抛丸机抛丸清理用金属磨料的选择


抛丸处理是利用抛丸设备高速旋转的叶轮将磨料(砂、丸、钢丝段)抛向构件表面,产生打击和磨削作用来达到清理目的的一种表面除锈清理方式,现已普遍应用于大中型设备(如工程机械、船舶制造等)的防腐涂装工艺[1-2]。抛丸处理的质量不仅影响钢铁构件自身的防腐能力,还影响着涂层的附着力、涂层外观质量以及涂料涂装的经济成本。对于已定型的抛丸设备,设备结构及参数更改较难,要提高抛丸质量的关键就是磨料的选择,即磨料的种类、形状、粒度及质量的控制[3-4]。

一般情况下,磨料硬度需高于待处理结构件HRC5 ~ HRC15,才能在抛丸过程中获得较好的除锈效果以及良好的疲劳寿命。对于同一台抛丸设备,磨料粒度大小决定了钢铁构件表面粗糙度的大小。此外,对于涂装而言,构件表面的粗糙度并不是越高越好:粗糙度太小,漆膜与基体结合力偏低;而过高的粗糙度则使涂层遮盖力下降(漆膜出现桔皮等现象),进而耐腐蚀性能降低,并导致后续处理成本也会显著增加(如后期修补等)[5-7]。

在充分考虑抛丸除锈质量及粗糙度的基础上,本文*次设计了铸钢丸和钢丝切丸混合配比(S280+CW1.0 或 S280+CW0.8)后的疲劳寿命试验,并对所用金属磨料的种类、硬度、显微组织、颗粒形状大小和疲劳寿命,以及抛丸后钢板的粗糙度和漆膜耐蚀性等做了系统研究。

1、试验部分:
1.1、主要原材料:
试验磨料其中高碳铸钢丸规格为 S230 和 S280,钢丝切丸规格为 CW1.0 和 CW0.8,见表 1。试验用钢板为标准Q235 钢(76 mm ×18 mm×2 mm,激光切割)。

表1 试验所用丸粒型号、硬度及金相组织 1.2、试验仪器和方法:
金属磨料的显微硬度采用洛氏硬度计进行测定,其金相组织和截面粗糙度则采用德国 Leica 光学金相显微镜进行检测。漆膜与基体金属的结合力及耐蚀性则分别按照 GB/T 9286—1998 与 GB/T 10125—1997的标准要求进行检测。
本文采用 ERVIN 金属磨料寿命试验机模拟了磨料清理过程,并按 100%替代法(SAE J445A《金属磨料机械性能测试标准》)进行 ERVIN 循环寿命测定,以表征抛喷丸清理设备中金属磨料的真实使用寿命。

2、结果与讨论:
2.1 、金相组织及硬度:
图 1(a)表明,铸态下高碳铸钢丸的金相组织为回火屈氏体,在树枝晶较后凝固处,形成弥散的白色网状碳化物富集区,此时高碳铸钢丸硬度范围在 HRC40 ~HRC50,综合机械性能较高,寿命较长。当钢丸受到外力碰撞时,易沿白色网状碳化物富集区开裂,降低铸钢丸的寿命[3,9]。
钢丝切丸由钢丝切割制成,组织为形变珠光体,如图 1(b)所示,该组织更加致密,无白色网状结构,硬度适中(HRC50~HRC55),耐磨性好,寿命长[3,9]。
图1试验用金属磨料金相组织(a)铸钢丸(b)钢丝切丸
在使用磨料进行清理除锈过程中,若磨料硬度过高,则打到钢材表面上易破裂,粉尘量大;当磨料硬度太低时,磨料受冲击时易变形,自身变形时吸收冲击能量,清理及表面强化效果不理想。试验用铸钢丸和钢丝切丸硬度适中,反弹性好,起二次冲击作用,清理、除锈及表面强化效果好。

2.2、钢板粗糙度和除锈能力:
目视和 200 倍金相显微镜下分别观察不同型号金属丸粒抛丸 500 次后钢板试样的表面粗糙度,结果见图 2 和图3。



图2 不同型号磨料抛丸后钢板表面形貌


图3 不同型号磨料抛丸后钢板金相形貌
2 组图片结果一致,S230 处理过的钢板其表面粗糙度较小,表面较平整;S280比S230处理后的钢板表面粗糙度稍大;S280+CW0.8 抛丸后粗糙度与 S280 相近;S280+CW1.0 粗糙度介于 S280+CW0.8 和 CW1.0 之间;而CW1.0处理后的钢板表面粗糙度较大。粗糙度对基体和漆膜之间的附着力有至关重要的影响,其一,增大基体表面的粗糙度会导致基体与漆膜相互接触时产生咬合现象,增大附着力;另外,基体表面粗糙度越大其真实表面积越大,在基体表面发生腐蚀时腐蚀产物不易扩散,因此涂层附着力不易下降。然而,过高的粗糙度则导致涂层的遮盖力下降,局部漆膜过薄,进而耐腐蚀性下降,较终导致后续处理成本显著增加。
图4 为不同型号磨料抛丸并涂装后钢板的截面形貌,表 2 为试验用丸料抛丸后钢板粗糙度数值。
由表2 可见,钢丝切丸比铸钢丸处理后钢板表面粗糙度要大,这是因为钢丝切丸是由钢丝直接切割制成,相比于铸钢丸,棱角分明,其除锈效果也更好(含钢丝切丸的磨料除锈效果可达 Sa 2.5 *以上)。为保证除锈等*达到 Sa 2.5 *和较低的粗糙度,本试验设计的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配方,得到了良好的结果。



图4 不同型号磨料抛丸后钢板截面形貌




表2 不同丸粒磨料抛丸并涂装后基体表面粗糙度和漆膜结合力 注:①抛丸速度 61 m/s,只添加单一规格铸钢丸、钢丝切丸,或按铸钢丸∶钢丝切丸=7∶3 添加磨料,混合使用达到粒度分布不变;②不同粗糙度测量方法所得粗糙度数值有较大误差,作为相对比较,本试验粗糙度数值为测量截面金相照片所得值。

2.3、涂装配套性:
2.3.1、结合力:
不同粗糙度钢板涂装后,漆膜与基体的结合力按照GB/T 9286-1998标准要求进行漆膜划格试验检验,结合力都可达1*(表2),均能满足一般环境下防腐涂装要求。 2.3.2、漆膜耐蚀性: 不同磨料抛丸并涂装后钢板经 500 h 盐雾试验的表面形貌见图5。
图5 500 h盐雾试验的表面形貌 由图可见,(a)、(b)钢板腐蚀较严重,(c)腐蚀较轻微,(d)、(e)腐蚀状况介于两者之间。
这些现象可以解释如下:空气中的 H2O、O2等介质会缓慢渗透到漆膜中,引起基体腐蚀,腐蚀空隙处往往呈现较低的 pH,低 pH 使孔周边的漆膜也遭受破坏,并导致孔径的增大。由阴极反应发生的高 pH 也将同样破坏漆膜与金属间的结合键,这是因为 OH-对基体金属具有很高的亲合势,其表现在 OH-具有在金属上“爬行”的能力。如图 6 所示,随着漆膜和金属基体之间结合键遭到破坏,漆膜附着力进一步降低。由于基体粗糙度不同,腐蚀产物在金属表面“爬行”相同路程所移动的相对位移不同,在粗糙度大的基体上,其相对位移就小,如图 5(c)试片的漆膜附着力高于相对粗糙度较小的其他试片,耐蚀性也相应较高。
图6 漆膜在钢板上腐蚀“爬行”能力示意 2.4、金属磨料寿命试验:
金属磨料寿命的长短不仅直接关系到经济成本的增减,磨料的磨损失效还与抛丸除锈效果有关。为此,采用ERVIN 寿命试验机测定铸钢丸、钢丝切丸以及二者混合的欧文寿命,结果见图 7。[8]
图7 不同配比磨料的ERVIN寿命 可见,CW0.8 疲劳寿命较高,可达到 4 615 次,而S280 疲劳寿命较低,只有 2 941 次。这是因为钢丝切丸经锻造、冷拔处理后,无气孔及缩松等缺陷,密度较高,寿命长。图 8(a)为CW1.0 截面形貌,棱角分明,组织结构致密,在抛射500 次后,钢丝切丸截面形貌如图8(b)所示,棱角逐渐磨圆,缺陷主要由磨损产生,内部没有严重缺陷。图 8(c)为铸钢丸截面形貌,由图可见,铸造工艺引起的丸粒本身气孔缺陷不可避免,这是引起铸钢丸寿命降低的主要原因。
另外,随颗粒尺寸的减小,CW0.8 比 CW1.0 欧文循环寿命提高
。这是因为在抛丸清理工艺中,抛丸机提供给每一粒磨料动能,即大小为 mv2/2 的冲击功(其中m 为颗粒质量,v 为颗粒抛射速度),磨料依靠冲击
功来完成对受抛工件的清理或强化,且冲击功大小与磨料颗粒质量成正比,磨料的冲击功除部分转变为磨料的反弹动能和以及磨料和靶的热能外,另一部分冲击功被磨料自身吸收,使磨料形变、磨损和破碎,所以,尺寸大、质量大的磨料颗粒冲击功也大,磨料碰撞的局部受到的力也越大,这就使得大颗粒比小颗粒磨料更易破碎,寿命降低;此外,CW1.0 是由回收轮胎剥离出来的钢丝切割而成,而 CW0.8 是由新钢丝拉制成,这也是 CW1.0比CW0.8寿命低的主要原因。
[9]
图8试验用金属磨料截面形貌
3、结语:
1)试验所选高碳铸钢丸、钢丝切丸分别为回火屈氏体和形变珠光体,其硬度适中,清理、除锈、刻蚀效果好,适用于结构钢的表面抛丸处理。
2)使用含钢丝切丸的磨料比单独使用铸钢丸抛丸的除锈效果好,粗糙度随磨料粒度的增大而增大。在保证除锈等*达到 Sa 2.5 *,漆膜耐蚀性也较好的前提下,又不能使粗糙度太大而降低漆膜性能或提高成本,本文设计的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配比试验,得到了良好的结果,并且 S280+CW0.8 比 S280+CW1.0的粗糙度更小些。
3)欧文寿命试验证明,钢丝切丸的欧文寿命要大于高碳铸钢丸,且钢丝切丸 CW0.8 的疲劳寿命可达到4 600 次,明显高于 CW1.0 的疲劳寿命 3 400 次,这使得 S280+CW0.8 比S280+CW1.0 配比更有优势。