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湿式抛丸处理板表面粗糙度的控制.pdf

目前，钢板涂装前的表面处理主要采用酸洗和干式抛丸，酸洗污染环境，酸洗板有过酸洗、欠酸洗等缺陷；干式抛丸粉尘大、除鳞效果差、效率低。介绍了一种湿式抛丸除鳞新工艺，能有效解决上述问题。处理后的钢板表面粗糙度对涂装质量有较大影响，作者研究了湿式抛丸工艺中钢砂粒度、钢板强度、处理时间、抛射速度等工艺参数对粗糙度的影响规律，并研究了除鳞后的钢板采用平整处理对粗糙度的影响规律，结果可用于指导湿式抛丸处理。关键词钢砂湿式抛丸粗糙度平整中图分类号ＴＧ１７８文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１２６９．２０１６．０５．００３ＳｕｒｆａｃｅＲｏｕｇｈｎｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｌｕｒｒｙ  ｂｌａｓｔｅｄＰｌａｔｅＬｉｕＹｕｔａｎｇＸｉａＱｉａｎｇｑｉａｎｇＨｕＪｉａｎｐｉｎｇＹａｎｇＣｈｕｎｍｅｉ（ＣＩＳＤＩＲ＆ＤＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１１２２）ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｔｅｅｌｓｕｒｆａｃｅ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｓａｃｉｄｐｉｃｋｌｉｎｇａｎｄｄｒｙｓｈｏｔ  ｂｌａｓｔｉｎｇ．Ａｃｉｄｐｉｃｋｌｉｎｇｉｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｉｃｋｌｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｈａｖｅｏｖｅｒｐｉｃｋｌｉｎｇ，ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｃｌｅａｎｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ．Ｄｒｙｓｈｏｔ  ｂｌａｓｔｉｎｇｉｓｄｕｓｔｙ，ｄｅｓｃａｌｉｎｇｐｏｏｒａｎｄｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｅｗｓｌｕｒｒｙ  ｂｌａｓｔｄｅｓｃａｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｏｕｔｄｅｆｅｃｔｓｍｅｎｔｉｏｎｅｄｔｈｅａｂｏｖｅ．Ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｒｅａｔｅｄｓｔｅｅｌｈａｓａｇｒｅａｔｅｒｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ．Ａｕｔｈｏｒｓｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｃｈａｎｇｅｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｕｒｆａｃｅｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｓｕｃｈａｓｇｒｉｔｓｉｚｅ，ｓｔｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｉｍｅ，ａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅｎｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｓｌｕｒｒｙ ｂｌａｓｔｅｄｐｌａｔｅｔｒｅａｔｅｄｂｙｓｋｉｎｐａｓｓｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｓｌｕｒｒｙ  ｂｌａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＫＥＹＷＯＲＤＳＧｒｉｔＳｌｕｒｒｙｂｌａｓｔＳｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓＳｋｉｎｐａｓｓ１引言涂装是工程机械产品制造工艺中的一个重要工序，其主要目的是实现设备的防腐、装饰和标识性能。涂装前必须对钢板表面进行预处理，以除去钢板表面的铁锈、杂质等获得干净的表面，同时毛化表面，提高涂层与基体的结合力［１］。常用的钢板表面预处理方法有化学除锈法和机械除锈法［２］。化学除锈法通常指“酸洗法”，酸洗法处理的钢板表面粗糙度低，但存在污染环境、易腐蚀设备、损害操作人员身体健康等缺点［３－５］。机械除锈法多采用干式抛丸法，抛丸法处理的钢板表面粗糙度大；除鳞率低；除鳞效率低；产生的大量粉尘难以从磨料中彻底分离，易粘附在工件上，影响表面质量；会升高金属板带的温度，引起变形等［６］。２湿式抛丸工艺世界各国都在提倡清洁生产，倡导生产过程绿色化，传统的酸洗工艺已经被列为落后工艺，国外早在２０世纪６０年代已普遍淘汰酸洗工艺，而抛丸工艺满足不了高质量表面和产能要求。为了能够克服上述工艺缺陷，开发了一种湿式抛丸新—３１—ＴｏｔａｌＮｏ．２３０Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１６冶金设备ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ总第２３０期２０１６年１０月第５期①作者简介：刘玉堂，男，１９７６年出生，１９９９年毕业于北京航空航天大学机械与制造专业，２００５年研究生毕业于华中科技大学材料加工工程专业，硕士，高级工程师，从事冶金设备研发设计工作万方数据工艺，其原理是将水与磨料均匀混合的浆液输送至抛丸器，经抛丸器加速，高速抛射至钢板表面，以机械打击方式清除钢板表面的氧化层，其无尘、无污染，是一种环保、高效的钢板表面除鳞技术［７－８］，工作原理如图１。图１湿式抛丸工艺工作原理图１ 电机；２ 叶轮；３ 浆液入口；４ 抛射形成的浆幕；５ 钢板采用湿式抛丸法除鳞，可获得均匀干净的钢板表面。图２为湿式抛丸工艺除鳞前后钢板表面对比图，热轧板经过湿式抛丸后，表面氧化层清理效果明显，光泽均匀；ＥＤＳ能谱分析结果显示（见图３），热轧钢板经湿式抛丸除鳞后，氧元素消失，表明氧化层已被彻底清除。图２钢板处理前后对比照片图４为处理钢板表面放大５０倍形貌照片，经磨料打击后，钢板表面产生微小的凹坑、犁沟，粗糙度相比酸洗板有所提高。钢板表面粗糙度太小不利于涂膜附着力的提高，但粗糙度过大，会使涂膜分布不均匀，导致波峰处膜厚不足，易引起“点锈”，而在波谷凹坑处会截留气泡成为涂膜起泡的根源，这些均会影响涂层质量，涂层的耐腐蚀性能降低［９］。因此，如何控制钢板表面粗糙度是湿式抛丸除鳞工艺应该重图３钢板处理前后ＥＤＳ能谱分析图图４湿式抛丸处理板表面形貌点考虑的一个问题，实验中，通过改变多种工艺参数，以及采用后处理设备对钢板进行处理，研究粗糙度变化规律。３粗糙度控制３．１磨料颗粒度及原材料对粗糙度的影响湿式抛丸除鳞过程实际上是磨料颗粒不断打击被清理表面的过程，磨料的动能为：Ｅ＝１２ｍｖ２（１）式中ｍ—颗粒质量；ｖ—颗粒速度。由公式（１）可见：磨料颗粒大小及密度决定—４１—２０１６年１０月第５期总第２３０期冶金设备万方数据了打击效率和粗糙度的大小。磨料颗粒大、密度大，动能就大，表面粗糙度也大，但颗粒数／质量比小，在单位时间内对钢板表面冲击次数较少；相反，磨料颗粒小、密度小，动能就小，造成的粗糙度也小，而颗粒数／质量比大，在单位时间内对钢板表面冲击次数多，覆盖率高，见表１［１０］。表１磨料粒度与粗糙度的关系磨料最大粒度／目数磨料尺寸／ｍｍ最大粗糙度／Ｒｙ／μｍ（）钢砂Ｇ１２０通过５００．０７５～０．３２５．０～５０．０钢砂Ｇ８０通过４００．２～０．４３２．５～７５钢砂Ｇ５０通过２５０．３～０．６８２．５钢砂Ｇ４０通过１８０．４～０．８９０．０钢砂Ｇ２５通过１６０．８～１．２５１００．０钢丸Ｓ１７０通过２００．４～０．８４５．０～７０．０钢丸Ｓ２３０通过１８０．６～１．０７５．０钢丸Ｓ３３０通过１４０．８～１．２５８２．５钢丸Ｓ３９０通过１２１．０～１．６１２０．０注：最大粗糙度Ｒｙ———在取样长度Ｌ内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。湿式抛丸工艺采用钢砂与水的均匀混合浆体作为介质。不规则形状的钢砂与钢丸相比，清理效率高，工件亮度大，清理更彻底，但表面粗糙度略高；与非金属磨料相比，它的优势更加明显：①金属磨料使用寿命长，清理成本低（１ｔ钢砂的工作量相当于２００ｔ石英砂的工作量），经济效益明显；②可进行砂尘、砂水分离，有利于环保和工人身体健康；③金属磨料的硬度、粒度和颗粒状形状都有很大的选择范围，实际使用时可以采用钢丸、钢砂、钢丝切丸混合搭配的办法，使表面处理质量（包括清洁度与粗糙度）可得到保证［９］。钢板处理后表面粗糙度Ｒａ值一般不能大于底漆的厚度，应控制在涂层总厚度的２５％～３０％范围内［１１］。通常电泳漆膜厚度在１５μｍ～３０μｍ之间，则粗糙度Ｒａ应控制在３．７５μｍ～９．０μｍ，结合表２并依据ＧＢ／Ｔ１０３１中Ｒａ与Ｒｙ关系，应选择Ｇ４０～Ｇ１２０规格范围的钢砂。生产过程中，在满足表面粗糙度要求的前提下，尽可能选用较大的钢砂，以提高清理效率，最好使用级配钢砂，即由不同名义尺寸的钢砂混合组成，可同时兼顾冲击力和覆盖率。实验采用两种级配钢砂方案：一是由５０％Ｇ８０＋５０％Ｇ１２０组成；二是由５０％Ｇ５０＋５０％Ｇ８０组成。实验中抛丸器设定转速１６００ｒ／ｍｉｎ，在此条件下采用两种级配钢砂，对不同强度的钢板进行处理，以除鳞率达到Ｓａ３．０为标准，测量最终的钢板表面粗糙度，实验用钢种及强度如表２。两种级配钢砂方案对不同强度钢板除鳞的最终粗糙度曲线如图５。表２处理钢种及抗拉强度钢板材质Ｑ２３５ＳＷ４００ＬＧ５１０ＣＬＬＧ５９０ＣＬＮＭ４００抗拉强度／ＭＰａ３７５～４６０４９０～６００５１０～６３０５９０～７１０≥１２００图５不同钢砂组合与不同强度钢板粗糙度的关系从统计数据看，相同的钢种，钢砂颗粒度小，粗糙度也小；采用同一级配钢砂处理，高强度的钢板，抵抗冲击载荷的能力强，钢砂冲击所形成的凹坑小，粗糙度低，而低强度的钢板粗糙度大。３．２处理时间对粗糙度的影响实验中发现，随着打击次数的增加，钢板表面粗糙度也不断变化，最后趋于稳定。采用５０％Ｇ５０＋５０％Ｇ８０级配钢砂对Ｑ２３５材质钢板进行除鳞，以除鳞彻底达到Ｓａ３．０为标准，最终表面粗糙度约为Ｒａ５．５μｍ，粗糙度随打击次数变化曲线如图６。图６粗糙度随打击次数变化曲线—５１—刘玉堂等：湿式抛丸处理板表面粗糙度的控制２０１６年１０月第５期万方数据３．３抛射速度对粗糙度的影响由公式（１）可见，除磨料颗粒大小是影响粗糙度的因素之一外，抛射速度对粗糙度的影响更大。在相同的条件下，抛射速度以抛丸器转速代替，采用５０％Ｇ５０＋５０％Ｇ８０级配钢砂对Ｑ２３５材质钢板进行除鳞，以除鳞彻底达到Ｓａ３．０为标准，测得粗糙度与抛射速度的关系曲线如图７。图７粗糙度与抛射速度关系曲线３．４平整对粗糙度的影响平整是通过小压下量的轧制变形，使带钢获得必要的性能和表面质量，消除屈服平台，满足后工序加工的要求，通过微小的压下率使带钢表面更加平坦，可以降低粗糙度。经５０％Ｇ５０＋５０％Ｇ８０级配钢砂除鳞的钢板，表面粗糙度Ｒａ约为５．０μｍ～６．５μｍ，采用不同压下率对其进行平整处理，粗糙度变化曲线如图８。可见，经过平整，钢板表面粗糙度有明显降低，因此，对粗糙度要求严苛的用户，可在湿式抛丸设备之后配置一台平整机。如果结合上述几种方法，既能获得满意的除鳞效率、降低生产成本，又能有效控制除鳞后钢板的表面粗糙度。４结论１）采用颗粒度小的钢砂除鳞获得的粗糙度小，反之粗糙度大；高强度的钢板除鳞后粗糙度小，低强度的钢板形成的粗糙度大；２）钢板表面粗糙度与磨料抛射速度有密切的关系，打击速度越大，表面粗糙度越高；３）抛丸时间或打击次数对钢板的表面粗糙度也有影响，随着抛丸时间的增加，粗糙度值趋于某一定值；４）通过调整抛丸工艺参数控制粗糙度有限，可以通过平整轧制的方式来进一步降低粗糙度。图８湿式抛丸处理板经平整处理后粗糙度变化曲线参考文献［１］王毅，石延青，薛江段，梁荣．电泳涂膜粗糙度影响因素研究［Ｊ］．涂料工业，２０１５（１０）：６５－６８．［２］张亚伦，王庆国，泮战侠，王亮，贡博，孙钰强，白培谦．新型车架大梁钢涂装工艺研究．汽车实用技术，２０１４（９）：８６－９０．［３］赵磊．碳钢酸洗机组酸雾的防护与处理［Ｊ］．冶金设备管理与维修，２０１１，Ｖｏｌ．２９（３）：４８－４９．［４］何浪．不锈钢酸洗工序的污染防治［Ｊ］．资源节约与环保，２０１３（６）：１０５．［５］彭钧，寸海红，邓涵．欠酸洗和过酸洗产生原因及防预措施［Ｊ］．中国科技信息，２００８（１８）：１４１，１４３．［６］柳玉波．表面处理工艺大全［Ｍ］．北京：中国计量出版社，１９９６．［７］刘玉堂．无酸除鳞技术浅析．科学咨询，２０１４（５）：２８－３０．［８］高志，卜银剑．带钢表面氧化层湿式抛丸清理技术［Ｊ］．中国表面工程，２０１５（２）：１１４－１２０．［９］李敏风，宫炜．磨料与钢材表面处理的粗糙度．涂饰技术与文摘［Ｊ］，２０１０（１１）：１５－１８．［１０］王健，刘会成，刘新．防腐蚀涂料与涂装工［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６．［１１］金晓鸿．防腐蚀涂装工程手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００８．（收稿日期：２０１６－０５－１１）—６１—２０１６年１０月第５期总第２３０期冶金设备万方数据