造船行业常用抛喷丸金属磨料研究

　　造船行业是金属磨料的消耗大户，船体分段、板材、管材等工件或材料的表面清理主要通过喷砂工艺完成。被处理后的母材表面质量要求满足PSPC标准(全称：performance standard of protective coatings，所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准)。到目前为止，喷砂工艺仍是船舶建造过程中不可替代的工序，在关于如何改进喷砂工艺的研究中，用于喷砂的磨料也是大家关注的焦点。

　　这些磨料有哪些特性？这些特性是否适合在船厂的作业特点？适合船厂使用的磨料中，哪一种清理效率更高、更能节约成本？有没有新型磨料可以替换掉现有磨料？这些问题是行业内专家关注的问题，也是中船新材料公司正在进行的研究课题。

　　中船新材料公司的主要研究方向是抛喷丸领域中主流金属磨料的特性，这些特性对抛喷丸效率和表面处理质量的影响，并根据造船行业的特殊性研发性价比更高的磨料磨具产品。

一、船厂常用的金属磨料及其因生产工艺不同产生的特性

　　目前国内船厂在用并常用的金属磨料主要有弹簧钢丝切丸、铸钢丸(砂)、旧钢丝切丸(旧轮胎丝切丸、钢丝绳切丸、钢绞线切丸)等几大类。

　　其中，旧钢丝切丸使用量最少。这种切丸主要采用回收的旧钢丝制作，钢丝的抗拉强度和硬度都无法像新钢丝一样进行定制，收购的旧钢丝来源五花八门，钢丝的品质无法保证。

　　铸钢丸使用量较多，这种钢丸主要采用离心雾化工艺成丸。生产中将废钢熔炼成钢水后，依靠离心力从离心砖的缝隙甩出雾化成丸，落入离心池的水中冷却凝固得到铸钢丸。将铸钢丸经过粉碎后，即为铸钢砂。钢水雾化时，温度较高，会混入氧气、二氧化碳等，发生碳析反应，在铸钢丸的心部形成缩孔或疏松等缺陷，这些缺陷会严重影响铸钢丸的性能。直接表现就是铸钢丸在使用中存在表面碳化，脆性高，易破碎，粉尘大，循环使用寿命短。

　　弹簧钢丝切丸是近几年为了替代铸钢丸出现的新型产品，中船新材料公司研发生产的新型强化钢丸属于此类钢丸的一种。原材料是直径为6mm的高品质碳素弹簧钢盘条，经过酸洗磷化、多道拉拔、多次热处理，从而达到要求的钢丝直径、抗拉强度和硬度，再经过数控裁切处理成与钢丝直径相等的切段。最后再通过钝化、圆化获得不同圆度的磨料。这种磨料不存在气孔，所以结构更致密，使用中不存在破碎现象，只会越磨越小，循环使用寿命长。

二、磨料特性及该特性对表面处理质量和抛喷丸效率的影响

(一)硬度差异对表面处理质量和抛喷丸效率的影响进行分析

1、硬度对表面处理质量的影响：

　　在选择磨料时，硬度是应该首先被确定下来的指标。然而有的船厂在磨料选择时不太关注磨料的硬度，这和船厂喷砂检验环节的检测方法和检测仪器有关。通常喷砂结束后，质检员对喷砂效果进行检查，使用粗糙度测试仪对母材表面粗糙度进行检测，其他指标大多采用目测。这种检查方式对于因硬度过高引起的母材表面损伤很难检测出来，而这些损伤的裂纹产生的拉应力将使板材的疲劳强度降低，随之也会影响结构的使用寿命。同时，过高的磨料硬度还会带来喷砂设备配件的过高损耗。

2、硬度对喷丸效率的影响：

　　硬度过高，图1 a)磨料打到工件表面上易破裂，并吸收能量，降低冲击功，粉尘量大；硬度太低时，如图1 b)磨料受冲击时易变形，自身变形吸收了冲击能量，降低冲击功，清理效果不理想。

　　图2 c)表示硬度适中反弹性好，起二次冲击作用，清理、强化效果好。

　　结论：弹簧钢丝切丸、铸钢丸(砂)都可以根据母材硬度定制磨料硬度，船厂在采购时，应该明确磨料的硬度，这样可以保证工件的清理及表面强化效果。但旧钢丝切丸(旧轮胎丝切丸、钢丝绳切丸、钢绞线切丸)是利用使用过的钢丝或者热处理失败的钢丝制作的，可以说硬度不一致、无法控制是旧钢丝切丸的致命缺陷，无论是从处理效率，还是表面处理质量方面考虑，旧钢丝切丸都不适合在船厂使用。

(二)形状差异对表面处理质量和喷丸效率的影响进行分析

1、磨料形状对表面处理质量的影响：

磨料的形状各不相同，有角状、块状、半圆状、球状、圆柱状等，有锐边的磨料在清除母材上附着的污物、焊疤、锈蚀时，处理效率最高，但母材表面的粗糙度会过大，浪费油漆；半圆、球状的磨料则能够修复锐边的磨料造成的弹坑，将粗糙度值降低至PSPC要求的区间，满足涂料的附着要求。所以现场使用时，常将尖锐的磨料和球状磨料混合在一起使用。

2、形状对喷丸效率的影响：

　　图3是船厂常用的直筒型喷嘴，船厂喷砂间的工作原理主要是通过压缩空气驱动磨料以一定的速度通过喷嘴喷至母材表面，达到清理和强化的效果。当出口压力相同、喷嘴形状相同、喷嘴大小相同、磨料尺寸相同的情况下，切段和带棱角的介质比圆形介质效率比较高。但如果尖锐形状的磨料居多或者磨料形状不规则，磨料与磨料间的摩擦阻力就会增大，反而使磨料的喷出速度下降，单颗磨料的动能下降，从而导致喷砂效率降低。所以现场使用时，常将尖锐的磨料和球状磨料混合在一起使用，球状的磨料就像润滑剂，保证了单颗磨料的动能。

　　结论：因旧钢丝切丸采用回收钢丝制作，长径比较大，直线度差，所以摩擦阻力最大。有些船厂单方面追求较低的采购单价，就选用这种磨料，结果喷嘴总出现卡住的情况，影响喷砂效率。铸钢丸因为易破碎，破碎后的粉末给砂间的除尘设备带来很大压力，增加了滤筒的更换频次，增加了成本。弹簧钢丝切丸的棱角和铸钢丸破碎产生的不规则体都能提高清理效率，但是弹簧钢丝切丸的棱角更加锋利，并且耐磨，所以清理效率更高。

(三)尺寸差异对表面处理质量和喷丸效率的影响进行分析

1、磨料尺寸对表面质量的影响：

　　主要是对钢板表面粗糙度的影响，在喷嘴出口压力足够的情况下，弹丸直径越大，动能越大，冲击的弹痕深度越大，粗糙度越高；反之，粗糙度变低。所以，为了达到PSPC标准，船厂一般选用0.6-1.2mm直径的磨料即可。并且将这些磨料按照一定比例配比后使用，粗糙度更好。

2、尺寸对喷丸效率的影响：

　　主要体现在喷丸覆盖率上，喷丸覆盖率是指喷丸强化后母材表面弹痕所占面积与总面积的百分比。通常情况下，金属表面喷丸覆盖率应达到或超过100%，才能算达到饱和状态。磨料的直径是影响覆盖率的主要因素之一。在相同的弹丸流量下，小直径弹丸分布密度大，能够较快地达到覆盖率要求。

　　当出口压力、喷嘴形状和喷嘴大小均相同的情况下，弹丸直径大，流量就小；反之，流量则大。所以，选择合适的磨料直径，可以较快达到要求的覆盖率。这也是配比使用磨料的一个原因。

　　当然，除以上因素外，磨料的比重、化学成分，包括喷射角度、喷射距离也会对母材表面处理质量和处理效率带来影响。一套完整的喷丸工艺，应该包括磨料直径、磨料硬度、磨料速度、磨料流量、喷射角度和喷嘴到工件的距离等参数，调整这些参数可以得到满足PSPC标准要求的表面处理质量和处理效率。目前，中船新材料公司正在通过有限元模拟这些参数下，模拟固体颗粒在气流管中的运动状态，这将更贴合船厂的使用现状。相信不久的将来，当了解了一家船厂的现场施工工况，直接在模型中输入各项参数，就能得到适合该船厂的磨料及磨料配比。

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