干式拋丸與濕式拋丸對鋼板除鱗表面的影響①

郭瑞 周存龍 王強(qiáng)李治丹

(1:太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院 山西太原 030024； 2：太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實驗室培育基地 山西太原 030024)

1 前言

金屬在熱軋過程中會形成致密的氧化鐵皮，俗稱“鱗皮”。氧化鐵皮的存在會影響后續(xù)的工藝加工，以冷軋為例，鱗皮的存在會在冷軋制時損傷軋輥，同時脫落的鱗皮顆粒會在軋制時嵌入基體而影響冷軋成品帶鋼的質(zhì)量，甚至造成廢品。此外，氧化鐵皮還會對工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失和浪費(fèi)[1]。因此如何消除氧化鐵皮也顯的尤為重要。國內(nèi)外普遍使用酸洗除鱗技術(shù)去除氧化鐵皮[2]，這種方法雖然效率較高，但會對環(huán)境造成巨大的危害，不符合節(jié)能環(huán)保。目前國內(nèi)外有很多方法替代酸洗除鱗技術(shù)，如高壓水射流噴砂法、鐵粒摩擦除銹法、表面SCS清理技術(shù)、拋丸除鱗等[3,4]。這些除鱗技術(shù)雖然不會對環(huán)境造成威脅，但是除鱗效率并未得到很大的提升。而近年來出現(xiàn)的磨料水射流除鱗技術(shù)技術(shù)，又稱綠色表面清潔技術(shù)，在效率、產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用范圍上獲得了很大突破，該技術(shù)將會取代傳統(tǒng)的除鱗成為主流技術(shù)[5-7]。

EPS技術(shù)是美國TMW公司在2007年6月研制開發(fā)的一種新型綠色除鱗技術(shù)，也可稱為拋漿除鱗技術(shù)，它的原理是將水和砂子混合進(jìn)入到渦輪機(jī)內(nèi)，隨高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片拋射到金屬表面，在去除氧化鐵皮的同時又能改善鋼板表面質(zhì)量，在除鱗方面具有很大潛力[8]。由于對拋丸除鱗工件表面的沖蝕特性知之甚少，導(dǎo)致拋丸除鱗的工藝參數(shù)大多依靠經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)定，造成除鱗不徹底或者除鱗過度損壞鋼板基體，使得我國大大規(guī)模除鱗生產(chǎn)技術(shù)在國際競爭中處于被動。

因此，需要進(jìn)一步研究分析拋丸技術(shù)對鋼板表面的沖蝕機(jī)理，并進(jìn)行拋漿實驗驗證，為拋漿除鱗相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)定以及拋漿裝置的優(yōu)化提供技術(shù)支持，提升國內(nèi)除鱗技術(shù)的競爭力。

2 材料與方法

本文中的拋丸實驗在自制的組合式磨料漿射流除鱗設(shè)備上完成，利用拋漿機(jī)部分進(jìn)行干式拋丸和濕式拋丸除鱗。實驗材料選用Q235熱軋鋼板，試樣大小為400mm×150mm。鋼板經(jīng)過濕式拋丸除鱗實驗后，及時用酒精擦拭其除鱗區(qū)域并吹干，防止裸露的金屬再次被氧化。

采用掃描電鏡對除鱗前后的鋼板表面形貌進(jìn)行觀察，并進(jìn)行氧含量能譜分析，用來分析除鱗除凈率。采用IXRD殘余應(yīng)力測試儀對除鱗前后鋼板表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，從而判斷除鱗后的鋼板表面質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 干式拋丸與濕式拋丸除鱗效果對比

3.1.1 能譜分析

熱軋鋼板除鱗前表面有氧化鐵皮，氧元素含量較高，經(jīng)過除鱗處理后氧化鐵皮被去除，則氧元素含量較低。為了分析不同拋丸方式的除鱗效果，采用掃描電鏡對除鱗前后的鋼板表面形貌進(jìn)行了觀察，對除鱗前后鋼板表面進(jìn)行了能譜分析，如圖1所示。

由圖1(a)可以觀察到，除鱗前鋼板表面有一層致密的氧化層，還附著有許多雜質(zhì)顆粒，能譜圖1(b)顯示鋼板表面有氧峰值且氧含量較高，占總元素含量的27.9%。經(jīng)過拋丸除鱗后，鋼板表面的氧化鐵皮被去除，并且出現(xiàn)了許多丸粒沖蝕形成的凹坑，見圖1(c)、圖1(e)。通過能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過干式拋丸和濕式拋丸兩種方式除鱗后，鋼板表面均沒有氧峰值，其氧含量分別為干式拋丸4.1%(見圖1(d))，濕式拋丸2.0%(見圖1(f))，故兩種方式均能有效去除鋼板表面的氧化鐵皮。

為了進(jìn)一步分析比較干式拋丸和濕式拋丸除鱗效率的差異，在鋼板除鱗區(qū)域沿工件長度方向均勻選擇10個點(diǎn)進(jìn)行氧含量進(jìn)行能譜分析，實驗參數(shù)如表1所示。

圖2所示為除鱗前后鋼板表面的氧含量測量值，從圖中可以看出，在不同鋼丸粒徑下，經(jīng)過干式拋丸和濕式拋丸除鱗后鋼板表面的氧元素含量均明顯減少。其中，干式拋丸除鱗后，至少有一半以上的點(diǎn)區(qū)域氧含量與除鱗前的氧含量保持一致，為20%～35%。而濕式拋丸除鱗后鋼板表面氧元素含量基本保持在2.5%～15%左右。干式拋丸和濕式拋丸除鱗方式都是通過鋼丸的高速沖擊作用去除鋼板表面的氧化鐵皮，氧化鐵皮在鋼丸的沖擊作用下會產(chǎn)生裂紋等缺陷，由于濕式拋丸方式中，水會滲透到這些孔縫或者裂紋中形成“水楔”，所以在相同工況下，水楔作用導(dǎo)致初始側(cè)向裂縫沿原來的方向進(jìn)一步擴(kuò)展，使得氧化鐵皮的去除能力更強(qiáng)。因此，采用濕式拋丸方式進(jìn)行除鱗效率更高。

圖1 除鱗前后鋼板表面能譜分析

表1 拋丸器工藝參數(shù)

參數(shù)方式 時間(s)拋丸量(L)水量(L)葉片轉(zhuǎn)速(r/min)拋射距離(mm)拋丸30502900340拋漿30552900340

圖2 不同粒徑下沿鋼板表面10點(diǎn)的氧含量值

3.1.2 殘余應(yīng)力分析

在除鱗過程中，鋼板表面會持續(xù)受到鋼丸和水的巨大沖擊力，導(dǎo)致鋼板基體發(fā)生變形并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響鋼板的質(zhì)量。為研究不同拋丸方式對鋼板表面殘余應(yīng)力的影響，采用IXRD殘余應(yīng)力測試儀對鋼板表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，鋼板殘余應(yīng)力分布曲線如圖3所示。

圖3 不同粒徑下沿鋼板表面的殘余應(yīng)力值

從圖3可以看出，除鱗前鋼板表面的殘余應(yīng)力值范圍在60～110MPa之間，經(jīng)過干式拋丸和濕式拋丸除鱗后，鋼板表面的殘余應(yīng)力值均明顯提高，殘余應(yīng)力值范圍在150～260MPa之間。由于在干式拋丸和濕式拋丸除鱗過程中，鋼丸介質(zhì)經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的分丸輪和葉片后獲得很大的動能，對鋼板產(chǎn)生很大的沖擊，從而引入了殘余壓應(yīng)力。同時，隨著鋼丸粒徑的增大，除鱗后鋼板表面的殘余應(yīng)力值也增大。鋼丸粒徑相同時，經(jīng)過干式拋丸除鱗后鋼板表面殘余應(yīng)力值要大于經(jīng)過濕式拋丸除鱗鋼板，該現(xiàn)象說明當(dāng)拋射的介質(zhì)由單一鋼丸變?yōu)樗弯撏璧幕旌衔飼r，水主要產(chǎn)生了兩方面的作用：1)產(chǎn)生的“水楔”作用會加速剝離鋼板表面的氧化鐵皮；2)水與鋼丸的結(jié)合會增大除鱗介質(zhì)與鋼板表面的接觸面積，從而一定程度上降低了鋼板基體的局部壓力。因此經(jīng)過濕式拋丸除鱗后的鋼板表面殘余應(yīng)力要小于干式拋丸，濕式拋丸除鱗后鋼板表面質(zhì)量優(yōu)于干式拋丸。

3.2 濕式拋丸除鱗的殘余應(yīng)力影響

水與鋼丸混合經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪后，獲得很大動能并高速沖擊鋼板表面，因此在除鱗過程中一定程度上會引入殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力作用于鋼板基體裂紋兩側(cè)時，可以使裂紋閉合并阻止裂紋的擴(kuò)張，這有助于鋼板表面的強(qiáng)化作用。當(dāng)殘余壓應(yīng)力超過鋼板的屈服極限時，會使鋼板產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而影響鋼板的質(zhì)量。因此，為了滿足后續(xù)加工的要求，要避免鋼板發(fā)生塑性變形即盡量減小鋼板表面的殘余壓應(yīng)力。

在濕式拋丸除鱗過程中，有很多因素會影響鋼板表面的殘余壓應(yīng)力，其中拋射距離、拋射時間和鋼丸粒徑對殘余壓應(yīng)力的影響尤為重要。

3.2.1 拋射距離的影響

選取鋼丸粒徑為1.0mm，拋射距離分別為380mm、340mm、300mm，其余參數(shù)設(shè)置見表1。在鋼板長度方向選取25個點(diǎn)，寬度方向選取10個點(diǎn)進(jìn)行殘余壓應(yīng)力測量，如圖4所示。

從圖4可以看出，除鱗之前鋼板的殘余應(yīng)力范圍在50～100MPa之間。除鱗后鋼板沿長度方向和寬度方向的殘余壓應(yīng)力都發(fā)生了明顯變化，殘余壓應(yīng)力范圍在100～250MPa之間，說明鋼板在除鱗過程中受到了很大的壓應(yīng)力。隨著拋丸器到鋼板表面的距離的不斷減小，殘余應(yīng)力逐漸變大。這是由于隨著拋射距離增大，水與鋼丸的速度會急劇衰減，動能也急劇減小，因此對鋼板的沖擊力也逐漸減小。由圖4(b)可知，在鋼板長度方向殘余應(yīng)力隨著橫坐標(biāo)的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且在拋丸器出口正下方達(dá)到了最大值，但從4(c)可以看出，殘余壓應(yīng)力在鋼板寬度方向沒有明顯的變化趨勢，幾乎保持在一條水平線上。這是由于25點(diǎn)處為拋丸器出口正下方，拋射距離較近，而在0點(diǎn)除，距離拋射器出口最遠(yuǎn)，所以沖擊力最小，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力最小。

圖4 不同拋射距離沿鋼板各方向的表面殘余壓應(yīng)力分布

3.2.2 拋射時間的影響

選取的鋼丸粒徑1.0mm，拋射時間分別為20s、30s、40s，其余參數(shù)設(shè)置見表1。在鋼板長度方向選取25個點(diǎn)，寬度方向選取10個點(diǎn)進(jìn)行殘余壓應(yīng)力測量，如圖5所示。

由圖5可知，在長度方向和寬度方向，鋼板表面的殘余應(yīng)力均隨著拋丸時間的增加逐漸增大，這是由于隨著拋射時間的增加，鋼板表面的拋丸量和拋丸次數(shù)逐漸增大，除鱗區(qū)域所受的打擊次數(shù)也增加，因此鋼板的殘余應(yīng)力會逐漸增大。同時，殘余應(yīng)力在鋼板長度方向隨著橫坐標(biāo)的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，即隨著距拋丸器出口距離的減小而增加，在拋丸器出口處正下方殘余壓應(yīng)力值達(dá)到最大。但鋼板在寬度方向，殘余應(yīng)力并沒有隨著橫坐標(biāo)的增加而變化。綜合考慮除鱗效率和鋼板表面質(zhì)量，則本工況實驗中針對Q235鋼選取的最佳拋射時間為20s。

圖5 不同拋射時間沿鋼板各方向的表面殘余壓應(yīng)力分布

3.2.3 鋼丸粒徑的影響

實驗選取的鋼丸粒徑分別1.0mm、1.2mm、1.4mm，其余參數(shù)設(shè)置見表1。在鋼板長度方向選取25個點(diǎn)，寬度方向選取10個點(diǎn)進(jìn)行殘余壓應(yīng)力測量，如圖6所示。

從圖6可以看出，除鱗之后在鋼板的長度方向和寬度方向，表面殘余應(yīng)力都發(fā)生了明顯變化，殘余應(yīng)力值范圍在100～250MPa之間。從圖6(a)可知，在長度方向鋼板表面的殘余壓應(yīng)力隨著鋼丸粒徑的增加而增大，這是由于鋼丸粒徑越大則其所攜帶的動能也越大，單位時間內(nèi)鋼板承受的壓力就越大，從而導(dǎo)致鋼板表面的殘余應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)鋼丸粒徑從1.0mm增大到1.2mm時，鋼板表面殘余壓應(yīng)力增幅較小，當(dāng)繼續(xù)增大到1.4mm時，鋼板表面殘余壓應(yīng)力有明顯增大。因此在滿足除鱗效果的情況下，可以選用較小的鋼丸粒徑來降低鋼板表面殘余壓應(yīng)力，從而提高鋼板表面質(zhì)量，以滿足后續(xù)加工條件。

圖6 不同鋼丸粒徑沿鋼板各方向的表面殘余壓應(yīng)力分布

4 結(jié)論

通過比較式拋丸和濕式拋丸兩種方式的除鱗效果，得出以下結(jié)論：

(1)對除鱗前后的鋼板表面進(jìn)行能譜分析，除鱗前鋼板表面有氧化鐵皮，氧含量為30%左右，除鱗后鋼板表面氧含量可降低到2%～4%，兩種方式均能有效去除鋼板表面氧化鐵皮。

(2)濕式拋丸比干式拋丸除鱗后鋼板表面殘余應(yīng)力值小，鋼板表面質(zhì)量較高。

(3)在濕式拋丸除鱗中，在保證除鱗效果的前提下，通過增大拋射距離、縮短拋射時間、減小鋼丸粒徑可以有效降低鋼板表面殘余應(yīng)力。