磨料種類和粒徑對鋼板表面的形貌影響

郭瑞 ，周存龍 ，劉旭東 ，王 強

(1.太原科技大學 交通與物流學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學 山西省冶金設備設計理論與技術省部共建國家重點實驗室培育基地，山西 太原 030024)

0 前言

Q235鋼具有良好的韌性和強度，在建筑、橋梁和船舶等工業領域被廣泛使用。熱軋Q235鋼表面有一層致密的氧化鐵皮需要在冷軋前去除掉，該過程稱為除鱗[1]。目前大規模除鱗主要采用傳統的酸洗方式，由于酸洗過程產生的廢酸和酸霧會對環境造成不利影響，尋求一種新型環保型除鱗技術已經稱為不可忽視的問題[2-3]。磨料射流技術利用高速運動的磨料顆粒對金屬表面進行沖蝕，以水作為攜帶固體顆粒的介質，是一種綠色無污染的除鱗新技術[ 4]，目前已有研究機構對除鱗新技術進行了相關研究[5-6]。

磨料射流加工過程中涉及的參數包括工藝參數、噴嘴參數以及磨料參數，國內外許多專家學者已經對磨料水射流工藝參數與加工效果進行了相關研究。梁博健[7]等人對通過仿真分析和正交試驗，對噴嘴各結構參數性能影響的顯著性及重要性次序進行了分析。Chen R[8]等人采用分子動力學模擬方法研究磨料水射流沖擊單晶硅基體的過程，分析了噴射距離對射流流場的影響以及對沖蝕損傷程度的影響，還需要研究磨料參數對除鱗后鋼板表面質量的影響。研究顯示采用磨料射流技術可以將熱軋帶鋼表面的氧化鐵皮完全去除5，本文僅針對磨料參數對除鱗后板材表面的質量影響進行研究，為合理設置磨料參數以獲得所需要的鋼板表面質量提供指導。

1 材料和方法

1.1 設備與樣本準備

本文所采用的實驗設備為數控高壓水切割機，設備參數性能如表1所示。所用試樣為Q235熱軋鋼板，密度為7.9 g/cm3，維氏硬度為400 kg/mm2，將樣本用線切割機加工為100mm×50mm×3mm大小。試樣固定在自制的夾持裝置上，通過調節高壓水切割機x、y、z方向的主軸速度和位置實現加工高度和水平進給速度的設置。

表1 磨料水射流發生裝置的主要性能參數

1.2 磨料和實驗參數水平設置

為研究磨料種類對鋼板表面質量的影響，選用磨料水射流加工中常用的兩種磨料石榴石和棕剛玉進行研究對比。圖1所示為兩種不同種類磨料的三維微觀形貌，兩種磨料都為顆粒狀且具有不規則棱角。石榴石密度為3.4～4.3 g/cm3，維氏硬度為1 300 kg/mm2，化學成份見表3；棕剛玉密度為3.9 g/cm3，維氏硬度為1800～2000 kg/mm2，化學成份見表4。本文磨料水射流參數包括磨料種類和磨料粒徑，參數水平設置如表4所示。

圖1 磨料的三維微觀形貌

表2 石榴石的化學成分

表3 棕剛玉的化學成分

表4 實驗參數和水平設置

2 結果和討論

2.1 磨料種類對加工能力的影響

在磨料水射流加工過程中，利用磨料對工件的沖蝕磨損作用進行材料去除。磨料的種類不同，其化學成分有所不同，物理性質也有很大的差異，因此對工件表面的沖蝕效果也不盡相同。

利用多功能摩擦磨損測試儀對實驗后的鋼板進行測量，圖2為采用石榴石和棕剛玉對鋼板加工后鋼板表面的橫截面輪廓圖。其中中噴射距離50 mm，噴射壓力76 MPa，噴射角度90°，磨料粒徑80目(178 μm)，噴嘴主軸移動速度為1 000 mm/min。射流中心一般為噴嘴直徑的2～3倍，本文選取距離射流中心兩側-1 000 μm到1 000 μm之間的區域。從圖2可以看出，相同條件下采用石榴石時射流中心的最大材料去除深度為40 μm，采用棕剛玉時射流中心的最大材料去除深度為30 μm，石榴石去除材料的能力比棕剛玉強。

圖2 不同磨料種類下板材橫截面輪廓圖

為了進一步分析兩種材料的去除能力，設置噴射角度60°和90°對鋼板表面進行靜止加工，其他參數不變。保持噴嘴主軸靜止不動持續對板材表面噴射3 s，使得加工區域與未加工區域形成明顯界限。實驗后測量鋼板表面的靜態加工寬度和長度，如圖3所示。結果顯示兩種噴射角度下，石榴石的材料去除寬度和長度均大于棕剛玉，且在噴射角度為60°時更為明顯。

圖3 不同種類磨料的靜態加工寬度和長度

分析兩次實驗結果，石榴石的加工深度、加工寬度和長度均大于棕剛玉。同時在兩次實驗過程中均觀察到石榴石與鋼板表面作用形成火花并發出"次次"的聲音，而棕剛玉在磨料射流噴射去除材料的過程中的聲音較綿。分析其主要原因，雖然石榴石和棕剛玉本身的密度和硬度相差不大，但是棕剛玉的采購時間較早，放置條件引起風化導致棕剛玉硬度降低，使得石榴石的材料去除能力大于棕剛玉。

2.2 磨料粒徑對鋼板表面質量的影響

磨料對材料的去除模型可認為是單顆磨料粒對板材表面作用的疊加。單顆磨料的大小會直接影響其對鋼板表面的沖蝕影響。在磨料射流中，磨料粒子的大小將直接影響水射流對磨料粒子的加速作用以及流場對磨料粒子的作用力，從而影響磨料在射流中的分布情況[9]，因此磨料大小的不同會對鋼板加工表面產生影響。圖4為三種不同粒徑的石榴石微觀形貌。

圖4 不同粒徑的石榴石微觀形貌

2.2.1 磨料粒徑對鋼板表面微觀形貌的影響

圖5所示為采用磨料大小為60目、80目、120目的石榴石對Q235鋼板加工后的表面微觀形貌，其中噴射距離50 mm，噴射壓力76 MPa，噴嘴移動進給速度1 000 mm/min，噴射角度為30°。

由圖5可以看出，鋼板表面劃痕密集排布，劃痕的方向基本相同。隨著磨料顆粒的減小，板材表面的劃痕數量增多，但劃痕寬度明顯減小。磨料粒徑為60目時，沖擊過的鋼板表面有很多較長較寬的劃痕，而在磨料粒徑為120目時很難找到較長較寬的劃痕。

圖5 超景深顯微下不同磨料粒徑加工的鋼板表面微觀形貌

統計每個觀察區域下劃痕的數量和寬度，如表5所示。從表5中可以看到，隨著磨料顆粒的減小，相同面積上劃痕數量增加，劃痕寬度明顯減小。60目時劃痕寬度分布比較廣，劃痕寬度范圍為4 μm到28 μm，但主要集中在4 μm到20 μm之間，最大劃痕寬度為26 μm。80目時劃痕寬度主要分布在4 μm到12 μm之間，最大劃痕寬度為15.8 μm。120目時劃痕寬度整體較窄，主要較集中在1 μm到8 μm之間，最大劃痕寬度為7.7 μm。

由于較大粒徑的磨料顆粒所攜帶的動能較大，所以當磨料顆粒撞擊鋼板后，一方面由于顆粒壓入鋼板的部分增大，另一方面由于顆粒本身的寬度較寬，所以大顆粒對鋼板表面產生的劃痕較寬；同時動能較大的顆粒需要較長的時間才能停止，所以劃痕長度較長；當磨料體積分數相同時，磨料粒徑越大，磨料射流中包含的磨料數量就越少，則在鋼板表面產生的劃痕數量就越少。因此，通過改變磨料粒徑大小，可以調節鋼板表面質量。

表5 不同磨料粒徑下的劃痕數量和寬度

2.2.2 磨料粒徑對加工輪廓的影響

為分析磨料粒徑對磨料射流加工寬度和長度的影響，保持噴嘴主軸不動對鋼板表面進行靜態沖擊3 s。采用磨料粒徑60目、80目、120目、200目的石榴石，其中噴射距離50 mm，噴射壓力76 MPa，磨料濃度為20%，噴射角度為60°和90°。圖6所示磨料射流在靜態沖擊下不同粒徑對鋼板表面沖蝕輪廓的影響。

圖6 靜態沖擊下不同磨粒粒徑沖擊時的鋼板表面輪廓

圖7 靜態沖擊下不同磨料粒徑時的沖擊長度與寬度

經過對圖6中鋼板表面去除部分的輪廓長度和寬度進行測量得到圖7。由圖7可以看出磨料粒徑為200目時，鋼板表面材料的去除范圍最大，并且隨著磨料粒徑的減小，材料的去除寬度逐漸增大。這是由于磨料射流加工過程中，會在靶件表面形成一個壓力很大而速度為零的靜壓區，當磨料穿過該靜壓區時會發生偏轉，且磨料粒徑越小偏轉距離越大，距離射流中心的距離就越大。所以磨料粒徑越小，對鋼板表面加工的寬度范圍就越大。

因此，在磨料射流加工中，磨料粒徑越小，鋼板表面的劃痕寬度和長度越小，表面粗糙度越光滑；磨料粒徑越小，鋼板表面的加工范圍越大。

3 結論

本文針對磨料參數對除鱗后板材表面的質量影響進行了研究，對磨料種類和磨料粒徑分別進行宏觀和微觀分析，結果表明：

(1)通過宏觀測量與分析，得到石榴石對鋼板表面的加工深度和加工寬度均比棕剛玉大，石榴石的加工能力比棕剛玉強，其中硬度其主導作用；

(2)通過微觀分析得到，磨料粒徑越小，鋼板表面劃痕數量、寬度和長度，鋼板表面粗糙度越光滑；通過宏觀測量分析得到，磨料粒徑越小，鋼板表面的加工范圍越大，加工效率就越高。