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·钢铁行业的机械表面处理 — 解决方案与进展

为什么要处理金属表面?

  无论是铸造、锻造、装配的组件或其他类型的钢组件,都最好经过表面处理。而采用机械方法完成这一过程也是非常常见的。换句话说,通常采用抛丸清理机处理组件。虽然在实际操作中禁用砂子,但在提到抛丸清理时,用户常常使用“喷砂清理”一词。
  从基础开始,来了解一下对金属组件进行表面处理的原因。
  任何涂装工艺的有效性都大大取决于涂装前表面处理的程度和质量。因此,无论是全新的产品,还是在修整中的产品,了解该项技术和确定其如何帮助提高产品的使用寿命非常重要。
  钢的污染有很多种。最常见的污染物是来自于机器的锈层或二次加工,如热处理产生的污染物。在铸造中,污染物可能是在铸造过程中的铸造用砂。在锻造中,可能是锈层或模具印记。在钢板和结构钢中,可能是氧化皮或锈层。评估以下钢板和结构钢可能的初始情况,因其包含制造中使用的基本铁质材料。

钢的初始情况与应用参数

  SSPC:美国防护涂料协会规定了表面处理前的五种初始锈蚀情况。这包含从普通氧化层至锈层和凹陷,标注为情况A、B、C、D和G(图像请见SSPC-VIS 1)。
  虽然在修整项目中可能遇到情况C、D和G,但对于无气体(自动)抛丸清理而言,最常见的钢初始情况是情况A和B。对表面处理的期望通常为SSPC-SP-10/Sa 2-1/2/NACE 2或近白色喷丸清理。
  清理质量和结果的评估大体可见。如果某一部件需要特殊的锚状轮廓或蚀刻,则用表面光度计测得的粗糙度将成为检验参数。一些情况下,为去除主观因素,还将采用硫酸铜法,确定部件是否正确清理。
  对于任何抛丸清理操作,讨论的可变因素在于:
• 部件式样(用以确定设备类型)
• 尺寸和生产率(确定设备类型后,再确定设备规格)
• 应用范围(是需要清理整个部件或特定区域—同时还要确定防止被清理的区域)
• 抛丸丸料(金属介质—钢丸、钢砂、钢丝切丸)
• 抛丸丸料(非金属介质—玻璃珠、氧化铝、陶瓷、塑料等)
• 工件传送(用以确定设备类型)
• 预期精整加工(与生产率匹配)—用以确定推出的丸料量
  有一些基本问题,抛丸清理用户需要解决,以便合理选择工艺。

抛丸清理喷出介质的类型和对应的效率

  抛丸介质通过两种方式喷出:
• 离心式轮(通常称为“抛丸机”)
• 压缩空气(通常称为“喷砂机”)
 
抛丸机
  抛丸介质通过离心轮推出,离心轮由电机驱动。电机的马力或千瓦数由生产率要求决定。抛丸机通常用于高产量环境,以及组件全部表面都需要进行清理的情况,没有任何部位需要加以保护,防止被清理。抛丸机采用金属喷丸介质最有效。

喷砂机
  空气喷丸系统使用压缩空气推动喷丸介质至清洁部件。这时使用文氏管或直孔喷嘴。喷嘴使用软管和连接器连接至压缩空气和介质源(喷丸箱)。这也称为“压力喷丸”系统,喷丸箱也称为“喷丸罐”或“压力罐”。
  空气喷丸系统可以为手动或自动。手控系统只需一名操作员,操作员需穿戴防护服,并在称为喷丸室的封闭环境内执行喷丸清理。该房间应具备良好通风,并使用吸尘器集尘。用于清理小组件时(体积为1’ x 1’ x 1’或0.3 M x 0.3 M x 0.3 M),最简单的喷丸室即喷砂橱配有手孔和手套,允许操作员从喷砂橱外操控喷嘴。
  压缩空气型介质推出系统用于清理较小的面积,或大组件的指定小区域。手动系统用于少量应用,或应用包含清理各种尺寸与几何形状的部件。这种系统还用于使用非金属介质的清理,因为轮式喷丸系统不能非常有效地使用非金属磨料。
  如之前所述,钢的机械预处理可使用喷丸喷嘴和离心喷丸机进行。其他影响清理过程的稳定性和生产率的因素与喷至被清理零件上的研磨剂量成正比。喷出金属磨料的空气喷丸喷嘴(直径为3/8”或9mm,工作压力为60 PSI或4 Bar)通常排出的喷丸介质是离心式喷丸机(直径15”或381mm,电机功率20HP或15KW)的10%。需要使用非铁介质进行清理时,通常使用喷丸喷嘴。
  对比两种流程的运行效率透,因此发现:单离心式喷丸机与八个(8)½”或12mm的喷丸喷嘴的清洁效率相同。此外,与驱动离心式喷丸机的电机相比,压缩空气喷嘴需要大量的压缩空气。
  一般来说,离心轮式喷丸机比喷嘴型系统提供更高的生产力。但是,一些其他因素也会决定应用环境适用的系统类型。

表面轮廓与介质类型

  金属磨料中,抛丸清理最常用的是钢丸和钢砂,有时两者混合使用。虽然两种介质类型都能将部件清理干净,但它们的工作方法不同。
  钢丸为球形,在清理物的表面形成凹痕。使用钢丸清理后的金属表面将呈现圆形凹痕,凹痕的大小由使用磨料的尺寸决定。常用的磨料尺寸可以为S70(直径为0.007”)至S660(0.066”)之间,特殊应用中还可使用更大的磨料。当清洁的污染物很脆弱,如氧化皮时,使用钢丸。
  钢砂具有尖角,会对组件表面产生“凿”痕。会在清理物表面留下成角度的粗糙轮廓。钢砂用于清理顽固的表面污染物,如厚层的铁锈、涂料(组件翻修中的再清理)。钢砂常用于船厂、铁路和具有强力清理要求的行业。
  例如:使用钢丸S-280进行清理可提供“平均”高度为2.5 +/- 0.4密耳的轮廓。使用G-40钢砂也能获得相同的高度。而两种情况下,轮廓的形状不同。
  还有其他两种因素对清理的效果也会产生影响:包括磨料的硬度与尺寸。大多数喷丸介质制造商都能根据要求提供不同硬度的钢丸和钢砂。标准硬度通常为40至51 HRC。
  磨料尺寸对覆盖范围有影响。小尺寸钢丸的覆盖率优于大尺寸钢丸,并能帮助清理复杂的区域与裂缝。如预期,与大尺寸相比,小尺寸磨料还能获得较长的周期时间。
  一些组件还会被“抛丸强化”,不仅是清理。抛丸强化组件有很多,常见的包括汽车动力与传动链组件、飞机发动机部件、起落装置与结构。因此,有必要与喷丸清理联合起来讨论一下这一工艺。

抛丸强化

  抛丸强化是向组件表面施加压缩应力的过程。加入的压缩应力在组件工作时遇到拉伸应力或工作应力,中和有害作用,防止过早损坏。
  强化时,操作员需要根据显示出的饱和度和100%或更高的可视覆盖率获得特定的阿尔门强度(通过弹簧钢代表钢带的变形测得—参见阿尔门测量仪和阿尔门试片的图片)。此强度直接转化成设计师要求的特定压缩应力值。所有情况下,规格中也规定了喷丸介质,即钢丸、经处理的钢丝切丸、玻璃珠和陶瓷的尺寸。
  除介质排出的类型以外,抛丸强化还需要监测和以闭合环路反馈关键的工艺参数,如介质速度和流量。强化的“技巧”存在于所有这些参数中,紧密粘附将使最终产品符合或超过期望,总结如表一。

设备类型与工件传送

  如之前所讨论的,设备类型与应用环境相关,取决于多项参数。确定之前列出的一些参数后,工件传送装置需确定机器类型。一些常用的机器类型及其应用范围如表二。
  由于喷砂清理过程的定制性,表二结论还不足以说明所有情况。这些仅是说明传送不同产品所需的各种工件传送装置的示例。传送需要空间和各种资源。要不断重新评估制造环境,减少传送。以下是清理复杂铸件的示例。
  清理铸件时,设备类型由铸造性质(如形状、尺寸和重量)、温度、含砂量、生产率等决定。铸造没有确定的形状,不能进行翻转,也不能使用生产线上的悬挂式机器清理。特定情况下,部件可能多大或过于复杂,无法放入喷砂橱中旋转。替代方案是使轮式抛丸机的数量加倍,在铸件通过时同时清理两面。一些情况下,铸件没有特定的几何形状,因此仅能使用特殊类型的设备。 
  虽然并非总是实用和可行,但是意识到特殊应用环境可以使用特殊工件传送装置十分重要。操纵型工件传送装置包含钳爪,将部件或多个部件抓起,经过一系列具有特定方向的轮式喷丸机后,到达目标区域,完成清理。这种机器搭配使用,能非常有效地清洁大量类似的部件。产量高时,可加倍这种喷丸室,使多个喷丸室同时处理部件。
  创新型工件传送装置减少了人员要求,并提供均匀的清理质量。同时,这种装置能通过定位工件,确保以最佳的方式利用离心轮的马力。仅对部件和操纵组件进行喷丸清理,因此减少了橱壁和喷丸室内其他元件的磨损。这种系统最常见于拥有大量用于自动化环境中的相同铸造件的铸造厂。
  降低传送要求意味着降低了操作成本(功率与消耗品),并节约了时间。

表面处理与绿色制造

  就相关成本节约和生产力提高研究一下绿色制造这一提议。考虑一下喷丸清理的以下方面及其与绿色制造的联系。
  与未清理的零件相比,经过清洁的零件能够更好地粘结涂料、粘着剂或任何涂层。磨料在部件表面形成的轮廓直接影响涂料消耗。根据之前的讨论,这一参数通过监测工艺参数进行密切控制。涂料节约很重大,尤其在高产量环境中,如金属加工厂和造船厂。
  众所周知,防腐线的喷涂室上游包含一台预热机和喷丸清理机。在上漆墙将钢板穿过喷丸清理机,清理为近白或白色金属表面,从而使钢板获得均匀的干膜厚度(DFT)和轮廓。
  在制造新轨道车和修整轨道车时,全球铁路行业都在利用喷丸清理技术(手动与自动)。他们的最终目的是为达经济的目的,持续地使用最少量的涂漆。热轧钢则通过一系列抛丸清理器进行清理—否则就将通过酸洗实现这一目标,那样将产生对环境不利的液体。

行业的未来

  通常相对较新的行业会采用机械表面处理,如医学植入和风力发电业等。现有行业对耐磨损材料、隔音材料和电动调节的需求一直在增加。而喷丸机运行时,其噪音等级可以达到以前可接受的85 A级分贝。
  因此有动力促使组件更便于维护。新设计的抛丸机具有直接驱动,消除了皮带和滑轮的维护需求。就耐磨性而言,新设计的轮式喷丸机外壳采用耐磨材料,如锰钢等材料制成,取代了以前的软钢外壳和多套衬里等。发展还减少了使用的部件数,使之更容易清点库存、订购部件和执行维护。
  该行业的未来将得益于使用先进的控制器,当然还有“更高质量”、“更低成本”和“更快交付”等宏观目标。

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