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摘要对钢结构涂装防腐过程中,钢材的抛丸(喷丸)清理(除锈),即钢材预处理过程所用金属磨料的种类、硬度、显微组织、磨料材料的颗粒形状、粒度分*、宏观、微观组织及密度作了对比分析,指出了判断金属磨料质量的简易方法及正确选用磨料的原则。
关键词钢结构表面预处理抛丸(喷丸)清理磨料

近年来,随着钢结构业的发展,人们对防腐性能的要求日益增加,钢材的预处理日益受到重视,经冷轧或热轧过程处理的钢板及型材,在长期存放过程中表面*般都有氧化皮、铁锈、油脂及其他杂质存在,在涂装前必须将它除尽。表面进行良好的预处理可以保证与涂料系统的永久结合,使被保护的钢结构得到长期保护,预处理过程还可增加表面粗糙度,增加涂料与钢板的接触面积,以及涂料与被涂物体的结合力〔1〕。 抛丸机 生产厂家整理
在瑞典腐蚀协会、美国材料试验学会和美国钢结构涂装委员会共同制订ISO55900-1967和ISO8501-1-1988《涂装前钢材表面除锈》标准之后,1988年我国又制订了《涂装前钢材表面锈蚀等*和除锈等*》(GB8923-88)。
1磨料的种类、硬度及显微组织
111磨料的种类
磨料的材质可分为两类:非金属类与金属类。
非金属磨料*般有铜矿砂、石英砂、河砂、刚玉、玻璃等。
由于非金属类磨料破碎率极高,灰尘多,污染严重且效率低,除了少数还继续延用外,大多数已逐步由金属类磨料代替。
金属磨料根据材质可分为:白口铸铁丸(砂)、脱碳退火铸铁丸、铸钢丸(砂)及钢丝切丸。其化学成分见表1。
112硬度
对磨料的硬度要求可根据工件的表面状态而定,*般来说硬度值应高于钢材表面硬度HRC5～HRC30。磨料的硬度
见表2。

表1金属磨料材质的化学成分〔2～4〕%

表2金属磨料材质的硬度〔2～4〕

白口铸铁丸(砂)经回火处理后,硬度虽可降为HRC53～HRC57,但脆性仍较大,不耐冲击,破碎率高;脱碳退火铸铁丸硬度较低,并有孔洞,不耐磨,用时易扁;铸钢丸(砂)硬度有4种范围,能适合于各种金属表面的清理、除锈及表面强化工况的要求,也是唯*满足理论硬度要求的磨料;此外,铸钢丸(HRC40～HRC45)及钢丝切丸在重复打击钢材的过程中,磨料自身发生加工硬化,工作40h后表面硬度可提高到HRC42～HRC46,工作300h后表面硬度可提高到HRC48～HRC50。
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,并吸收能量,降低冲击功,且粉尘量大,这就是白口铸铁丸(砂)不能重复使用的原因。当磨料硬度太低时,磨料受冲击时易变形,特别是脱碳退火铸铁丸,自身变形时吸收了冲击能量,降低冲击功后,清理及表面强化效果不理想。只有使用硬度适中的磨料(如铸钢丸、铸钢砂、钢丝切丸),才能延长磨料使用寿命,达到理想的清理、表面强化效果。
另外,若磨料硬度适中反弹性好,起二次冲击作用,清理、除锈、刻蚀及表面强化效果好,铸钢丸、钢丝切丸反弹效果较好,清理及表面强化效果亦较好。金属表面预处理时,较好是用硬度稍高的棱角形的铸钢砂,其硬度为HRC53～HRC57,可起到微刮削作用,增加表面粗糙度,从而增加涂装材料的附着力。
1.3显微组织
磨料的抗破碎性及耐磨性,即使用寿命,除与硬度有关外,还与其显微及宏观组织结构及密度有关。磨料的显微组织、密度及性能见表3。如铸钢丸及钢丝切丸的寿命比白口铸铁丸高,铸钢砂寿命比白口铸铁砂高,其原因是白口铸铁丸(砂)组织为亚共晶白口铸铁组织,脆性大,冲击韧性低,易破碎,寿命低;脱碳退火铸铁丸组织为铁素体与团絮状石墨组织,硬度低,不耐磨,寿命低;而铸钢丸(砂)组织为回火屈氏体或回火马氏体、弥散分布碳化物、无网状碳化物,综合机械性能高,冲击韧性高,硬度适中,耐磨性好,不破碎,寿命长;钢丝切丸由钢丝切割制成,组织为形变珠光体、铁素体,硬度适中,耐磨性好,不破碎,寿命长

表3各种磨料的显微组织、密度及性能〔2～4〕

2磨料颗粒形状、粒度分*及宏观组织与密度
211磨料颗粒形状
磨料颗粒形状,可分为圆形、棱角形和柱形三种基本形状。圆形的有白口铸铁丸、脱碳退火铸铁丸、铸钢丸;棱角形的有白口铸铁砂、铸钢砂;柱形的有钢丝切丸。圆形白口铸铁丸、铸钢丸经破碎机破碎可分别得到棱角型的白口铸铁砂、铸钢砂。
清理、除锈钢材预处理时,较好采用硬度稍高的棱角形磨料,亦可采用圆形与棱角形或棱角形与柱形的混合磨料。
新的柱形及棱角形磨料具有锐利的棱角,经过反复使用磨损后,也会逐渐变为圆形的。但高硬度铸钢砂(HRC53～HRC57或HRC≥6415)在使用过程中不断破裂,可始终保持锋利的棱角,可用于粘着力强的黑色薄氧化层的快速清理。
212磨料的粒度分*

磨料中的圆形及棱角形的粒度分*,是根据筛选后筛网尺寸确定的。其规格与筛网尺寸有关,钢丝切丸的粒度是根据其直径确定的。具体粒度分*见美国汽车工程师协会标准(国际通标)《铸钢丸、铸钢砂的粒度》(SAE-444)《、铸钢丸》(YB/T5149-93)《、铸钢砂》(YB/T5150-93),规格对照见表4。

表4SAE标准与冶标(YB/T)铸钢丸、铸钢砂规格对照〔5～9〕

磨料粒度的选择不宜太小,也不宜太大。直径太小,则冲击力也小,钢材表面的粗糙度(弹痕)减小,涂装后涂料的附着力也小,易剥落;直径过大,单位时间内喷打在工件表面的颗粒数就少,也会降低效率,并使钢材表面的粗糙度(弹痕)增大,增加其后涂装过程中涂料的消耗量。较佳磨料的直径应根据表面粗糙度(弹痕)要求选择,见表5。

表5磨料的粒度与粗糙度关系

注:抛丸速度为60m/s,只添加单*规格铸钢砂与铸钢丸(各占50%),混合使用达到粒度分布不变。
使用时,磨料因磨损,直径不断减小,有利于照顾到较小的内圆角的清理、除锈、刻蚀及表面强化。
213磨料的宏观组织及密度
磨料的密度见表3,白口铸铁丸(砂)、脱碳退火铸铁丸的密度较低,这是由于气孔、缩松、裂纹缺陷及石墨较多所致;钢丝切丸经锻造、冷拔处理后,无气孔及缩松,密度较高。所以,白口铸铁丸(砂)、脱碳退火铸铁丸气孔率高,寿命短;而铸钢丸(砂)及钢丝切丸气孔率低,寿命长。
3判断磨料质量的简易方法及磨料的正确选用
311判断磨料质量的简易方法
判断磨料质量的标准可参照“冶标”(YB/T5149-93)、(YB/T5150-93)、美国汽车工业工程师协会标准SAE-J827,SAE-J1993。
判断铸钢丸(砂)磨料质量的简易方法之*是采用在强度试验机上进行静压力试验,某种直径的磨料在能承受的压力极限下,不破碎时,即为合格;方法之二是凭经验进行锤击试验,*般在中等用力下击3～4下,如硬度≥HRC6415时,碎裂时成4～6瓣为合格;硬度在HRC53～HRC57时,碎裂成2～3瓣为合格;硬度在HRC48～HRC52时,砸扁后有径向裂纹3～4条为合格;硬度在HRC40～HRC45时,砸扁后无径向裂纹或有径向裂纹1～3条为合格。
312磨料的正确选用
正确地选用磨料至关重要,磨料选择合理,不但金属表面抛丸清理、除锈效果好,效率高,磨料寿命长,而且设备易损件的寿命大大延长,从而可显著降低清理费用。从表6的对比可知,铸钢丸(砂)及钢丝切丸寿命较长,抛丸、喷丸设备易损件的寿命较长,费用较低,综合效果较好

表6相同抛射条件下的磨料寿命、易磨损件磨损速度及综合费用对比〔10～13〕

注:表中价格为2003年12月对应价格

参考文献
1刘道忠.集装箱涂装技术.涂料工业,1994(1):27～30
2MooreJohn.MetallicAbrasiveintheGermanFoundryIndustry.FoundryTradeJournal,1993(16):346～347