een turbineschoep wordt aangebracht om de hechting en (deels) de verschillen in thermische uitzettingscoëfficient tussen basismateriaal Als we nu voor een voorbeeld eens naar een belasting op slijtage kijken. Een simpele vraag naar een functionele coating in de trant van: 'ik wil een slijtvaste coating' is dan niet zo simpel te beantwoorden en vraagt om een nadere omschrijving van welk slijtagemechanisme bedoeld wordt. In Figuur 2 is als voorbeeld een aantal slijtagemechanisme genoemd en is een indicatie gegeven van de verschillende materiaaleigenschappen en gebruikscondities die een rol kunnen spelen. Een keuze van de juiste coating vraagt dus om een goede analyse van de gewenste functionaliteit. Een coating biedt dan de mogelijkheid om aan een gedefinieerd productoppervlak zodanig eigenschappen te geven dat het product onder vastgelegde gebruikscondities gedurende een bepaalde termijn naar wens kan functioneren. Daarbij is het de kunst om deze eigenschappen op een zo kostengunstig mogelijke manier te realiseren. Figuur 2: Enkele slijtagemechanismen en beïnvloedende systeemparameters

4 Ontwerpfase Bij het ontwerp en de keuze voor een coatingtechniek moet rekening gehouden worden met ontwerpaspecten op het vlak van geometrie, fabricage, toepassing, onderhoud en einde levensduur, zie Tabel 1. Het zal duidelijk zijn dat het voor een juiste afweging verstandig is om een beroep tel doen op de coatingspecialist. Tabel 1 Ontwerpaspecten die en rol spelen bij de keuze voor een coating en aanbrengtechniek Geometrie Fabricage Toepassing Onderhoud Einde levensduur afrondingen/ overgangen moet de coating inwendig worden aangebracht moet de coating na aanbrengen nog vervormbaar zijn nabewerken voorbewerken toegankelijkheid effecten op constructieve sterkten elastisch toelaatbare rekken effecten op geometrie en maatnauwkeurigheid thermisch belasting tijdens het aanbrengen van de deklaag opmenging met het basismateriaal vormvastheid lange termijn eigenschappen (treed er bijvoorbeeld diffusie op tijdens gebruik bij hoge temperaturen) assemblage. Beperkt de deklaag verbindingstechnieken mogelijke laagdikten vs nodige laagdikten restspanningen statische bedrijfsbelasting dynamische bedrijfsbelasting wisselende belastingen verbindingen compatabiliteit meet andere materialen: kan de deklaag bijvoorbeeld wel op het beoogde materiaal worden aangebracht? Treedt er galvanische corrosie op? stromenende vloeistoffen max bedrijfstemperatu r hechting van de deklaag reinigen reparatie is de deklaag op locatie aan te brengen recycling afval. Er moet rekening mee gehouden worden dat een coating niet constructief bijdraagt aan de sterkte van een constructie, maar dat de aanbrengtechniek de constructieve sterkte van een materiaal wel kan beïnvloeden. Bijvoorbeeld als gevolg van een thermische behandeling. Coatingtechnieken zoals het oplassen, thermisch verzinken en aluminiseren, CVD (Chemical Vapor Deposition) beïnvloeden de hele constructie thermisch waarbij restspanningen in een constructie kunnen ontstaan of dat de materialen kunnen relaxeren. Dit kan vormveranderingen van de constructie veroorzaken. Coatingtechnieken als thermisch spuiten, lasercladden en PVD (Physical Vapor Deposition) daarentegen geven een veel lagere thermische belasting van de constructie. De constructeur dient zich hiervan bewust te zijn. Tevens zullen de ontwerper en constructeur rekening moeten houden met de randvoorwaarden die diverse coatingtechnieken aan het ontwerp stellen zoals bijvoorbeeld minimaal noodzakelijke inwendige ruimte (zie figuur 3).

5 Figuur 3: Via een inwendige spuittechniek wordt hier een hitte werende coating aangebracht op een koper achtergrond. Voor deze techniek is het noodzakelijk dat de inwendige opening minimaal een diameter van 30 mm heeft. (foto ECN) Daarnaast is het mogelijk om bijvoorbeeld bepaalde eisen op meerdere manieren te realiseren. Ook het combineren van functionele eigenschappen behoort tot de mogelijkheden. Zo kan een combinatie van een thermisch isolerende coating en een coating tegen abrasieve slijtage worden toegepast op klepstelen, zie Figuur 4 In het ontwerpproces zal dan ook gekeken moeten worden welke alternatieven mogelijk zijn om zo uiteindelijk te komen tot de meest optimale toepassing voor de gestelde eisen. Figuur 4: Combinatie thermisch isolerende coating, zircoonoxide en slijtvaste coating (abrasief), chroomoxide, op een klepsteel Selectie van de deklaag en aanbrengtechniek Voor het aanbrengen van de coating of andere oppervlaktebehandeling staat de ontwerper en constructeur een breed scala aan aanbrengtechnieken ter beschikking (zie figuur 5). Dit brede scala geeft al aan dat er meestal meer dan een oplossing voor een gevraagde functionaliteit is. Iedere techniek stelt echter zijn eigen eisen aan het ontwerp. Bij ieder ontwerp is het zinvol om de

6 mogelijkheden en randvoorwaarden van oppervlaktetechnieken in het engineeringsproces mee te nemen. Figuur 5 Overzicht van mogelijke oppervlaktebehandelingen en technieken Het selectieproces om tot een juiste coating, aanbrengtechniek of oppervlaktebehandeling te komen op basis van de aspecten, Functionaliteit, Ontwerp, selectie Deklaagtype, selectie Aanbrengtechniek kan in het schema van Figuur 6 worden samengevat. De ontwerper en constructeur moeten uitgaan van de gewenste functionaliteit van een product en vandaar uit rekening houden met levensduur, kosten, bedrijfs- of gebruikscondities, eisen en beperkingen van deklaagtechnieken in relatie tot zijn ontwerp. Als dit is gebeurd kan een optimale coating worden gekozen en aangebracht.

7 Figuur 6 Schematische voorstelling van het selectieproces tot een deklaag Conclusies Coatings en oppervlaktebehandelingen bieden een ontwerper legio kansen. Bij het selecteren van de gewenste oppervlaktelaag verdient het de aanbeveling om in een vroeg stadium en in overleg met een deskundige eerste de coating te kiezen en vervolgens de keuze voor het basismateriaal hieruit af te leiden. Pas als deze selectie stap is doorlopen zou met het ontwerpen begonnen moeten worden. Dit vraagt om functioneel gescheiden ontwerpen waarbij de functionaliteit die gevraagd wordt van het oppervlak en het basismateriaal apart wordt geoptimaliseerd. Nieuwe kansen met oppervlaktebehandelingen Als ontwerper of constructeur is vaak uw kennis van oppervlaktebehandelingen beperkt. Toch kunnen oppervlaktebehandelingen voor u vaak nieuwe kansen bieden. Om inzicht te krijgen in het keuzeproces voor coatings en om u te inspireren om nieuwe kansen te benutten, organiseren FME- CWM en Syntens samen een bijeenkomst Nieuwe kansen met oppervlaktebehandelingen. Deze voorlichtingsbijeenkomst is geheel gericht op ontwerpers en constructeurs. In praktische voordrachten wordt aan de hand van praktijkgevallen getoond hoe het keuzeproces naar een optimale coating verloopt. Voor meer informatie en aanmelding kunt u terecht op of bij FME-CWM Ir. Mattijn. de Graaf Syntens Ing. Jo. van de Put

8 Ing E (Erik).W. Schuring is werkzaam als groepsleider Materiaal Technologie bij ECN te Petten. Voor ECN en externe partijen wordt materiaalkundig en schadeonderzoek uitgevoerd en materiaaladvies uitgebracht. Daarnaast beschikt Materiaal Technologie over uitgebreide faciliteiten voor applicatieonderzoek op het gebied van thermisch spuiten. Dhr Schuring is voorzitter van de technische commissie TC-1c van het NIL welke commissie zich richt op kennisoverdracht, opleiding, normering, functionaliteit en promotie van thermisch spuiten als coatingtechnologie.