凯发国际首页 拋丸處理技術在金屬涂裝前處理中的應用

摘要：金屬涂裝前的表面處理主要起到去除油污，金屬鐵屑及氧化皮等雜質，賦予金屬表面一定活性及功能要求，增強后續涂層與底材的附著力， 提高防腐性能的作用。本文將主要介紹拋丸的發展歷史，拋丸處理前金屬的表面狀態，拋丸的應用于用途，金屬磨料的特性與應用，拋丸原理， 拋丸設備及重要部件特性，拋丸質量規范等。同時也對拋丸強化技術原理及發展方向做了簡要的 闡述
引言
金屬部件在涂裝前必須對其進行表面處理， 以達到提高涂層與底材的附著力及其耐腐蝕性 能，從而使涂層達到較佳保護狀態。根據金屬 工件的特性不同，涂裝前表面處理又分為物理 和化學表面處理。物理和化學表面處理的典型 工藝為噴砂拋丸和脫脂磷化。它們從發明至今 已有100 多年的歷史，目前仍被廣泛的應用。 對于大型結構件，鑄件，厚度大于3mm 的工件 多采用噴砂拋丸處理；對于薄板件，厚度小于 3mm 的多采用脫脂磷化的表面處理方法。近幾年 來，隨著環保要求的日趨嚴格，一些新型環保 的金屬表面處理工藝在行業內逐漸被嘗試和應 用，如氧化鋯轉化膜和硅烷處理技術等。本文 將從重點圍繞金屬磨料，拋丸設備，拋丸質量 規范和拋丸強化技術等幾個方面展開探討。化 學前處理不是本文討論的范圍。
2 拋丸工藝介紹
2.1 拋丸的發展歷史
1870 BenjaminChew Tilghman 獲得砂 清理機器的第一個英國專利，并在后續專利中 提出了離心擊打式拋射裝置及離心拋射磨料裝 置分別為當今離心拋射單元及離心葉片的雛 形。1887 Nicholson開始在 英國生產鑄鐵丸。1930 年美國鑄造設備公司 的L.D.Peik 發明了履帶式噴砂設備。1935 Wheelabrator公司發明了葉片是拋丸機，1952 年Whellabrator 公司生產并在噴砂清理領域使 用鑄鋼丸。
2.2 處理前金屬表面狀態分析
通常金屬表面會附有塵埃，油污，氧化皮， 銹蝕層，污染物，鹽份等雜質。銹蝕的種類可。

氧化皮是鋼鐵在高溫下與氧氣反應生成 的，灰黑色致密氧化層。主要成分是Fe2O3、 Fe3O4、FeO。其中，氧化鐵皮較外層為Fe2O3， 約占氧化鐵皮厚度10%，阻止氧化作用；中間為 Fe3O4，約50%，較里面與鐵相接觸為FeO，約 40%，通常情況下氧化皮附著比較牢固，但相比 鋼鐵本身則較脆，并且氧化皮的部分構成一個大 陰極，而氧化皮中的不連續處則成為一個小陽極， 在腐蝕性介質中，鋼鐵作為陽極而被腐蝕
2.3 拋丸的應用與用途
拋丸是鋼結構件漆前表面處理一種很有效 的方法，通過拋丸操作可以達到以下目的： 對工件表面的氧化皮，銹蝕等進行清理 清除鋼結構件表面的焊渣，消除焊接應力 強化鋼結構表面 提高工件的抗疲勞強度 賦予鋼結構表面一定的粗糙度 增加油漆與底材的附著力 由于拋丸是利用一種機械的方法來去除金 屬工件表面的污物，因此由前道工序在加工過 程中殘留下來油污類的化學品是無法通過拋丸 去除的，而且整個拋丸系統內的磨料都會被污 染掉，產生批量的具有油漆缺陷的產品。
2.4 金屬磨料
拋丸工藝中用到的磨料有玻璃、石材、礦砂、 金屬及其他硬質材料等類型。其中又以金屬磨 料的應用較為典型和廣泛。金屬磨料通常包括 我們所說的鋼丸，鋼砂和鋼絲切丸等。按照美 國機動車工程師協會（Society AutomotiveEngineers，簡稱SAE）分類方法，可將鋼丸（Steel shot）和 鋼砂（Steel Grit）進行如下分類 根據金屬表面處理的工藝要求不同，選擇合適粒徑大小的鋼丸或鋼砂。不同粒徑大小的 磨料對金屬表面的粗糙度影響是不同的，磨料 粒徑小，粗糙度值小，磨料粒徑大，粗糙度值大。 當然磨料的選擇還要考慮到如下特性， 如金屬磨料的化學成分，適當的硬度，足夠的 密度，適當的金相組織，清理速度，品質穩定， 消耗量等。
2.4.1金屬磨料材質的化學成分(wt%)
2.4.2金屬磨料材質的硬度
金屬磨料材質的硬度與清理速度成正比， 但與壽命成反比。所以硬度高，清理速度快， 但磨料的壽命短，消耗量大。故選擇適中硬度 （HRC40~50）的金屬磨料以產生較經濟的效果。 同時，適中的硬度，具有優良的反彈性，噴拋 丸中的每一處隅角和形狀較復雜的工件皆能充 分快速地清理干凈，較少處理時間
2.4.3金屬磨料的顯微組織、密度及性能
磨料的抗破碎性及耐磨性, 即使用壽命, 除與硬度有關外, 還與其顯微及宏觀組織結構 及密度有關。磨料的顯微組織、密度及性能見 鑄鋼砂壽命比白口鑄鐵砂高,其原因是 白口鑄鐵丸( 晶白口鑄鐵組織,脆性大, 沖擊韌性低, 易破碎, 壽命低; 而鑄鋼丸( 組織為回火屈氏體或回火馬氏體、彌散分布碳化物、無網 狀碳化物, 綜合機械性能高, 沖擊韌性高, 度適中,耐磨性好, 不破碎, 壽命長; 鋼絲切 丸由鋼絲切割制成, 組織為形變珠光體、鐵素 硬度適中,耐磨性好, 不破碎, 壽命長。 類別 顯微組織 密度g/cm3 性能 鑄鐵丸 亞共晶白口鑄鐵 6.8 脆性大、破碎 率高，壽命低 鑄鋼丸 彌散分布碳化物 7.4 綜合機械性能 好、硬度適中、 耐磨性好 鋼絲切 7.8硬度適中、耐 磨性好、壽命 的密度較低,這是由于 氣孔、縮松、裂紋缺陷及石墨較多所致; 鋼絲 切丸經鍛造、冷拔處理后, 無氣孔及縮松, 度較高。所以,白口鑄鐵丸( 氣孔率高,壽命短; 而鑄鋼丸( 及鋼絲切丸氣孔率低,壽命長 一般來說，當磨料的密度大于7.4 g/cm3時， 其內部缺陷趨于較小，壽命趨于較長。

2.4.4金屬磨料的使用原則
A 可使用硬度為HRC40－50 的混合規格 的鋼丸清理。 也可以使用HRC40－50 同等硬度的鋼砂的清理，但鋼砂在使用時，會 逐漸去磨去棱角，鋼砂變鈍，但因鋼砂總體有 棱角存在，可起到“微刮削”的作用，其清理 總體效率比鋼丸高，特別適合于B 鋼板及焊 渣及焊縫清理除銹。 HRC40－50 的鋼砂，比等同硬度鋼丸效率高。 硬度為HRC50－60 的鋼砂，在清理C D鋼板時，比HRC40－50的鋼砂和鋼丸效率高，由于C 鋼板銹層含許多小坑，高硬度鋼砂在反復拋打沖擊過程中鋼砂自身會不斷破裂 為小的帶棱角的鋼砂，其尖角不會被磨園鈍化， 更有利于清理小凹 HRC50－60 的鋼砂與HRC40 －50 混合使用時，HRC40－50 層作用，可去鋼板表面銹層；HRC50 －60 鋼板。混合使用時，較困難的是維持拋丸機內的彈丸規格粒度比例保持不變，只有這樣才 能保證清潔度、粗糙度及清理速度不變。 二次清理時用比一次清理細1－2 個粒度 的稍高硬度的鋼砂，因為一次清理產生的凹坑 只能利用比凹坑更細的高硬度鋼砂才能清理干 凈。通常高硬度鋼砂HRC50 －60 起“微刮削作 用”，而低硬度鋼丸HRC40 －50 起“錘擊作用”， 所以使用高硬度鋼砂清理過的表面顯“銀白色”， 而使用低硬度鋼丸拋丸清理過的表面顯“暗灰 色”，HRC40 －50 鋼砂清理過的表面介于“銀 白色”與“暗灰色”之間，每次添加新彈丸量 應5％的料倉彈丸總重量。
2.5 拋丸設備的應用
2.5.1 拋丸設備工作原理
被清理零部件由輸送系統( 用戶自備) 入并穿過拋丸室，由布置在拋丸室頂部，兩側，底部的拋丸器將高速彈丸打擊在通過的工件表 面，將其表面上的氧化皮與銹層除掉。清理后 丸料由螺旋輸送器送入提升機下部，經提升機 將丸料送入分離器螺旋內，通過氣流將合格的 彈丸及銹塵等雜質分離開，合格的彈丸進入料 斗供拋丸器循環使用，未分離干凈的彈丸混合 物回到拋丸室繼續循環，細小的鐵銹及灰塵通 過沉降筒與濾筒除塵器凈化處理后，大顆粒被 捕捉收集，純凈氣體排入大氣中。
2.5.2 拋丸器
拋丸器是拋丸清理設備的核心部件，它關 系著設備性能、使用壽命及運行成本。其工作 原理是：拋丸器的葉輪在高速旋轉過程中產生 離心力和風力，當丸料流入進丸管時便加速帶 入高速回轉的分丸輪中，在離心力的作用下， 彈丸經定向套窗口拋出，由高速回轉的葉片沿 葉片長度方向加速運動直至拋出，拋出的彈丸 形成一定的扇形流束，打擊工件表面。 拋丸器中的葉片、分丸輪、定向套等，需采用高鉻耐磨材料，經特殊熱處理工藝制作而 輪、葉片、分丸輪緊固在主軸上，并隨其一同旋轉，定向套固定在拋丸器殼體上。 將定向套的窗口轉動，即可改變彈丸的拋出方 在設計和選擇拋丸器時經常會考慮如下性能參數： 拋丸器的彈丸速度是根據所拋打的工件材質、工藝要求等確定的；如，黑色金屬件所 需的彈丸速度一般高于有色金屬件，拋丸強化 所需的彈丸速度一般高于普通的拋丸清理。一 般彈丸速度控制在60 ～80 計算公式一般表述如下： （2）對皮帶傳動的拋丸器來說，電機轉速固定，葉輪直徑也一定，但電機和拋丸器的兩個皮帶輪 傳動比是可以方便改動的，故該拋丸器的彈丸 速度一般來說是可以在一定范圍內適當變化的。 當然，如用變頻電機或適當改變葉片的長度， 同樣可以改變該拋丸器的彈丸拋射速度 沖擊能量：1/2mV2 拋丸量:千克/ 拋丸總量也是一個很重要的因素，如果過拋，不僅會影響到拋丸清理的效率，而且 會影響到鑄件的性能，造成表面硬度過高，降 低加工性能。如果拋不足，鑄件的表面質量也 就達不到設計要求。合適的拋丸量應該是：實 際拋到鑄件上的彈丸和鑄件的重量之比應該為 10 ～20 倍，根據鑄件的復雜程度選擇不同的比 例，復雜的鑄件比例偏高，有時可高達20 ～25 拋丸器彈丸的拋射方向受很多因素的影響。主要包括：彈丸所拋射的方向、拋丸機葉 輪組的布置( 拋丸輪不正確的排列會影響到彈 丸的方向)、拋丸輪的磨損( 過度的磨損會影響 彈丸在拋丸輪中的流動以及從拋丸輪中射出)、 穩定的彈丸混和料( 根據彈道學方面的研究， 彈丸的尺寸等級會影響彈丸射出的方向) 丸輪的轉速等因素。一般來說，彈丸打在鑄件上的較佳入射角度，是與鑄件清理表面成60 角。當拋丸機彈丸通過拋丸輪的作用拋出時， 會形成一個撞擊區域。其中，有一個被稱為“熱 區”的區域。之所以稱為“熱區”，是因為這 里的撞擊十分集中，因而產生很多的熱量。因 此，“熱區”拋丸效率是較高的。讓熱區瞄準 所需要的位置是十分重要的。拋丸輪定向套開 口的位置不僅可以調整熱區的位置，而且可以 調整整個拋射區域的位置。關于橢圓區域的大 小，彈丸在拋射區域中并不是平均分布的。在 長軸方向，中部彈丸集中，兩端的彈丸較少。 在短軸方向，彈丸的分布較長軸方向均勻，但 是也是兩端少，中間集中。在“熱區”位置， 彈丸較為集中，效率也是較高的。 應該盡量利用“熱區”。 但是需要注意的是，即使正確的設置了拋丸機定向套開口槽的位置，“熱區”仍 然可能會偏離我們需要的方向。因為還有 很多因素影響彈丸離開拋丸輪葉片時的速 度大小和方向。如：拋丸機葉輪的布局， 拋丸機葉片的、中心葉輪和定向套的磨損以及 穩定運轉的彈丸混合物的尺寸等級等因素。
2.5.3 為了達到良好的拋射效果，拋丸器必須配套理想的丸料流量控制調節閥，確保拋丸器有 足夠拋丸量的供丸閥安裝在貯料箱底部，由氣 動閥門控制，將丸料通過輸丸管道送至拋丸器。 可任意調節拋丸流量的大小。 通過丸料流量控制閥可調節拋丸器的拋丸 量，在調節時，需考慮拋丸器電機能承受的較 大電流值。調節拋丸量，旋轉丸料流量控制閥 的調節螺絲可按實際要求調節拋丸量。較大電 流量必須與拋丸器電機 規定通過的電流量一 致。工作電流值應為較大電流值的90％，通過 電流表調節拋丸量。拋頭電流越大，拋丸量越大。
2.5.4 螺旋輸送器
螺旋輸送機由直聯式擺針減速機、螺旋軸、 輸送殼體、帶座軸承等組成。拋丸部分螺旋輸 送器由縱、橫螺旋組成，其中縱向螺旋輸送機 貫穿拋丸清理室和輔室，把拋丸器拋出的丸粒 匯集起來，再經橫向螺旋輸送機送至提升機。

2.5.5 斗式提升機
斗提機主要由擺針減速機、上下滾筒、輸 送皮帶、料斗、封閉殼體和漲緊裝置等組成。 斗式提升機的進料口與螺旋輸送器相連，其出 料口與分離器相連斗提機殼體采用折彎成形焊 接結構。斗提機罩殼上設有檢修門，可維修及 更換提升料斗。打開底部殼體的檢修門蓋，可 以維修下部機構，排除底部彈丸堵塞。本機采 用平皮帶傳動。工作時，固定在輸送皮帶上的 料斗將提升機底部的丸料刮起，然后在斗提機 電機的驅動下，將丸料提升到頂部，較后靠離 心重力方式落料，將丸料送入分離器。斗提機 設有一套漲緊裝置。當皮帶松弛時，通過調節 斗提機上部兩側的調整螺栓，可以漲緊皮帶。 斗式提升機設有空轉檢測器。一旦出現皮帶松 弛打滑等故障時，檢測器將信號反饋至PLC，發 出警報，以便及時調整，保證設備的安全運轉。
2.5.6 分離器
當丸砂混合物經提升機進入到分離器，由 螺旋輸送器沿整個分離區長度均勻布料，形成 一個厚度均勻的丸砂流幕，穿過風速3-6m 的水平氣流。由于彈丸和破碎彈丸、砂粒的質量不同，被氣流吹過后，質量大的彈丸偏離很 小距離，落入料斗中繼續使用，沙粒和破碎后 的小顆粒彈丸，偏離距離較大，落入廢料斗排除。 灰塵則經除塵管排出。風管處設有調節閘門， 可調節分離區的風速，以達到良好的分離效果。
2.5.7 除塵器
包括吸、排塵管道、沉降室、旋風除塵器、 脈沖濾筒除塵器，除塵風機等。 濾筒式除塵器由多個濾筒組成，濾筒更換 十分方便。除塵器反吹氣源壓力為0.5 ～0.6MPa 除塵器濾材特點是把一層亞微米級的超薄纖維 粘附在一般濾料上，在該粘附層上纖維間排列 非常緊密，其間隙僅為底層纖維的1％。極小的 篩孔可把大部分亞微米級塵粒阻擋在濾料外表 面，使其不能進入底層纖維內部。因此在初期 295 就能形成透氣好的粉塵層，使其保持低阻、高效。 由于粉塵不能深入濾料內部，因此又具有低阻、 便于 清灰的特點，其過濾精度達到5u，這個 特點是普通布袋除塵器無法比擬的。因此粉塵 排放濃度遠遠低于國家有關環境保護要求。除 塵效率較高可達99.5％，粉塵排放120mg m3，排放濃度符合GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》【7】。濾筒在結構上做成折疊 式的圓筒形，一個標準濾筒過濾面積為20m2，拋丸質量規范金屬部件經過拋丸處理后，表面被賦予一 定的質量特性，如表面清理等級，清潔度，粗 糙度等，為后續的油漆施工做好打底工作。

3.1 表面清理質量等級【8 ～10】 即通常 所說的除銹等級. 經常用來評價金屬表面清理 質量等級的標準有ISO 8501-1，SSPC 和NACE 標準。不同標準之間有一定的等同關系. 不同清理等級的定義詳見下述 較徹底清理級（Sa3） 清理后的鋼材表面呈完全一致的銀灰色， 有一定的表面粗糙度以提高涂層的附著能力； 很徹底的清理等級（Sa2.5） 清理后的鋼材表面上不存在油脂、污垢、 氧化皮、銹、腐蝕生成物、氧化物和其他雜質， 允許存在由于清理不徹底而出現的，但每平方英寸上至少要有95% 以上的表面達到較徹底清理級的水平，其余部 分僅出現輕度的陰影和色差； 較徹底清理級（Sa2） 清理后的鋼材表面上不存在油脂、污垢、 銹皮和其他雜質，氧化皮、銹和舊漆被清除， 允許存在由于銹和氧化皮清除不徹底而出現的 輕度陰影和色差，其面積在每平方英寸上不超 過33%；如果鋼材表面已經發生點蝕，蝕點深處 允許有少量的銹和舊漆存在； 非徹底清理級 （Sa1） 表面經全面清理，油脂、污垢、松動的氧 化皮和松動的漆皮被清除，與基材結全牢固、 不能用非常鋒利的鏟刀清除的氧化皮、銹、油 漆和涂層允許在清理后殘留在表面上。表面上 出現大量分布均勻的金屬的斑點。
3.2 拋丸后金屬表面清潔度
金屬工件拋丸后表面的清潔程度，即灰塵， 粉塵等的污染程度直接影響到后續的涂裝質量。 表面清潔度良好，油漆漆膜附著牢固，否則油 漆漆膜的附著力較差，容易脫落。行業內常用 ISO 8502-3、GB/T18570.3-2005 涂漆鋼板表面 的灰塵評估—壓敏膠帶法來評價清潔度。 用到的工具： 無色透明壓敏膠帶，寬25mm，剪切強度至 少190N（LEC 454-2 測定） 白紙或玻璃等 10X 放大鏡 測試程序： 撕開膠帶約三圈，扔掉200mm 長有開始膠 把150mm長的新鮮膠帶壓在測試表面 用拇指從一頭壓到另一頭，每個方向壓三 揭起膠帶，壓平粘帖在白紙或玻璃上面與標準圖示和說明相比較
3.3 表面粗糙度
3.3.1 表面粗糙度的形成機理
拋丸表面粗糙度的形成過程即，金屬磨料 丸粒沖擊并向外反彈，這種沖擊造成表面幾千 分之一寸的壓痕，叫基礎圖式。回彈會使某些 表面向外高出幾千分之一寸，低的叫“谷”， 高的叫“峰”，每一個丸粒沖擊表面都會造成 一個“谷”和一個“峰”，這就是基礎圖式（粗 糙度的形成原因）。它用MILL（密耳）表示。 形成的基礎圖式值應是總涂層系統的30%，不宜 超過干膜涂層厚度的1/3，一般防腐在50-70（um） 之間。　1 密耳=25.4m
3.3.2 表面粗糙度的表示方法
表面粗糙度參數的定義與表示方法在行業 都有詳細的規定，常被用來表達表面粗糙度的參數有：輪廓的算術平均值（Ra），輪廓的 較大高度（Ry），微觀不平度十點高度（Rz）。 具體表述如下： Ra 為在標準取樣長度L 內，輪廓偏差的絕 對值的算術平均值, 如圖18 所示

圖18

 Ry 為在標準取樣長度L 內，輪廓峰頂線和 谷底線之間的距離，如圖19 所示

圖19

296 Rz 為在標準取樣長度
L 個較大輪廓峰高的平均值與5 個較大輪廓谷深的平均值之 如圖20所示 Yp1，Yp2，Yp3，Yp4，Yp5 為取樣內5 大輪廓的峰高值；Yv1，Yv2，Yv3，Yv4，Yv5：為取樣內5 個較大輪廓的谷深值。
3.3.3 表面粗糙度的作用
使涂層與工件表面間的實際結合面積增加， 有利于提高涂層結合力； 涂層在固化過程中會產生很大的內應力， 粗糙度的存在可以有效消除涂層中的應力集中， 防止涂層開裂；表面粗糙度的存在可以支承一 部分涂料的質量，有利于消除流掛現象，對于 垂直涂裝的表面，作用尤為明顯。
結束語
4.1 拋丸處理應用領域拓展及案例 拋（噴）丸表面處理技術以其高效，成熟， 環保，投資少等特性，目前被廣泛的應用于工 程機械，農用機械，礦山機械，船舶制造，航 天和鋼結構等行業。 其應用范圍也從較初的清砂，除銹，氧化 皮拓展到金屬工件的表面強化，以及先進的壁 板件數字成型技術等。以金屬工件的強化為例， 拋丸強化是一種冷加工工藝，用來產生一個殘 余壓應力層，以改善金屬的機械性能。 拋丸強化使用拋丸以足以產生塑性變形的 力度撞擊金屬表面 將不良的制造和操作拉應力 轉變成可以提高使用壽命的殘余壓應力， 力有助于防止產生裂紋，因為裂紋不能在拋丸強化所產生的壓縮環境下擴展，從而延長組件 的使用壽命。 對于金屬表面拋丸強化后表面殘余應力的 分布見圖21 所示。 圖21 由上圖可以看出，金屬工件在拋丸強化處 理后，在表面以下0 ～0.75mm 深度范圍內，殘 余應力為壓應力，機械性能得到改善；
4.2 拋丸機（如通過式拋丸機、轉臺式拋丸機、吊鉤式拋丸機、 履帶式拋丸機 、 滾筒式拋丸機 、 鏈式拋丸機、噴丸式拋丸機等），在技術發展 趨勢上主要是結合新技術（如先進的虛擬制造 技術、機器人技術）、使用新材料（如使用新 材料解決耐磨問題）并與計算機技術（如軟件 開發）結合，從而實現拋丸機的智能化、電子 化及紅外遠距離控制，實現全自動化清理。