Så kan slitstarka beläggningar byggas med koboltfria material

Att deponera hårda eller slitstarka beläggningar med koboltfria material kan ge flera fördelar. Ny forskning visar att alternativa material kan ge starka ytskikt med mindre miljöpåverkan. Genom att använda den termiska spruttekniken High Velocity Air-Fuel (HVAF) blir processen dessutom snabbare, billigare och mer energieffektiv.

Idag används ofta koboltbaserade material inom olika produktområden där hårda slitytor krävs – exempelvis för gruvutrustning, skär- och fräsverktyg och inom trä- och pappersindustrin. Eftersom kobolt är en begränsad resurs som utvinns under tveksamma förhållanden söker industrin efter alternativ. Dessutom finns 70% av världens kobolttillgångar i Kongo, där det rapporteras om barnarbete och hälsoproblem vid utvinningen.

Nyligen presenterade Kaveh Torkashvand sin doktorsavhandling med ny kunskap inom teknikområdet. Kaveh har undersökt hur väl tre kompositmaterial, som antingen är koboltfria eller innehåller små mängder kobolt, presterar jämfört med en traditionell volfram-koboltlegering.

Alternativa material med överlägsen prestanda

– Kobolt har länge ansetts vara det bästa alternativet när det gäller tekniska prestanda. Men min forskning visar att det finns andra material som ger jämförbar och i vissa fall överlägsen prestanda vad gäller slitstyrka. Alla tre kompositer* som jag har testat visar lovande resultat, säger Kaveh.

Kaveh har också undersökt hur två tekniker för termisk sprutning, HVOF och HVAF**, kan användas för att deponera de här beläggningsmaterialen. För närvarande används HVOF-tekniken nästan uteslutande inom industrin, medan HVAF är relativt ny inom industrin.

– Mina experiment visar att det finns flera fördelar med att använda HVAF för bearbetning av den här typen av material. Tekniken gör det möjligt att använda finfördelat pulver, vilket ger tätare beläggningar som även kan göras tunnare och på så vis kan materialåtgången minskas.

Snabbare och mer energieffektiv process

–Ytterligare fördelar är att HVAF ger en markant snabbare beläggningsprocess som kräver mindre energi, vilket gör tekniken mer kostnadseffektiv än HVOF.

Kavehs forskning visar hur olika faktorer kan påverka beläggningens egenskaper. Materialets kemiska sammansättning och pulverstorlek är två viktiga faktorer. Dessutom finns det flera sätt att justera sprutprocessen för att skapa exakt de egenskaper som krävs för att ytbeläggningen ska prestera bra under olika slitageförhållanden.

– Att motverka slitage är en utmaning för många branscher. Verktygstillverkare, pappers- och träindustrier, gruvbranschen och fordonsindustrier är bara några exempel på branscher där beläggningar deponerade med HVAF-teknik kan vara intressanta.

Bromsskivor kan få längre livslängd

– Ett exempel är bromsskivor till bilar som idag tillverkas främst av gjutjärn. Bromsskivornas livslängd är kort och genererar stora mängder miljöskadliga partiklar. Genom att belägga bromsskivor med en koboltfri hårdbeläggning med HVAF-tekniken skulle utsläppen minska avsevärt – samtidigt som bromsskivornas livslängd kan öka påtagligt.

Kaveh påpekar att koboltfria kompositer redan finns på marknaden, och att industrier relativt enkelt kan ersätta skadliga volfram-koboltkompositer.

– Att implementera HVAF-tekniken inom industrin kan ta tid, men de har ändå möjlighet att tillverka koboltfria beläggningar med sin befintliga deponeringsteknologi.

Läs mer i Kaveh Torkashvands doktorsavhandling: "Towards more sustainable approaches for protecting surfaces against wear."

KONTAKT: Kaveh Torkashvand, doktor i produktionsteknik. E-post: kaveh.torkashvand@hv.se. Telefon: 076 - 552 48 03

-----------------------

FAKTA

*Kaveh har jämfört de tre koboltfria kompositerna NiMoCrFeCo, FeNiCrMoCu och FeCrAl med den traditionellt använda volfram-koboltkompositen WC-CoCr.

**HVOF (high velocity oxy-fuel) och HVAF (high velocity air-fuel) är två olika tekniker inom termisk sprutning. Pulver smälts när det passerar genom en höghastighetsflamma med tryckluft, där pulvret smälter och sedan sprutas mot komponenten som ska beläggas. I HVOF används syre från syretankar, medan vanlig luft används i HVAF. Olika bränslen används i de två teknikerna, vilket innebär att de ger olika temperaturer; HVOF cirka 1500 - 3000°C och HVAF under 1500°C."