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        拋丸機拋丸清理用金屬磨料的選擇


        拋丸處理是利用拋丸設備高速旋轉的葉輪將磨料(砂、丸、鋼絲段)拋向構件表面,產生打擊和磨削作用來達到清理目的的一種表面除銹清理方式,現已普遍應用于大中型設備(如工程機械、船舶制造等)的防腐涂裝工藝[1-2]。拋丸處理的質量不僅影響鋼鐵構件自身的防腐能力,還影響著涂層的附著力、涂層外觀質量以及涂料涂裝的經濟成本。對于已定型的拋丸設備,設備結構及參數更改較難,要提高拋丸質量的關鍵就是磨料的選擇,即磨料的種類、形狀、粒度及質量的控制[3-4]。

        一般情況下,磨料硬度需高于待處理結構件HRC5 ~ HRC15,才能在拋丸過程中獲得較好的除銹效果以及良好的疲勞壽命。對于同一臺拋丸設備,磨料粒度大小決定了鋼鐵構件表面粗糙度的大小。此外,對于涂裝而言,構件表面的粗糙度并不是越高越好:粗糙度太小,漆膜與基體結合力偏低;而過高的粗糙度則使涂層遮蓋力下降(漆膜出現桔皮等現象),進而耐腐蝕性能降低,并導致后續處理成本也會顯著增加(如后期修補等)[5-7]。

        在充分考慮拋丸除銹質量及粗糙度的基礎上,本文*次設計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,并對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研究。

        1、試驗部分:
        1.1、主要原材料:
        試驗磨料其中高碳鑄鋼丸規格為 S230 和 S280,鋼絲切丸規格為 CW1.0 和 CW0.8,見表 1。試驗用鋼板為標準Q235 鋼(76 mm ×18 mm×2 mm,激光切割)。

        表1 試驗所用丸粒型號、硬度及金相組織 1.2、試驗儀器和方法:
        金屬磨料的顯微硬度采用洛氏硬度計進行測定,其金相組織和截面粗糙度則采用德國 Leica 光學金相顯微鏡進行檢測。漆膜與基體金屬的結合力及耐蝕性則分別按照 GB/T 9286—1998 與 GB/T 10125—1997的標準要求進行檢測。
        本文采用 ERVIN 金屬磨料壽命試驗機模擬了磨料清理過程,并按 100%替代法(SAE J445A《金屬磨料機械性能測試標準》)進行 ERVIN 循環壽命測定,以表征拋噴丸清理設備中金屬磨料的真實使用壽命。

        2、結果與討論:
        2.1 、金相組織及硬度:
        圖 1(a)表明,鑄態下高碳鑄鋼丸的金相組織為回火屈氏體,在樹枝晶較后凝固處,形成彌散的白色網狀碳化物富集區,此時高碳鑄鋼丸硬度范圍在 HRC40 ~HRC50,綜合機械性能較高,壽命較長。當鋼丸受到外力碰撞時,易沿白色網狀碳化物富集區開裂,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,無白色網狀結構,硬度適中(HRC50~HRC55),耐磨性好,壽命長[3,9]。
        圖1試驗用金屬磨料金相組織(a)鑄鋼丸(b)鋼絲切丸
        在使用磨料進行清理除銹過程中,若磨料硬度過高,則打到鋼材表面上易破裂,粉塵量大;當磨料硬度太低時,磨料受沖擊時易變形,自身變形時吸收沖擊能量,清理及表面強化效果不理想。試驗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金屬丸粒拋丸 500 次后鋼板試樣的表面粗糙度,結果見圖 2 和圖3。



        圖2 不同型號磨料拋丸后鋼板表面形貌


        圖3 不同型號磨料拋丸后鋼板金相形貌
        2 組圖片結果一致,S230 處理過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。粗糙度對基體和漆膜之間的附著力有至關重要的影響,其一,增大基體表面的粗糙度會導致基體與漆膜相互接觸時產生咬合現象,增大附著力;另外,基體表面粗糙度越大其真實表面積越大,在基體表面發生腐蝕時腐蝕產物不易擴散,因此涂層附著力不易下降。然而,過高的粗糙度則導致涂層的遮蓋力下降,局部漆膜過薄,進而耐腐蝕性下降,較終導致后續處理成本顯著增加。
        圖4 為不同型號磨料拋丸并涂裝后鋼板的截面形貌,表 2 為試驗用丸料拋丸后鋼板粗糙度數值。
        由表2 可見,鋼絲切丸比鑄鋼丸處理后鋼板表面粗糙度要大,這是因為鋼絲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 Sa 2.5 *以上)。為保證除銹等*達到 Sa 2.5 *和較低的粗糙度,本試驗設計的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配方,得到了良好的結果。



        圖4 不同型號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合力 注:①拋丸速度 61 m/s,只添加單一規格鑄鋼丸、鋼絲切丸,或按鑄鋼丸∶鋼絲切丸=7∶3 添加磨料,混合使用達到粒度分布不變;②不同粗糙度測量方法所得粗糙度數值有較大誤差,作為相對比較,本試驗粗糙度數值為測量截面金相照片所得值。

        2.3、涂裝配套性:
        2.3.1、結合力:
        不同粗糙度鋼板涂裝后,漆膜與基體的結合力按照GB/T 9286-1998標準要求進行漆膜劃格試驗檢驗,結合力都可達1*(表2),均能滿足一般環境下防腐涂裝要求。 2.3.2、漆膜耐蝕性: 不同磨料拋丸并涂裝后鋼板經 500 h 鹽霧試驗的表面形貌見圖5。
        圖5 500 h鹽霧試驗的表面形貌 由圖可見,(a)、(b)鋼板腐蝕較嚴重,(c)腐蝕較輕微,(d)、(e)腐蝕狀況介于兩者之間。
        這些現象可以解釋如下:空氣中的 H2O、O2等介質會緩慢滲透到漆膜中,引起基體腐蝕,腐蝕空隙處往往呈現較低的 pH,低 pH 使孔周邊的漆膜也遭受破壞,并導致孔徑的增大。由陰極反應發生的高 pH 也將同樣破壞漆膜與金屬間的結合鍵,這是因為 OH-對基體金屬具有很高的親合勢,其表現在 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合鍵遭到破壞,漆膜附著力進一步降低。由于基體粗糙度不同,腐蝕產物在金屬表面“爬行”相同路程所移動的相對位移不同,在粗糙度大的基體上,其相對位移就小,如圖 5(c)試片的漆膜附著力高于相對粗糙度較小的其他試片,耐蝕性也相應較高。
        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:
        金屬磨料壽命的長短不僅直接關系到經濟成本的增減,磨料的磨損失效還與拋丸除銹效果有關。為此,采用ERVIN 壽命試驗機測定鑄鋼丸、鋼絲切丸以及二者混合的歐文壽命,結果見圖 7。[8]
        圖7 不同配比磨料的ERVIN壽命 可見,CW0.8 疲勞壽命較高,可達到 4 615 次,而S280 疲勞壽命較低,只有 2 941 次。這是因為鋼絲切丸經鍛造、冷拔處理后,無氣孔及縮松等缺陷,密度較高,壽命長。圖 8(a)為CW1.0 截面形貌,棱角分明,組織結構致密,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,缺陷主要由磨損產生,內部沒有嚴重缺陷。圖 8(c)為鑄鋼丸截面形貌,由圖可見,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 歐文循環壽命提高
        。這是因為在拋丸清理工藝中,拋丸機提供給每一粒磨料動能,即大小為 mv2/2 的沖擊功(其中m 為顆粒質量,v 為顆粒拋射速度),磨料依靠沖擊
        功來完成對受拋工件的清理或強化,且沖擊功大小與磨料顆粒質量成正比,磨料的沖擊功除部分轉變為磨料的反彈動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試驗用金屬磨料截面形貌
        3、結語:
        1)試驗所選高碳鑄鋼丸、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,適用于結構鋼的表面拋丸處理。
        2)使用含鋼絲切丸的磨料比單獨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,本文設計的 S280+CW1.0 和 S280+CW0.8 配比試驗,得到了良好的結果,并且 S280+CW0.8 比 S280+CW1.0的粗糙度更小些。
        3)歐文壽命試驗證明,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 配比更有優勢。
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