Coatings

Coatings

1. Inleiding

Coatings hebben als doel de gesteldheid van een oppervlak te verbeteren en het verlengen

van de levensduur van een materiaal. De belangrijkste redenen om een oppervlak aan te

passen zijn:

1. het verbeteren van de corrosieweerstand

2. het verbeteren van de wrijvingseigenschappen

3. het verminderen van de slijtage

4. bepaalde eigenschappen veranderen (kleur, reflektievermogen, …)

De coatings kan men onderverdelen in twee grote groepen namelijk de organische en de

anorganische coatings. De verschillende manieren van aanbrengen staan in onderstaande

figuur (fig 1)

Vanassche Kjell 4EMEMEM21

DEKLAGEN OF COATINGS

ANORGANISCH ORGANISCH

Metallische deklagen

Conversiedeklagen

Dunne deklagen

Harde oplassing

Metaalspuiten

Glas/Keramiek

Thermisch vermetalen

Verf en polymeren

Keramisch materiaal

Laminaten

Afdichtingslagen

Gesmolten poeder

Smeermiddelen

figuur 1: verschillende soorten coatings.

Coatings

Al de processen uit figuur 1 kunnen toegepast worden op metalen. Het metallisch coaten,

verven en lamineren kunnen ook toegepast worden op kunststoffen. De coatings kunnen

bestaan uit metalen, kunststoffen, keramisch materiaal en uit speciale composieten.

Al deze technieken worden in de volgende hoofdstukken besproken.

2. GalvaniserenEen galvaniseeropstelling bestaat uit 2 elektroden die ondergedompeld zijn in een

elektrolyt en aangesloten zijn op een sanningsbron.

Als het elektrolyt en het metaal (A) aangesloten aan de anode een goede combinatie

vormen, dan zal het metaal in oplossing gaan in het elektrolyt door de vorming van

positieve ionen A+. Door de aangelegde spanning zullen de gevormde ionen naar metaal B

gaan aan de kathode. Bij metaal B zullen de ionen A+ gereduceerd worden doordat ze een

elektron uit metaal B opnemen. Rond het metaal B zal dus een laagje van metaal A

ontstaan (fig 2).

Sommige galvanische deklagen vertonen scheuren of putjes, andere zijn dan weer poreus.

Het optreden van deze ongewenste verschijnselen hangt af van de omstandigheden tijdens

het bekleden. Voor iedere combinatie van metaal en coating moet dus de juiste spanning

aangelegd worden over de elektroden en moet dus een juiste keuze van elektrolyt gemaakt

worden.

Vanassche Kjell 4EMEMEM22

AB A+

elektrolyt

figuur 2: principeopstelling galvaniseren

Coatings

3. Conversiedeklagen.

3.1 oxydedeklagenHet eenvoudigste voorbeeld hiervan is staal. Vroeger werden stalen werkstukken tot 370°

verhit in een omgeving waar veel stoom aanwezig is. Door de reactie van het staal met de

stoom ontstaat er een zeer dun oxidelaagje. Deze poreuze laag werd dan ingesmeerd met

olie. Door deze behandeling kreeg het staal een kleine weerstand tegen roesten.

Hetzelfde type van coating kan ook bekomen worden door metalen onder te dompelen in

bepaalde chemische baden.

3.2. AnodiserenDeze methode wordt het meest toegepast bij aluminium. Het te anodiseren voorwerp

wordt in een bad geplaatst waarin zich een verdunde zuuroplossing bevindt. Het voorwerp

wordt dan aangesloten aan de anode van een spanningsbron. Aan het oppervlak van het

voorwerp zullen er zich dan zuurstof ontwikkelen onder de vorm van losse atomen. Deze

zuurstofatomen zullen zich dan binden met het aluminium tot Al2O3. Deze laag is zeer

poreus en kan niet zonder bijkomende behandeling gebruikt worden in corrosieve

omstandigheden. Deze nabehandeling

noemt men “sealen” of het dichtmaken

van de porieën. De geanodiseerde laag

kan ook gekleurd zijn, dit bekomt men

door aangepaste zuurbaden te gebruiken.

Vanassche Kjell 4EMEMEM23

figuur 3: foto van geanodiseerd oppervlak

Coatings

3.3 FosfaatdeklagenEen fosfaatcoating is een dunne laag die ontstaat, wanneer een metaaloppervlak in een

fosfaatverbinding omgezet wordt. Dit kan men bekomen door het metaal in een bad te

plaatsen waarin zich een verhitte oplossing van verdund fosforzuur bevind. Het

metaaloppervlak reageert met deze oplossing waardoor er metaalionen in oplossing gaan.

Deze metaalionen reageren met de fosfaatoplossing. Hierdoor worden er

metaalfosfaatkristallen gevormd die neerslaan op het metaal. Doordat de coating gevormd

wordt vanuit het metaal zelf is deze sterk hechtend.

Op onderstaande figuur (fig 4), ziet men de principeschets van de opstelling om

werkstukken te fosfateren. Voorwerpen die gefosfateerd zijn kan men herkennen aan de

typische zwarte kleur.

3.4 Chromaatdeklagen.Chromaatdeklagen ontstaan op dezelfde wijze als fosfaatcoatings. Het verschil hierbij is

dat in plaats van fosforzuur, chroomzuur of chroomzouten gebruikt worden. De coating

ontstaat nu doordat bij het in oplossing gaan van het metaal, het metaal ionen en

elektronen afscheidt, deze elektronen reduceren nu de vrije chroomionen. De

chroomatomen slaan nu neer op het metaaloppervlak.Deze coatings kunnen redelijk zijn,

tot 12,5 µm dik.

Vanassche Kjell 4EMEMEM24

Ontvetten/fosfateren

spoelen passiveren 2e spoelling drogen

figuur 4: principeschets fosfateren

Coatings

4. Dunne coatings.

Voor het aanbrengen van dunne lagen bestaan er twee algemeen gebruikte processen

namelijk het PVD of physical vapor deposition en het CVD of chemical vapor deposition.

4.1 Physical vapor deposition (PVD).Er zijn verschillende PVD-processen, maar in hoofdzaak werken ze op hetzelfde principe,

namelijk de afzetting van verschillende materialen op een vast basismateriaal. Deze

afzetting kan gebeuren van atoom op atoom, van molecule op molecule of ionen.

Het klassieke PVD-proces (met sublimatie), het sputteren en ionimplantatie worden in de

industrie het meest gebruikt.

Bij het klassieke PVD-proces (fig 5) wordt het bekledingsmateriaal in een vuurvast

schaaltje geplaatst. Dit schaaltje wordt dan verwarmd of er wordt een elektrische boog in

het schaaltje gericht. Door de plotse sterke opwarming sublimeert het materiaal en vormt

het bekledingsmateriaal een atomaire wolk. Deze wolk slaat dan neer op het voorwerp die

van een deklaag moet voorzien worden.

Dit is een proces dat veel gebruikt wordt om op kunststof onderdelen een laagje metaal

aan te brengen. Zoals de sierstrips bij wagens die soms voorzien zijn van een laagje

aluminium.

Vanassche Kjell 4EMEMEM25

Materiaal waarop een coating moet komen

coating

Schuitje met het te verdampen materiaal

elektrodes voor verwarming

vacuüm

figuur 5: principe schets klassiek PVD-proces

Coatings

Coatings van speciale materialen, zoals keramische materialen, metaallegeringen en

organische of anorganische verbindingen worden aangebracht door middel van sputteren.

By gelijkstroomsputteren worden het werkstuk en het materiaal van de coating beide

aangesloten op een gelijkspanningsbron. Dan wordt de stolp leeggepompt. Vervolgens

wordt er een hoeveelheid argongas in deze ruimte gepompt. De stroomtoevoer wordt

aangezet, waardoor er tussen het werkstuk en het aan te brengen materiaal een plasma

ontstaat van geïoniseerd argon. De argonionen bombarderen het aan te brengen materiaal

waardoor er atomen worden weggeslagen. De weggeslagen atomen worden dan door het

plasma naar het werkstuk gebracht. Hierdoor ontstaat de deklaag. Indien het materiaal die

men moet aanbrengen elektrisch geleidend is, dan moet men een RF-bron gebruiken.

Een derde variant van het PVD-proces is ionimplantatie. Zoals bij het klassieke proces

wordt het materiaal ook verdampt, maar nu worden de atomen geïoniseerd zodat er een

plasma gevormd wordt. Deze ionen worden naar het basismateriaal geslingerd, waar ze

met grote energie inslaan, zodat ze het basismateriaal binnendringen. De gevormde

deklaag is dus uitermate sterk gebonden aan het basismateriaal.

Met sputteren en ionimplantatie worden zeer dunne deklagen aangebracht. Een voorbeeld

hiervan is de harde TiN-laag op snijgereedschappen (fig 6).

Vanassche Kjell 4EMEMEM26

figuur 6: toepassing van PVD-proces

Coatings

4.2 Chemical vapor deposition (CVD)CVP heeft als voordeel, ten opzichte van andere methoden om coatings aan te brengen,

dat met dit proces dikke metaaldeklagen kunnen aangebracht worden op niet-metalen

zoals glas en sommige kunststoffen. De coatings vertonen goede eigenschappen op het

vlak van hechting en dichtheid. De belangrijkste voorwaarden voor dit proces is dat men

over metaalverbindingen moet beschikken die op lage temperatuur al verdampen, en die

bij contact met het warme werkstuk uiteenvallen. Het principe schema van het CVD-

proces is te zien op figuur 7.

Ook met het CVD-proces worden snijgereedschappen voorzien van hun coating, het

voordeel bij CVD is dat overal een deklaag wordt aangebracht. Een nadeel van CVD ten

opzichte van PVD is dat voor ieder type deklaag een geschikte reaktie moet gevonden

worden. Bij het aanbrengen van TiN of TiC moet het uiterst giftige TiCl4 gebruikt worden.

Bij de allernieuwste technieken wordt gebruik gemaakt van plasma, het proces wordt dan

Plasma Assisted of Enhanced Chemical Vapor Deposition genoemd of verkort PACVD of

PECDV Deze methode wordt gebruikt voor het aanbrengen van diamantlagen of

diamantachtige koolstofdeklagen (zie hoofdstuk 9 nieuwe ontwikkelingen).

Vanassche Kjell 4EMEMEM27

afvaldamp

Damp van metaalverbindingen

Voorverwarmd werkstuk waarop de verbindingen uiteenvallen

metaalverbindingen

figuur 7: principeschets CVD-proces

Coatings

5. Oplassen

Bij het oplassen wordt door lassen andere materialen op het basismateriaal aangebracht.

Het proces bestaat erin dat de aangebrachte laag versmelt met het basismateriaal. Dit

proces wordt meestal gebruikt om bijvoorbeeld de tanden van de bak van een buldozer

harder te maken. De gebruikelijke lasprocessen zijn

het MIG/MAG en het TIG lassen. De

toevoermaterialen variëren van goedkope

laaggelegeerde staalsoorten tot dure kobaltlegeringen.

De minimale dikte van de laag is normaal 3mm. Bij

graafmachines worden lagen van normaal 6mm

gebruikt (zie figuur 8).

6. Metaalspuiten Bij het metaal spuiten wordt gesmolten metaal in kleine druppeltjes met grote snelheid op

een oppervlak geblazen. Hierdoor ontstaat er een continue deklaag. Bij het neerkomen op

het oppervlak koelen de druppeltjes af waardoor er door overlapping van de spetters een

dunne laag gevormd wordt. De druppeltjes worden gevormd met een brander (acetyleen

brander) (figuur 9) bij het vlamspuiten of met een plasmastraal bij het plasmaspuiten

(figuur 10).

Het plasmaspuiten geeft coatings met een hogere dichtheid die beter hechten dan bij het

vlamspuiten. Dit komt doordat de vlam bij het plasmaspuiten een veel hogere temperatuur

heeft dan bij vlamspuiten (17000°C i.p.v. 2700°C). Hierdoor kunnen zelfs, met het

plasmaspuiten, keramische materialen gecoat worden.

Vanassche Kjell 4EMEMEM28

figuur 8: opgelaste tand van baggermachine

figuur 9: vlamspuiten figuur 10: plasmaspuiten

Coatings

7. VervenDit is een van de oudste deklagen. Al jarenlang worden materialen beschermd door er een

laagje verf op te smeren. Verschillende eigenschappen van de verflaag kunnen bekomen

worden door een andere soort verf te kiezen.

8. LaminatenLaminaten is een voorwerp voorzien van een laagje kunststof. Dit wordt veel toegepast bij

papier, een blad papier wordt tussen 2 vellen kunststof geplaatst, het geheel wordt

opgewarmd.

Vanassche Kjell 4EMEMEM29

Coatings

9. Nieuwe ontwikkelingen

9.1 Dylyn coatingDe Dylyn® of diamond-like nanocomposite van Bekaert maakt gebruik van het PACDV-

proces. Het enige verschil met het gewone CVD-proces is dat de metallische verbindingen

door een plasmastraal op het werkstuk gebombardeerd worden. De werking van de

machine is te zien in nevenstaande figuur (zie figuur 11). Zoals bij het klassieke CVD-

proces worden er

verbindingen verdampt,

deze worden dan door de

plasmastraal gebombardeerd

op het werkstuk.

Hoe groter het

koolstofgehalte van het werkstuk hoe beter de laag er aan zal hechten. In onderstaande

figuur (zie figuur 12) is de structuur van de laag te zien. Deze is te vergelijken met deze

van diamant (zie figuur 13).

Meer informatie over deze nieuwe techniek is te vinden op:

http://www.bekaert.com/bac/Products/Diamond-like%20Coatings/PACVD.htm

http://www.863.org.cn/english/Forum/18.doc

Vanassche Kjell 4EMEMEM210

figuur 11: opstelling voor PACVD

figuur 12: structuur Dylyn® coating figuur 13: structuur diamant

Coatings

9.3 QPQ-procesHet QPQ-proces is afgeleid van het Tenifer-proces of het carbonitreren. Dit Tenifer-

proces werd uitgebreid met het polijsten en het oxideren van de bewerkte voorwerpen.

Hierdoor is een hoge corrosieweerstand bekomen. Het QPQ-proces vervangt hierdoor

bekende processen als hardverchromen, verzinken, vernikkelen, cadmiëren, zwarten en

fosfateren. In figuur 14 worden de voordelen van het QPQ-proces getoond

Meer informatie over deze nieuwe techniek is te vinden op:

http://www.ferrodur.be/design/qpqnl.html

http://www.haerterei-fietz.de

Vanassche Kjell 4EMEMEM211

figuur 14: voordelen van het QPQ-proces