热喷涂表面预处理工艺的优化
孟立新等
表面技术
[摘 要] 以钢桥梁表面预处理工艺为研究对象,在选择了基材表面预处理方法的同时,采用正交试验法优化了喷砂工艺参数,为正确使用该工艺提供了依据。
[关键词] 热喷涂;表面预处理;工艺;优化
0 引言
热喷涂基材表面预处理是热喷涂非常重要的一个工艺环节。热喷涂涂层与基体的结合以机械咬合即“抛锚效应”为主。喷射到基体上的熔融热喷涂粉末或微粒,冲击在基体表面上产生变形,与基体表面的凹凸部分紧紧咬住,而形成涂层。这种啮合能力的大小,与基体表面的净化和粗化程度有很大关系。因此如何对基体表面进行净化和粗化处理,以提高基体表面的活性,增加涂层与基体的结合强度并改善涂层的内应力分布,对于增加涂层与基体的结合强度尤为重要。
1 基材表面预处理方法的选择
基体表面预处理的方法很多,见表1。针对大型钢桥梁的建设,对钢梁连接面表面预处理是制备连接面增摩涂层极为关键的工艺。由于表面预处理方法很多,在选择表面预处理方法时主要考虑钢板的形状和厚度,原始表面状态,现场施工条件,以及对涂层结合强度的要求等因素。
制作钢桥梁的钢板为16~24mm厚的专用热轧钢板,钢板抗变形能力强。钢板在运输及制作过程中均无油污等污染,钢板表面覆盖物以氧化皮和锈蚀为主。钢桥梁露天生产,周围无居民居住。根据这一表面特征和现场施工条件,表面可采用喷砂处理方法,使基体表面得到净化和粗化处理。
喷砂处理主要分为湿式喷砂处理和干式喷砂处理。干式喷砂处理是热喷涂技术中基体表面处理的最常用方法。它是利用压缩空气或旋转的叶轮,将磨料加速冲击到基材表面上,去除表面锈蚀、油污、残余涂层等,使表面得到净化和粗化。
干式喷砂设备分射吸式和压力式两种。射吸式喷砂以高速流动的压缩气体,经射吸管时,在喷砂枪内腔位置产生负压,从而抽吸沙槽中的沙子,再由喷砂嘴喷出射向基材表面,通过控制压缩气体的流量压力,可以调节射吸力的大小。压力式喷砂是将高压气体通入密闭的压力容器,将容器内的磨料通过罐底部的管道,由喷嘴喷出射向工件表面。由于压力式喷砂压缩空气利用率高,喷射力量大,具有较好的粗化和净化效果,而且喷砂工作效率高,同时钢板由于较厚完全能够抵抗由于沙子冲击造成的变形。因而选用压力式喷砂方法进行基材表面的预处理是可行的。
在工程施工中,压力式喷砂设备多为自制设备,为了设备移动方便,压力砂罐一般设计的容积小于0.4m3,空气压缩机采用轮式柴油空气压缩机,压气量不小于6m3/min,最大工作压力0.8MPa。磨料选用自然界储量丰富的石英砂。石英砂粒度在1.2~2.5mm之间,使用时必须为干燥状态。
2 基材表面预处理工艺及优化
2.1 基材表面处理工艺
2.1.1 喷砂净化
喷砂净化主要利用喷细砂法除去工件表面氧化皮及锈蚀,操作时喷射角应小于30°。在现场可采用循环使用的细小石英砂。
2.1.2 喷砂粗化
粗化处理是使已喷砂净化的基材表面,形成均匀凹凸不平的粗糙面,经粗化处理的表面,对涂层的制备起到以下作用。1)增大了涂层与基材结合的面积,活化了表面。2)使涂层中变形的扁平状粒子,互相交错,并对基材产生一定的压应力,形成机械嵌合实现所谓的“抛锚效应”。
喷砂粗化兼有表面净化作用,借以除去氧化皮,锈斑和其它附着物。鉴于现场施工条件和施工成本等因素,砂料选用价格低廉的石英砂,但由于在喷砂过程中石英砂破损率高,为了能够更充分的利用砂料,在实际生产中,新的粗砂中掺进30%的破损后得到的细砂。并将喷砂净化和粗化工艺合并使用,在喷砂过程中使细砂和粗砂分别起到表面净化和粗化的作用。因而在实际生产中净化和粗化两个工序组合使用,可以大大提高生产效率。
2.2.3 磨料的选择
喷砂的效果取决于砂料的类型和尺寸。锋利、坚硬及有棱角的砂粒可获得最好的喷砂效果。在大面积工程施工中,选用经过加工的石英砂是能够满足喷砂用料要求的。选用石英砂的粒度要求在1.2~2.5mm之间。使用粒度过小的石英砂,喷砂后的表面粗糙度值较小,砂粒破损后不利于再回收利用。使用粒度过大的石英砂,不仅生产效率低而且易使基材表面粗糙度值Ra超过10μm,涂层的结合强度会降低[1]。
对于磨料粒度的选择,其磨料粒度的分布在0.5~1.0mm的约占30%,1.0~2.0mm的约占50%~60%,2.0mm以上的粗磨料占10%~15%,可以使表面净化与粗化达到一个最佳的效果[2]。
2.2.4 喷砂工艺参数
1)喷砂距离 喷砂距离是指喷砂嘴端面到基材表面的直线距离。喷砂距离增大,磨料的冲刷作用减弱。喷砂距离小,则磨料易破碎,且喷砂范围小,生产效率低。该参数的选择取决于喷砂方式,空气压力大小以及工件的具体情况。笔者在表面预处理工艺中采用压力式喷砂方式,因而喷砂距离控制在150~250mm之间。
2)喷砂角度 磨料喷射的轴线与基材表面夹角为喷砂角度,喷砂角度应保持在60°~70°范围内,以防止砂粒嵌入基材表面。
3)空气压力 以压缩空气为动力,供给喷砂装置进口处的压力为空气压力。随空气压力的增大,磨料的喷射速度增加,对基材表面的冲刷作用力增强。使用压力式喷砂方法,空气压力应控制在0.4~0.5MPa。当喷砂管较长时,可适当将砂罐的进口压力提高至0.6MPa。为满足生产要求,空气压缩机的排量应大于6m3/min。额定工作压力不小于0.8MPa。
2.2.5 表面预处理质量标准
喷砂后表面质量的控制可参考ISO8501标准执行,其质量必须达到Sa2.5级以上。
喷砂后的表面净化,粗化和活化度,要达到无油脂、污垢、氧化皮、锈蚀等杂质,只允许有不超过5%的表面存有轻重色差。所有的喷砂表面要露出均质的金属本色,形成“活化”表面。表面粗糙度Ra在6~10μm之间,且分布较为均匀。
3 喷砂工艺参数优化
上述众多工艺参数,对表面喷砂预处理的质量都会产生直接或间接的影响,为优化喷砂工艺参数,保证喷砂质量,在优化喷砂工艺参数试验中采用正交实验法来寻找出最佳的工艺规范。
本实验选用正交表:L9(34)。为了实验快捷,在做实验时将生产中较次要的2个工艺参数:喷砂角度和喷砂时间固定不变,对喷砂质量影响最大,最直接的两个参数即密闭砂罐内的空气压力和喷砂距离,分别选取3个水平进行试验,水平内函如表2所示,设计试验方案如表3所示。在实验中喷砂的喷射角度固定为70°,喷涂时间30s。喷砂试块材料与钢桥梁材料相同,试块尺寸100mm×100mm,试块厚度24mm。喷砂管的长度控制在5m以内,喷砂管内径不小于30mm,喷砂嘴内径6mm。按试验序号检测表面粗糙度值结果如表4。
由粗糙度Ra检测结果分析看:1、2、3组试验得到的预处理表面粗糙度值偏低,不利于涂层结合强度的提高;7、8组试验得到的预处理表面粗糙度值偏高,在喷涂时涂层间易产生遮蔽,降低涂层的结合强度;9组试验虽然能够得到较为理想的粗糙度值,但由于提高了工作压力,对喷砂作业安全产生了不利影响;4、5、6组试验得到的预处理表面粗糙度值分布较均匀,其工作压力,喷砂距离范围适中,便于生产人员的掌握和预处理质量的控制。因而根据试验数据可以得到较为理想的喷砂距离在150~250mm之间,而适宜的空气压力为0.5MPa。
4 结 论
经过表面预处理工艺参数优化后,表面预处理在采用压力式喷砂工艺时,砂罐内的压力应控制在0.5MPa以上,空气压缩机的排量应大于6m3/min,额定工作压力不小于0.7MPa。喷砂距离控制在250mm以内,但不宜小于150mm,否则会影响喷砂效率。喷砂角度控制在60°~75°,喷砂角度过小会降低喷砂效率,过大则会增加石英砂的破损率。石英砂的粒度控制在1.2~2.5mm之间,其中小于1.0mm的磨料含量小于30%,否则会减低表面毛化效果。喷砂时间的掌握以表面处理效果能达到标准为准,根据试验一个位置连续喷砂时间不少于6s,便能保证喷砂效果。
图略
参考文献略
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