Jani Pastinen insinöörityö: Konversiopinnoitteiden toiminta esikäsittelyinä

Korroosionestomaalauksen yhtenä tärkeimpänä osana pidetään esikäsittelyä. Yleisin käytetty esikäsittely maalattavalle kappaleelle on suihkupuhdistus. Maalattavan kappaleen muoto tai jonkin muu tekijä voi kuitenkin estää suihkupuhdistuksen käytön esikäsittelynä. Näissä tapauksissa kappale voidaan esikäsitellä kemiallisesti eli konversiopinnoittamalla.

Korroosionestomaalauksen yhtenä tärkeimpänä osana pidetään esikäsittelyä. Yleisin käytetty esikäsittely maalattavalle kappaleelle on suihkupuhdistus. Maalattavan kappaleen muoto tai jonkin muu tekijä voi kuitenkin estää suihkupuhdistuksen käytön esikäsittelynä. Näissä tapauksissa kappale voidaan esikäsitellä kemiallisesti eli konversiopinnoittamalla.

Rauta- ja sinkkifosfatointeja on käytetty jo vuosien ajan teräspinnoille kemiallisina esikäsittelyinä. Niiden käytössä on kuitenkin haasteensa – kylvyt vaativat usein korkeita lämpötiloja toimiakseen ja kylvyistä syntyvät lietteet ovat ongelmajätettä.. Näiden haasteiden takia on kehitetty uudenlaisia silaani- ja zirkoniumpohjaisia käsittelyjä, joilla tulevaisuudessa pyritään korvaamaan fosfatointeja.

Zirkoniumpinnoitteilla voidaan korvata passivointeja ja fosfatointeja. Zirkoniumpinnoitteet levitetään joko ruiskuttamalla tai kastamalla. Zirkoniumpinnoitteet luovat amorfisen oksidikerroksen käsiteltävän kappaleen pintaan kun se on reagoinut käsiteltävän metallipinnan kanssa. Syntyvä oksidikerros on paksuudeltaan noin 50 -100 nm. Zirkoniumpinnoitteiden etuja fosfatointehin nähden ovat pienemmät kustannukset, prosessiajat ja lämpötilantarve. Lietteen muodostus on vähäistä verrattuna fosfatointeihin. Zirkoniumpinnoitteet vaatii kuitenkin erittäin puhtaan pinnan toimiakseen, sen lisäksi ennen pinnoittamista tehtävät huuhtelut vaativat ioinivaihdettua vettä. Kuvassa 1 zirkoniumpinnoitettuja koelevyjä.

Silaanipinnoitteilla voidaan korvata kromatointeja, passivointeja ja fosfatointeja. Silaanipinnoitteilla voidaan tiivistää sinkkifosfatointeja, zirkonium- ja oksidipinnoitteita. Silaanipinnoitteet levitetään huoneenlämpöisenä ruiskuttamalla tai kastamalla. Silaaniyhdisteet luovat vettä hylkivän kalvon käsiteltävän metallin pintaan. Pinnan paksuus on noin 50 – 100 nm. Silaanipinnoitteiden etuja fosfatointehin nähden ovat pienemmät kustannukset, prosessiajat ja lämpötilantarve. Silaanipinnoitteet tosin vaativat erittäin puhtaan pinnan toimiakseen sekä ionivaihdettua vettä huuhteluun. Kuvassa 2 silaanipinnoitettuja koelevyjä.

Zirkonium-silaanipinnoitteet ovat kahden reaktiopinnoitteen yhdistelmä. Käsiteltävälle kappaleelle luodaan amorfinen oksidikerros pinnoittamalla se ensin zirkoniumpinnoitteella. Tämän jälkeen pinta tiivistetään silaanipinnoitteella. Zirkonium-silaanipinnoitteen edut ja haitat ovat samat kuin zirkonium- ja silaanipinnoitteilla.

Insinöörityössä keskityttiin tutkimaan uudenlaisten konversiopinnoitteiden ky- kyä toimia esikäsittelynä kylmävalssatulle teräkselle korroosionestomaalauksessa. Konversiokäsittelyitä verrattiin suihkupuhdistukseen esikäsittelynä erilaisten maaliyhdistelmien kanssa. Koelevyt olivat kooltaan 200 mm x 100 mm x 3 mm. Koelevyille oli tehty rasvapesut ennen toimitusta. Tutkittavat konversiokäsittelyt olivat silaani-, zirkonium- ja zirkonium-silaanipinnoite. Konversiokäsitellyt levyt pinnoitettiin konversiokäsittelynvalmistajan ohjeiden mukaisesti ja levitykseen käytettiin sivuilmaruiskua. Suihkupuhdistetut verrokkilevyt suihkupuhdistettiin esikäsittelyasteeseen Sa 2½ hyvin huolellinen suihkupuhdistus ISO 8501-1, pintaprofiili karhea (G) ISO 8503-2. Puhallusmateriaalina käytettiin särmikästä teräsraetta.

Esikäsittelyiden kanssa käytettyjä maaliyhdistelmiä oli kuusi erilaista, jotka olivat erilaisiin korroosiovaikutusluokkiin. Korroosiovaikutusluokat ovat luokiteltu standardissa SFS-EN ISO 12944-2 ja maaliyhdistelmien merkinnät on esitetty standardissa SFS-EN ISO 12944-5. Käytetyt maaliyhdistelmät olivat Epoksi-polyuretaani -yhdistelmä C3-H / 200 µm ja C4-H / 280 µm, kaksikomponenttinen vesiohenteinen epoksimaali C3-M / 160 µm, kaksikomponenttinen etyylisinkkisilikaattimaali C2-H / 60µm, kaksikomponenttinen polysiloksaanimaali C4-M / 150 µm, sinkkisilikaatti-polysiloksaani -yhdis- telmä C5-M / 200 µm. Kaikki käytetyt maalit olivat märkämaaleja. Koelevyt maalattiin korkeapaineruiskulla. Jokainen maalaus tehtiin maalinvalmistajan ohjeita noudattaen. Maalausten jälkeen koelevyistä kirjattiin ylös kuivakalvonpaksuudet.

Vertailu suihkupuhdistettujen levyjen ja konversiopinnoitettujen levyjen välillä tehtiin erilaisten tutkimusmenetelmien avulla. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kondensaatiotesti, suolasumukokeet ja irtivetokokeet. Maalauksen jälkeen ennen testien aloitusta kaikkia koelevyjä vakioitiin kahden viikon ajan ennen kokeiden aloitusta.

Kondensaatiotesti tehtiin standardin SFS-EN ISO 6270-1 mukaisesti. Maaliyhdistelmän korroosionkestävyysluokittelu määräsi kondensaatiotestien pituudet. Koelevyissä ei havaittu minkäänlaisia muutoksia kondensaatiotestien jälkeen silmämääräisesti arvioituna. Kondensaatiotestatuille koelevyillä suoritettiin myös irtivetokokeet.

Koelevyille suoritettiin suolasumukokeet standardin SFS-EN ISO 9227 mukaisesti. Jokaiseen koelevyyn tehtiin 100 mm pitkä ja 2 mm leveä viilto keskelle koelevyä. Maaliyhdistelmän korroosionkestävyysluokitus määritteli suolasumukokeen pituuden. Suolasumukokeiden jälkeen levyille tehtiin silmämääräinen arviointi, sekä irtoava maali poistettiin veitsen avulla. Koelevyistä saatuja tuloksia arvioitiin standardin SFS-EN ISO 4628-8 mukaisesti. Taulukossa 2 on esitetty suolasumukokeissa olleiden koelevyjen maalin irtoaminen ja korroosion eteneminen rinnakkaisnäytteiden keskiarvona.

Saadut tulokset osoittivat, että maalin irtoaminen oli selkeästi laajempaa konversiokäsitellyillä levyillä. Konversiokäsitellyistä koelevyistä zirkonium-silaanipinnoitetuilla levyillä maalin irtoaminen oli selkeästi pienintä, tästä esimerkki kuvassa 3. Korroosion eteneminen oli myös suurempaa lähes kaikissa konversiokäsitellyissä levyissä verrattuna suihkupuhdistettuihin koelevyihin. Korroosion eteneminen oli kuitenkin lähes kaikissa konversiokäsitellyissä koelevyissä hyväksyttävällä tasolla.

Irtivetokokeet tehtiin vakioiduille koelevyille sekä kondensaatiotestatuille koelevyille. Irtivetokokeet tehtiin standardin SFS-EN ISO 4624 mukaisesti. Irtivetokokeissa saaduissa tuloksissa keskityttiin erityisesti alustan ja pohjamaalin välisiin murtumiin. Näihin murtumiin keskittymällä voitiin selvittää oliko käytetty konversiopinnoite antanut tarvittavan tartunnan maaliyhdistelmälle. Irtivetokokeista havaittiin, että osa uudenlaisista konversiopinnoitteista kykeni täyttämään standardin vaatimukset. Irtivetokokeissa murtolujuuksien erot konversiopinnoitettujen koelevyjen ja suihkupuhdistettujen koelevyjen välillä olivat kaiken kaikkiaan melko pieniä. Tosin kaikki suihkupuhdistetut koelevyt kykenivät täyttämään standardin vaatimukset toisin kuin konversiopinnoitetut koelevyt. Kondensaatiotestit heikensivät konversiopinnoitetuissa koelevyissä polysiloksaanimaalin tarttuvuutta, jonka takia maali ei kyennyt täyttämään hyväksymisrajoja. Taulukossa 1 on esitetty koestamattomien koelevyjen irtivetokokeiden tulosten keskiarvoja.

Opinnäytetyön tarkoituksena oli tutkia uudenlaisten konversiopinnoitteiden toimivuutta esikäsittelymenetelmänä kylmävalssatulla teräksellä, kun niitä verrataan suihkupuhdistamalla esikäsiteltyyn kylmävalssattuun teräkseen. Konversiopinnoitteilla ei päästä aina samaan suorituskykyyn kuin suihkupuhdistuksella. Tämä voidaan päätellä tutkimustulosten pohjalta. Konversiopinnoiteet pystyivät tutkimustulosten mukaan täyttämään standardien vaatimukset osittain irtivetokokeissa ja kondensaatiotesteissä.

Voimakkaissa korroosio-olosuhteissa suihkupuhdistus antaa kylmävalssatulle teräkselle paljon paremman maalin kiinnipysyvyyden ja korroosiosuojauskyvyn kuin uudenlaiset konversiopinnoitteet. Korroosion eteneminen konversiopinnoitetuissa koelevyissä oli lähes kaikissa maaliyhdistelmissä suurempaa kuin suihkupuhdistetuissa koelevyissä. Kuitenkin lähes kaikissa konversiokäsitellyissä koelevyissä korroosion eteneminen oli hyväksyttävällä tasolla.

Konversiopinnoitettujen koelevyjen laajempaa maalien irtoamista suolasumutestien jälkeen voinee selittää se, että maalien korroosionestopigmentit eivät päässeet toimimaan oikealla tavalla teräksen kanssa, koska käytetty konversiopinnoite eristi maalin teräksestä. Tästä johtuen korroosio kykeni etenemään konversiopinnoitteen alla ja maalikalvon tartunta teräkseen heikkeni. Konversiopinnoitettujen koelevyjen laajempi maalien irtoilu vaatisi lisätutkimuksia.

Opinnäytetyö olisi voinut antaa paremman kuvan konversiopinnoitteiden toimivuudesta esikäsittelymenetelmänä, jos yhtenä testattavana sarjana olisi käytetty koelevyjä, jotka olisivat olleet vain pestyjä. Näin olisi saatu selkeä käsitys siitä, paransivatko konversiopinnoitteet maalien tarttuvuutta ja korroosiosuojauskykyä kylmävalssatuilla teräslevyillä.

Lähteet

• Kyyrä, J. 2019. Uudenlaisten konversiopinnoitteiden toimivuus esikäsittelyinä. Metropolia ammattikorkeakoulua, materiaali ja pintakäsittelytekniikka.. Opinnäytetyö. Saatavissa: https://urn.fi/ URN:NBN:fi:amk-201905088228
• SFS-EN ISO 12944-6:2018. Maalit ja lakat. Teräsrakenteiden korroosionesto suojamaaliyhdistelmillä. Osa 6: Menetelmät laboratorion suorituskyvyn testaamiseksi. Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 12944-5:2018. Maalit ja lakat. Teräsrakenteiden korroosionesto suojamaaliyhdistelmillä. Osa 5: Suojamaaliyhdistelmät. Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 12944-9:2018. Maalit ja lakat. Teräsrakenteiden korroosionesto suojamaaliyhdistelmillä. Osa 9: Suojamaali- yhdistelmät ja laboratorion suorituskyvyn testimenetelmät offshore- ja vastaavissa rakenteissa. Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 4628-8. Maalit ja lakat. Pinnoitteiden huononemisen arviointi. Yleisten vaurioiden esiintymisen voimakkuuden, määrän ja koon merkintä. Osa 8: Viiltoa tai muuta pinnoitteeseen tehtyä vauriota ympäröivän irtoamisen ja korroosion arviointi. Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 4624:2016. Maalit ja lakat. Tarttuvuuden arviointi vetokokeella. Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 12944-2:2008. Maalit ja lakat. Teräsrakenteiden korroosionesto suojamaaliyhdistelmillä. Osa 2: Ympäristöolosuhteiden luokittelu Helsinki: Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 6270-1:2018:en Paints and varnishes. Determination of resistance to humidity. Part 1: Condensation (single-sided exposure) (ISO 6270-1:2017): Suomen Standardoimisliitto SFS.
• SFS-EN ISO 9227:2022:en Corrosion tests in artificial atmospheres. Salt spray tests (ISO 9227:2022): Suomen Standardoimisliitto SFS.

TRY Pintakäsittelyn asiantuntijaryhmän puolesta Jani Pastinen, Neste Oyj