متال اسپری چیست؟

متال اسپری یا پوشش‌دهی حرارتی (Thermal Spray) یک فناوری پیشرفته برای پوشش‌دهی سطح است که در آن یک فلز یا آلیاژ به شکل ذرات ریز بر روی سطحی دیگر اسپری می‌شود تا لایه‌ای محافظ، مقاوم به سایش، خوردگی یا حرارت ایجاد شود. این فرآیند معمولاً برای بهبود ویژگی‌های سطحی قطعات صنعتی از قبیل بهبود دوام و طول عمر قطعات صنعتی استفاده می‌شود.

تاریخچه متال اسپری

فرآیند متالیزه کردن (Metallizing Process) بیش از 100 سال قدمت دارد و برای اولین بار در حدود سال 1910 در سوئیس توسط مکس اولریش شوپ (Max Ulrich Schoop) اختراع شد. از همان آغاز توسعه این فرآیند توسط شوپ، این فرآیند شامل اسپری کردن سرامیک‌ها و “اکسیدهای فلزی” و همچنین فلزات بود. با این حال، بهره‌برداری تجاری گسترده از این فرآیند در درجه اول در زمینه اسپری کردن روی در طی بیست سال اول توسعه آن رخ داد.

استفاده قابل توجه از این فرآیند برای کار بر روی قطعات ماشین‌آلات، یعنی اسپری کردن فلزات سخت برای ساخت قطعات ماشین، در اوایل دهه 1930 در ایالات متحده آغاز شد. در طی بیست سال بعد، استفاده از این فرآیند به طور قابل توجهی بین کارهای مقاوم به خوردگی، با استفاده از روی و آلومینیوم، و کار بر روی قطعات ماشین‌آلات، با استفاده از فولادها و برنزها، تقسیم شد.

توسعه این فرآیند در دهه 1950 با توسعه قابل توجه مواد و همچنین بهبود فرآیند مشخص شد. بسیاری از آلیاژهای فلزی جدید به ویژه برای استفاده در زمینه روکش‌های سخت توسعه یافتند، و اسپری کردن سرامیک‌ها به طور گسترده برای کاربردهای روکش سخت و همچنین برای حفاظت در محیط‌های مقاوم به حرارت گسترش یافت. در این دوره، آلومینا و زیرکونیا (Alumina and zirconia) به عنوان مواد حفاظتی مهم مطرح شدند.

اگرچه در سال‌های اخیر فرآیند اسپری پلاسما به طور چشمگیری توسعه یافته است، نباید اهمیت توسعه مواد در همین دوره را از نظر دور داشت. فرآیند اسپری شعله‌ای، مانند سایر فرآیندهای ساخت مواد، در واقع ساختارهای مواد جدیدی ایجاد می‌کند به طوری که فقط یک ماده شناخته شده با خواص قبلی‌اش را اعمال نمی‌کند. در حال حاضر ما در دوره‌ای از توسعه فعال مواد قرار داریم، هم برای اسپری پلاسما و هم برای فرآیندهای قدیمی‌تر اسپری شعله‌ای سوختی.

اسپری شعله‌ای در صنعت به یک فرآیند متمایز و به خوبی شناخته شده تبدیل شده است. این فرآیند را می‌توان به عنوان فرآیند ذوب کردن مواد در یک منطقه حرارتی و پرتاب آنها در حالت مذاب یا نرم شده توسط حرارت به سمت یک هدف برای تشکیل یک پوشش تعریف کرد. هدف ممکن است یک زیرلایه باشد و پوشش به صورت دائمی بر روی آن قرار گیرد که این حالت معمول است. با این حال، هدف ممکن است به شکل قالبی مانند یک ماندریل باشد و پوشش پس از تشکیل از قالب جدا شود تا به یک جسم از جنس ماده اسپری شده تبدیل شود. اسپری شعله‌ای با شرایط دمایی زیرلایه از جوشکاری متمایز می‌شود. در فرآیند اسپری، ذرات داغ پس از برخورد به زیرلایه یا بلافاصله پس از آن به سرعت سرد می‌شوند؛ در حالی که در فرآیندهای جوشکاری و لحیم‌کاری، دمای زیرلایه اطمینان می‌دهد که ماده پرکننده افزوده شده به مدت قابل توجهی در بالاتر از نقطه ذوب خود باقی بماند.

4 نوع از روش‌های متال اسپری:

1. Flame Spray:
   1. در این روش، سیم یا پودر فلزی با استفاده از شعله‌ای که از ترکیب اکسیژن و گاز سوختنی (مانند استیلن یا پروپان) ایجاد می‌شود، ذوب و سپس اسپری می‌شود.
   1. این روش معمولاً برای کاربردهای عمومی و پوشش‌های مقاوم به خوردگی استفاده می‌شود.
2. Arc Spray:
   1. در این روش، دو سیم فلزی با یکدیگر برخورد کرده و یک قوس الکتریکی ایجاد می‌شود که موجب ذوب شدن سیم‌ها می‌شود. سپس مواد مذاب به وسیله‌ی گاز فشرده به سطح قطعه اسپری می‌شوند.
   1. این روش به دلیل سرعت بالا و کارایی مناسب در پوشش‌دهی‌های حجیم استفاده می‌شود.
3. Plasma Spray:
   1. در این روش، یک قوس پلاسما (یک گاز به شدت یونیزه شده) برای ذوب کردن مواد پوششی استفاده می‌شود. ذرات مذاب با سرعت بسیار بالا به سطح قطعه اسپری می‌شوند.
   1. این روش به دلیل قابلیت تولید پوشش‌های با کیفیت بالا و دقت بیشتر در صنایع هوافضا، توربین‌ها، و صنایع با فناوری پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4. Cold Spray:
   1. در این روش، ذرات با سرعت بسیار بالا (اما در دمای پایین‌تر نسبت به دیگر روش‌ها) به سطح قطعه برخورد می‌کنند. این روش به خصوص برای موادی که نمی‌توانند حرارت بالا را تحمل کنند، مناسب است.
   1. Cold Spray معمولاً برای تعمیرات و بازسازی قطعات استفاده می‌شود.

6 مرحله اصلی فرآیند متال اسپری:

1. آماده‌سازی سطح:
   1. قبل از شروع فرآیند، سطح قطعه باید کاملاً تمیز شود. این مرحله شامل حذف آلودگی‌ها، روغن، و زنگ زدگی است.
   1. معمولاً از روش‌هایی مانند سندبلاست (Grit Blasting) برای ایجاد زبری سطح استفاده می‌شود که باعث چسبندگی بهتر پوشش به سطح قطعه می‌شود.
2. پاشش سیم باندینگ:

بعد از مرحله ی زیرسازی سطح قطعه ابتدا روی آن یک لایه ی نازک از سیم باندینگ پاشش داده می شود. این سیم باعث چسبندگی بیشتر بین سطح قطعه و آلیاژ نهایی می شود.

• 3. پاشش آلیاژ نهایی :
  • مواد پوششی می‌توانند به صورت پودر، سیم یا میله باشند. این مواد به عنوان ماده اولیه پوشش‌دهی استفاده می‌شوند.
• 4. ذوب و اسپری کردن:
  • ماده‌ی پوششی با استفاده از یک منبع انرژی (مانند شعله، قوس الکتریکی، یا پلاسما) ذوب می‌شود.
  • سپس مواد مذاب یا نیمه‌مذاب به وسیله‌ی گاز فشرده به سمت سطح قطعه اسپری می‌شوند. این ذرات پس از برخورد به سطح قطعه سریعاً سرد می‌شوند و یک لایه‌ی نازک ولی چسبنده را تشکیل می‌دهند.
• 5. ایجاد لایه پوششی:
  • با تکرار فرآیند اسپری، لایه‌های متعددی از مواد پوششی روی سطح قطعه ایجاد می‌شود. ضخامت این لایه‌ها می‌تواند بسته به نیاز و کاربرد قطعه متفاوت باشد.
• 6. ماشین کاری نهایی
  • پس از اتمام کار، قطعه بسته به محلی که در آن کار می کند نیاز به سنگ زنی یا ماشین کاری نهایی دارد.

موارد اصلی کاربرد متال اسپری در صنعت:

• صنایع نفت و گاز: برای ایجاد لایه‌های محافظتی در برابر خوردگی و سایش در لوله‌ها، دریچه‌ها، و تجهیزات حفاری.
• صنایع هوافضا: برای افزایش مقاومت حرارتی و سایش در قطعات توربین‌ها و موتورهای جت.
• صنایع خودروسازی: برای بهبود دوام قطعات موتور، ترمزها، و اجزای دیگر خودروها.
• صنایع تولید انرژی: برای پوشش‌دهی توربین‌های بادی و بخاری به منظور افزایش طول عمر و کارایی آنها.
• پمپ های اسکرو: بازسازی جای بلبرینگ کمپرسورهای اسکرو و داخل پوسته
• صنایع پتروشیمی: ساخت و بازسازي مبدل ها، پوسته هاي بیرونی رولربرینگ هاي دستگاه فورج، تراست برینگها، یاتاقان ها، روتورها، جاي بلبرینگ هاي روي شفت ها و داخل هازینگ ها
• صنایع چاپ، کاغذ، مقوا و کارتن سازی: بازسازي و ساخت انواع قطعات چاپ مانند: سیلندر زینک، سیلندر لاستیک، سیلندر چاپ (فشار)، نوردهاي مرکب دان، نوردهاي آب، نوردهاي مسی، لنگها و قطعات ظریف که در قسمت چاپ از دقت بالایی برخوردارند.
• ماشین آلات راه سازی: میل لنگهای کمپرسور و ماشین آلات سنگین
• شفتهای گیربکس
• هوزینگ
• یاتاقان
• ورق‌های ضد سایش
• سیلندر
• محلهایی که با اسید و مواد شیمیایی برخورد دارند.
• غلتک در کارخانجات فولاد، کارتن سازی، کاغذسازی، چاپ و …
• ماردون در صنایع غذایی، پلاستیک و بازیافت
• کاسه نمد
• شفتها یا الکتروموتور

همچنین با توجه به تنوع آلیاژهای در دسترس، میتوان برای سطوح خارجی و داخلی پوشش دهی انجام داد و پس از ماشینکاری به تلرانس مورد نظر قطعه کار رساند.

6 مزیت اصلی روش متال اسپری:

1. بهبود عمر مفید قطعات

با استفاده از پوشش‌های متال اسپری، قطعات مقاومت بیشتری در برابر سایش، خوردگی، و حرارت پیدا می‌کنند.

• 2. انعطاف‌پذیری در انتخاب مواد

این فرآیند امکان استفاده از طیف گسترده‌ای از مواد پوششی را فراهم می‌کند. متنوع بودن آلیاژها در روش متال اسپری موجب می شود که (بیش از 150 نوع آلیاژ از قبیل؛ فولادهای آلیاژی، استنلس استیل، تنگستن کارباید، سرامیک، مس و … )، مهمترین ویژگی های قطعه از جمله؛ سختی، ضد زنگ بودن، ضد سایش بودن، عایق و بازیابی ابعاد طبق استاندارد افزایش می یابد.

• 3. ایجاد لایه‌های ضخیم بدون تغییر در خواص مکانیکی قطعه اصلی

لایه‌های پوششی می‌توانند بدون تاثیر منفی بر خواص فیزیکی و مکانیکی قطعه اصلی ایجاد شوند.

• 4. قابلیت جایگزینی با روش جوشکاری :

متال اسپری یکی از بهترین روش های معرفی شده به عنوان جایگزین فرآیند جوشکاری می باشد و مهمترین تفاوت آن با جوشکاری در این است که؛ در حین متال اسپری دمای قطعه از 140 نهایتأ 150 درجه تجاوز نمی کند، لذا خطراتی از قبیل؛ تاب برداشتن قطعه و خشک شدن آب فلز را از بین می برد به همین دلیل احتمال لنگی قطعه یا بریدن قطعه از قبیل شفت در حین کار به صفر می رسد.

• 5. عدم محدودیت در ضخامت پاشش

  در روش متال اسپری محدودیتی جهت ضخامت پوشش دهی و بازسازی قطر قطعه وجود ندارد ( از 1/0 تا در بعضی مواقع 5 الی 6 میلیمتر).

حداقل ضخامت در شعاع (Min Coat Thickness)	قطر (Diameter)
0.010” on the radius	1” or under
0.015”	1” to 2”
0.020”	2” to 3”
0.025”	3”to 4”
0.030”	4” to 5”
0.035”	5” to 6”
0.040”	6” or over

• 6. افزایش سختی سطح قطعه

با توجه به متنوع بودن آلیاژ های مورد استفاده در روش متال اسپری، امکان افزایش سختی سطح قطعات وجود دارد.

6 مورد از معایب اصلی روش متال اسپری:

همانند هر روش دیگری، متال اسپری هم با محدودیت هایی رو به رو است که در ادامه به بعضی از این موارد اشاره می کنیم:

1. در محل هایی که فلز با فلز کار می کند مثل جای بلبرینگ های بدون کنس.
2. در محل هایی که سرعت چرخش بالاست.
3. در محل هایی که قطعه تحت ضربه می باشد. (متال اسپری به دلیل اینکه یک پوشش یا به اصطلاح (Coating) هست در اثر ضربه کنده می شود.
4. نیاز به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت: فرآیند متال اسپری به دستگاه‌های خاص و پرهزینه نیاز دارد.
5. نیاز به اپراتورهای ماهر: کیفیت پوشش به تجربه و مهارت اپراتور بستگی دارد.
6. هزینه بالای مواد مصرفی: مواد مورد استفاده در این فرآیند می‌توانند گران باشند.

در مجموع، متال اسپری یک فرآیند پیشرفته و موثر برای بهبود خواص سطحی قطعات صنعتی است که با انتخاب روش مناسب، می‌توان به پوشش‌هایی با ویژگی‌های خاص و متناسب با نیازهای صنعتی دست یافت. این فرایند برای اصلاح و تقویت سطوح و بازسازی ابعاد مهندسی در هر صنعت قابل تصور از جمله: خودروسازی، دریایی، پزشکی، فولاد، سیمان، چاپ و بسته بندی، کاغذ و مقوا، غذایی و … قابل استفاده می باشد.