拋丸機(jī)拋丸清理用金屬磨料的選擇

拋丸處理是利用拋丸設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將磨料（砂、丸、鋼絲段）拋向構(gòu)件表面，產(chǎn)生打擊和磨削作用來(lái)達(dá)到清理目的的一種表面除銹清理方式，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于大中型設(shè)備（如工程機(jī)械、船舶制造等）的防腐涂裝工藝[1-2]。拋丸處理的質(zhì)量不僅影響鋼鐵構(gòu)件自身的防腐能力，還影響著涂層的附著力、涂層外觀質(zhì)量以及涂料涂裝的經(jīng)濟(jì)成本。對(duì)于已定型的拋丸設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)更改較難，要提高拋丸質(zhì)量的關(guān)鍵就是磨料的選擇，即磨料的種類、形狀、粒度及質(zhì)量的控制[3-4]。

一般情況下，磨料硬度需高于待處理結(jié)構(gòu)件HRC5 ~ HRC15，才能在拋丸過(guò)程中獲得較好的除銹效果以及良好的疲勞壽命。對(duì)于同一臺(tái)拋丸設(shè)備，磨料粒度大小決定了鋼鐵構(gòu)件表面粗糙度的大小。此外，對(duì)于涂裝而言，構(gòu)件表面的粗糙度并不是越高越好：粗糙度太小，漆膜與基體結(jié)合力偏低；而過(guò)高的粗糙度則使涂層遮蓋力下降（漆膜出現(xiàn)桔皮等現(xiàn)象），進(jìn)而耐腐蝕性能降低，并導(dǎo)致后續(xù)處理成本也會(huì)顯著增加（如后期修補(bǔ)等）[5-7]。

在充分考慮拋丸除銹質(zhì)量及粗糙度的基礎(chǔ)上，本文*次設(shè)計(jì)了鑄鋼丸和鋼絲切丸混合配比（S280+CW1.0 或 S280+CW0.8）后的疲勞壽命試驗(yàn)，并對(duì)所用金屬磨料的種類、硬度、顯微組織、顆粒形狀大小和疲勞壽命，以及拋丸后鋼板的粗糙度和漆膜耐蝕性等做了系統(tǒng)研究。

1、試驗(yàn)部分：
1.1、主要原材料：
試驗(yàn)?zāi)チ掀渲懈咛艰T鋼丸規(guī)格為 S230 和 S280，鋼絲切丸規(guī)格為 CW1.0 和 CW0.8，見(jiàn)表 1。試驗(yàn)用鋼板為標(biāo)準(zhǔn)Q235 鋼（76 mm ×18 mm×2 mm，激光切割）。

表1 試驗(yàn)所用丸粒型號(hào)、硬度及金相組織 1.2、試驗(yàn)儀器和方法：
金屬磨料的顯微硬度采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，其金相組織和截面粗糙度則采用德國(guó) Leica 光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。漆膜與基體金屬的結(jié)合力及耐蝕性則分別按照 GB/T 9286—1998 與 GB/T 10125—1997的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)。
本文采用 ERVIN 金屬磨料壽命試驗(yàn)機(jī)模擬了磨料清理過(guò)程，并按 100%替代法（SAE J445A《金屬磨料機(jī)械性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》）進(jìn)行 ERVIN 循環(huán)壽命測(cè)定，以表征拋噴丸清理設(shè)備中金屬磨料的真實(shí)使用壽命。

2、結(jié)果與討論：
2.1 、金相組織及硬度：
圖 1（a）表明，鑄態(tài)下高碳鑄鋼丸的金相組織為回火屈氏體，在樹(shù)枝晶較后凝固處，形成彌散的白色網(wǎng)狀碳化物富集區(qū)，此時(shí)高碳鑄鋼丸硬度范圍在 HRC40 ～HRC50，綜合機(jī)械性能較高，壽命較長(zhǎng)。當(dāng)鋼丸受到外力碰撞時(shí)，易沿白色網(wǎng)狀碳化物富集區(qū)開(kāi)裂，降低鑄鋼丸的壽命[3,9]。
鋼絲切丸由鋼絲切割制成，組織為形變珠光體，如圖 1（b）所示，該組織更加致密，無(wú)白色網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硬度適中（HRC50～HRC55），耐磨性好，壽命長(zhǎng)[3,9]。
圖1試驗(yàn)用金屬磨料金相組織(a)鑄鋼丸(b)鋼絲切丸
在使用磨料進(jìn)行清理除銹過(guò)程中，若磨料硬度過(guò)高，則打到鋼材表面上易破裂，粉塵量大；當(dāng)磨料硬度太低時(shí)，磨料受沖擊時(shí)易變形，自身變形時(shí)吸收沖擊能量，清理及表面強(qiáng)化效果不理想。試驗(yàn)用鑄鋼丸和鋼絲切丸硬度適中，反彈性好，起二次沖擊作用，清理、除銹及表面強(qiáng)化效果好。

2.2、鋼板粗糙度和除銹能力：
目視和 200 倍金相顯微鏡下分別觀察不同型號(hào)金屬丸粒拋丸 500 次后鋼板試樣的表面粗糙度，結(jié)果見(jiàn)圖 2 和圖3。



圖2 不同型號(hào)磨料拋丸后鋼板表面形貌


圖3 不同型號(hào)磨料拋丸后鋼板金相形貌
2 組圖片結(jié)果一致，S230 處理過(guò)的鋼板其表面粗糙度較小，表面較平整；S280比S230處理后的鋼板表面粗糙度稍大；S280+CW0.8 拋丸后粗糙度與 S280 相近；S280+CW1.0 粗糙度介于 S280+CW0.8 和 CW1.0 之間；而CW1.0處理后的鋼板表面粗糙度較大。粗糙度對(duì)基體和漆膜之間的附著力有至關(guān)重要的影響，其一，增大基體表面的粗糙度會(huì)導(dǎo)致基體與漆膜相互接觸時(shí)產(chǎn)生咬合現(xiàn)象，增大附著力；另外，基體表面粗糙度越大其真實(shí)表面積越大，在基體表面發(fā)生腐蝕時(shí)腐蝕產(chǎn)物不易擴(kuò)散，因此涂層附著力不易下降。然而，過(guò)高的粗糙度則導(dǎo)致涂層的遮蓋力下降，局部漆膜過(guò)薄，進(jìn)而耐腐蝕性下降，較終導(dǎo)致后續(xù)處理成本顯著增加。
圖4 為不同型號(hào)磨料拋丸并涂裝后鋼板的截面形貌，表 2 為試驗(yàn)用丸料拋丸后鋼板粗糙度數(shù)值。
由表2 可見(jiàn)，鋼絲切丸比鑄鋼丸處理后鋼板表面粗糙度要大，這是因?yàn)殇摻z切丸是由鋼絲直接切割制成，相比于鑄鋼丸，棱角分明，其除銹效果也更好（含鋼絲切丸的磨料除銹效果可達(dá) Sa 2.5 *以上）。為保證除銹等*達(dá)到 Sa 2.5 *和較低的粗糙度，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配方，得到了良好的結(jié)果。



圖4 不同型號(hào)磨料拋丸后鋼板截面形貌




表2 不同丸粒磨料拋丸并涂裝后基體表面粗糙度和漆膜結(jié)合力 注：①拋丸速度 61 m/s，只添加單一規(guī)格鑄鋼丸、鋼絲切丸，或按鑄鋼丸∶鋼絲切丸=7∶3 添加磨料，混合使用達(dá)到粒度分布不變；②不同粗糙度測(cè)量方法所得粗糙度數(shù)值有較大誤差，作為相對(duì)比較，本試驗(yàn)粗糙度數(shù)值為測(cè)量截面金相照片所得值。

2.3、涂裝配套性：
2.3.1、結(jié)合力：
不同粗糙度鋼板涂裝后，漆膜與基體的結(jié)合力按照GB/T 9286-1998標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行漆膜劃格試驗(yàn)檢驗(yàn)，結(jié)合力都可達(dá)1*(表2)，均能滿足一般環(huán)境下防腐涂裝要求。 2.3.2、漆膜耐蝕性： 不同磨料拋丸并涂裝后鋼板經(jīng) 500 h 鹽霧試驗(yàn)的表面形貌見(jiàn)圖5。
圖5 500 h鹽霧試驗(yàn)的表面形貌 由圖可見(jiàn)，（a）、（b）鋼板腐蝕較嚴(yán)重，（c）腐蝕較輕微，（d）、（e）腐蝕狀況介于兩者之間。
這些現(xiàn)象可以解釋如下：空氣中的 H2O、O2等介質(zhì)會(huì)緩慢滲透到漆膜中，引起基體腐蝕，腐蝕空隙處往往呈現(xiàn)較低的 pH，低 pH 使孔周邊的漆膜也遭受破壞，并導(dǎo)致孔徑的增大。由陰極反應(yīng)發(fā)生的高 pH 也將同樣破壞漆膜與金屬間的結(jié)合鍵，這是因?yàn)?OH-對(duì)基體金屬具有很高的親合勢(shì)，其表現(xiàn)在 OH-具有在金屬上“爬行”的能力。如圖 6 所示，隨著漆膜和金屬基體之間結(jié)合鍵遭到破壞，漆膜附著力進(jìn)一步降低。由于基體粗糙度不同，腐蝕產(chǎn)物在金屬表面“爬行”相同路程所移動(dòng)的相對(duì)位移不同，在粗糙度大的基體上，其相對(duì)位移就小，如圖 5（c）試片的漆膜附著力高于相對(duì)粗糙度較小的其他試片，耐蝕性也相應(yīng)較高。
圖6 漆膜在鋼板上腐蝕“爬行”能力示意 2.4、金屬磨料壽命試驗(yàn)：
金屬磨料壽命的長(zhǎng)短不僅直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)成本的增減，磨料的磨損失效還與拋丸除銹效果有關(guān)。為此，采用ERVIN 壽命試驗(yàn)機(jī)測(cè)定鑄鋼丸、鋼絲切丸以及二者混合的歐文壽命，結(jié)果見(jiàn)圖 7。[8]
圖7 不同配比磨料的ERVIN壽命 可見(jiàn)，CW0.8 疲勞壽命較高，可達(dá)到 4 615 次，而S280 疲勞壽命較低，只有 2 941 次。這是因?yàn)殇摻z切丸經(jīng)鍛造、冷拔處理后，無(wú)氣孔及縮松等缺陷，密度較高，壽命長(zhǎng)。圖 8（a）為CW1.0 截面形貌，棱角分明，組織結(jié)構(gòu)致密，在拋射500 次后，鋼絲切丸截面形貌如圖8（b）所示，棱角逐漸磨圓，缺陷主要由磨損產(chǎn)生，內(nèi)部沒(méi)有嚴(yán)重缺陷。圖 8（c）為鑄鋼丸截面形貌，由圖可見(jiàn)，鑄造工藝引起的丸粒本身氣孔缺陷不可避免，這是引起鑄鋼丸壽命降低的主要原因。
另外，隨顆粒尺寸的減小，CW0.8 比 CW1.0 歐文循環(huán)壽命提高
。這是因?yàn)樵趻佂枨謇砉に囍校瑨佂铏C(jī)提供給每一粒磨料動(dòng)能，即大小為 mv2/2 的沖擊功（其中m 為顆粒質(zhì)量，v 為顆粒拋射速度），磨料依靠沖擊
功來(lái)完成對(duì)受拋工件的清理或強(qiáng)化，且沖擊功大小與磨料顆粒質(zhì)量成正比，磨料的沖擊功除部分轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ系姆磸梽?dòng)能和以及磨料和靶的熱能外，另一部分沖擊功被磨料自身吸收，使磨料形變、磨損和破碎，所以，尺寸大、質(zhì)量大的磨料顆粒沖擊功也大，磨料碰撞的局部受到的力也越大，這就使得大顆粒比小顆粒磨料更易破碎，壽命降低；此外，CW1.0 是由回收輪胎剝離出來(lái)的鋼絲切割而成，而 CW0.8 是由新鋼絲拉制成，這也是 CW1.0比CW0.8壽命低的主要原因。
[9]
圖8試驗(yàn)用金屬磨料截面形貌
3、結(jié)語(yǔ)：
1）試驗(yàn)所選高碳鑄鋼丸、鋼絲切丸分別為回火屈氏體和形變珠光體，其硬度適中，清理、除銹、刻蝕效果好，適用于結(jié)構(gòu)鋼的表面拋丸處理。
2）使用含鋼絲切丸的磨料比單獨(dú)使用鑄鋼丸拋丸的除銹效果好，粗糙度隨磨料粒度的增大而增大。在保證除銹等*達(dá)到 Sa 2.5 *，漆膜耐蝕性也較好的前提下，又不能使粗糙度太大而降低漆膜性能或提高成本，本文設(shè)計(jì)的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配比試驗(yàn)，得到了良好的結(jié)果，并且 S280+CW0.8 比 S280+CW1.0的粗糙度更小些。
3）歐文壽命試驗(yàn)證明，鋼絲切丸的歐文壽命要大于高碳鑄鋼丸，且鋼絲切丸 CW0.8 的疲勞壽命可達(dá)到4 600 次，明顯高于 CW1.0 的疲勞壽命 3 400 次，這使得 S280+CW0.8 比S280+CW1.0 配比更有優(yōu)勢(shì)。