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(jì)理論與技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 山西太原 030024)

1 前言

金屬在熱軋過程中會(huì)形成致密的氧化鐵皮，俗稱“鱗皮”。氧化鐵皮的存在會(huì)影響后續(xù)的工藝加工，以冷軋為例，鱗皮的存在會(huì)在冷軋制時(shí)損傷軋輥，同時(shí)脫落的鱗皮顆粒會(huì)在軋制時(shí)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(huì)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(shí)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(duì)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(yàn)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(jìng)爭(zhēng)中處于被動(dòng)。

因此，需要進(jìn)一步研究分析拋丸技術(shù)對(duì)鋼板表面的沖蝕機(jī)理，并進(jìn)行拋漿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)力。

2 材料與方法

本文中的拋丸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)后，及時(shí)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(duì)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(cè)試儀對(duì)除鱗前后鋼板表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)除鱗前后的鋼板表面形貌進(jìn)行了觀察，對(duì)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(zhǎng)度方向均勻選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行氧含量進(jìn)行能譜分析，實(shí)驗(yàn)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(cè)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?zèng)_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(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷，由于濕式拋丸方式中，水會(huì)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(shí)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(huì)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(duì)鋼板表面殘余應(yīng)力的影響，采用IXRD殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)鋼板表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)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(dòng)能，對(duì)鋼板產(chǎn)生很大的沖擊，從而引入了殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，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(shí)，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(shí)，水主要產(chǎn)生了兩方面的作用：1)產(chǎn)生的“水楔”作用會(huì)加速剝離鋼板表面的氧化鐵皮；2)水與鋼丸的結(jié)合會(huì)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?jī)?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(dòng)能并高速?zèng)_擊鋼板表面，因此在除鱗過程中一定程度上會(huì)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(shí)，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(shí)，會(huì)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(huì)影響鋼板表面的殘余壓應(yīng)力，其中拋射距離、拋射時(shí)間和鋼丸粒徑對(duì)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(zhǎng)度方向選取25個(gè)點(diǎn)，寬度方向選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行殘余壓應(yīng)力測(cè)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(zhǎng)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(huì)急劇衰減，動(dòng)能也急劇減小，因此對(duì)鋼板的沖擊力也逐漸減小。由圖4(b)可知，在鋼板長(zhǎng)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(shì)，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(shì)，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(shí)間的影響

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

由圖5可知，在長(zhǎng)度方向和寬度方向，鋼板表面的殘余應(yīng)力均隨著拋丸時(shí)間的增加逐漸增大，這是由于隨著拋射時(shí)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(huì)逐漸增大。同時(shí)，殘余應(yīng)力在鋼板長(zhǎng)度方向隨著橫坐標(biāo)的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，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(shí)驗(yàn)中針對(duì)Q235鋼選取的最佳拋射時(shí)間為20s。

圖5 不同拋射時(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度方向選取25個(gè)點(diǎn)，寬度方向選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行殘余壓應(yīng)力測(cè)量，如圖6所示。

從圖6可以看出，除鱗之后在鋼板的長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)能也越大，單位時(shí)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)間、減小鋼丸粒徑可以有效降低鋼板表面殘余應(yīng)力。