郭瑞 ，周存龍 ，劉旭東 ，王 強(qiáng)

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山西 太原 030024)

0 前言

Q235鋼具有良好的韌性和強(qiáng)度，在建筑、橋梁和船舶等工業(yè)領(lǐng)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(guī)模除鱗主要采用傳統(tǒng)的酸洗方式，由于酸洗過程產(chǎn)生的廢酸和酸霧會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響，尋求一種新型環(huán)保型除鱗技術(shù)已經(jīng)稱為不可忽視的問題[2-3]。磨料射流技術(shù)利用高速運(yùn)動(dòng)的磨料顆粒對(duì)金屬表面進(jìn)行沖蝕，以水作為攜帶固體顆粒的介質(zhì)，是一種綠色無污染的除鱗新技術(shù)[ 4]，目前已有研究機(jī)構(gòu)對(duì)除鱗新技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]。

磨料射流加工過程中涉及的參數(shù)包括工藝參數(shù)、噴嘴參數(shù)以及磨料參數(shù)，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)磨料水射流工藝參數(shù)與加工效果進(jìn)行了相關(guān)研究。梁博健[7]等人對(duì)通過仿真分析和正交試驗(yàn)，對(duì)噴嘴各結(jié)構(gòu)參數(shù)性能影響的顯著性及重要性次序進(jìn)行了分析。Chen R[8]等人采用分子動(dòng)力學(xué)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(duì)射流流場(chǎng)的影響以及對(duì)沖蝕損傷程度的影響，還需要研究磨料參數(shù)對(duì)除鱗后鋼板表面質(zhì)量的影響。研究顯示采用磨料射流技術(shù)可以將熱軋帶鋼表面的氧化鐵皮完全去除5，本文僅針對(duì)磨料參數(shù)對(duì)除鱗后板材表面的質(zhì)量影響進(jìn)行研究，為合理設(shè)置磨料參數(shù)以獲得所需要的鋼板表面質(zhì)量提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備與樣本準(zhǔn)備

本文所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為數(shù)控高壓水切割機(jī)，設(shè)備參數(shù)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(jī)加工為100mm×50mm×3mm大小。試樣固定在自制的夾持裝置上，通過調(diào)節(jié)高壓水切割機(jī)x、y、z方向的主軸速度和位置實(shí)現(xiàn)加工高度和水平進(jìn)給速度的設(shè)置。

表1 磨料水射流發(fā)生裝置的主要性能參數(shù)

1.2 磨料和實(shí)驗(yàn)參數(shù)水平設(shè)置

為研究磨料種類對(duì)鋼板表面質(zhì)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(jìn)行研究對(duì)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(guī)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(xué)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(xué)成份見表4。本文磨料水射流參數(shù)包括磨料種類和磨料粒徑，參數(shù)水平設(shè)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(xué)成分

表3 棕剛玉的化學(xué)成分

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和水平設(shè)置

2 結(jié)果和討論

2.1 磨料種類對(duì)加工能力的影響

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

利用多功能摩擦磨損測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)后的鋼板進(jìn)行測(cè)量，圖2為采用石榴石和棕剛玉對(duì)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(dòng)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(cè)-1 000 μm到1 000 μm之間的區(qū)域。從圖2可以看出，相同條件下采用石榴石時(shí)射流中心的最大材料去除深度為40 μm，采用棕剛玉時(shí)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(qiáng)。

圖2 不同磨料種類下板材橫截面輪廓圖

為了進(jìn)一步分析兩種材料的去除能力，設(shè)置噴射角度60°和90°對(duì)鋼板表面進(jìn)行靜止加工，其他參數(shù)不變。保持噴嘴主軸靜止不動(dòng)持續(xù)對(duì)板材表面噴射3 s，使得加工區(qū)域與未加工區(qū)域形成明顯界限。實(shí)驗(yàn)后測(cè)量鋼板表面的靜態(tài)加工寬度和長(zhǎng)度，如圖3所示。結(jié)果顯示兩種噴射角度下，石榴石的材料去除寬度和長(zhǎng)度均大于棕剛玉，且在噴射角度為60°時(shí)更為明顯。

圖3 不同種類磨料的靜態(tài)加工寬度和長(zhǎng)度

分析兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，石榴石的加工深度、加工寬度和長(zhǎng)度均大于棕剛玉。同時(shí)在兩次實(shí)驗(yàn)過程中均觀察到石榴石與鋼板表面作用形成火花并發(fā)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(gòu)時(shí)間較早，放置條件引起風(fēng)化導(dǎo)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(duì)鋼板表面質(zhì)量的影響

磨料對(duì)材料的去除模型可認(rèn)為是單顆磨料粒對(duì)板材表面作用的疊加。單顆磨料的大小會(huì)直接影響其對(duì)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(duì)磨料粒子的加速作用以及流場(chǎng)對(duì)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(huì)對(duì)鋼板加工表面產(chǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)進(jìn)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(shù)量增多，但劃痕寬度明顯減小。磨料粒徑為60目時(shí)，沖擊過的鋼板表面有很多較長(zhǎng)較寬的劃痕，而在磨料粒徑為120目時(shí)很難找到較長(zhǎng)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(tǒng)計(jì)每個(gè)觀察區(qū)域下劃痕的數(shù)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(shù)量增加，劃痕寬度明顯減小。60目時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)能較大，所以當(dāng)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(duì)鋼板表面產(chǎn)生的劃痕較寬；同時(shí)動(dòng)能較大的顆粒需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能停止，所以劃痕長(zhǎng)度較長(zhǎng)；當(dāng)磨料體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，磨料粒徑越大，磨料射流中包含的磨料數(shù)量就越少，則在鋼板表面產(chǎn)生的劃痕數(shù)量就越少。因此，通過改變磨料粒徑大小，可以調(diào)節(jié)鋼板表面質(zhì)量。

表5 不同磨料粒徑下的劃痕數(shù)量和寬度

2.2.2 磨料粒徑對(duì)加工輪廓的影響

為分析磨料粒徑對(duì)磨料射流加工寬度和長(zhǎng)度的影響，保持噴嘴主軸不動(dòng)對(duì)鋼板表面進(jìn)行靜態(tài)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(tài)沖擊下不同粒徑對(duì)鋼板表面沖蝕輪廓的影響。

圖6 靜態(tài)沖擊下不同磨粒粒徑?jīng)_擊時(shí)的鋼板表面輪廓

圖7 靜態(tài)沖擊下不同磨料粒徑時(shí)的沖擊長(zhǎng)度與寬度

經(jīng)過對(duì)圖6中鋼板表面去除部分的輪廓長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量得到圖7。由圖7可以看出磨料粒徑為200目時(shí)，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(huì)在靶件表面形成一個(gè)壓力很大而速度為零的靜壓區(qū)，當(dāng)磨料穿過該靜壓區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且磨料粒徑越小偏轉(zhuǎn)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(duì)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(zhǎng)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(jié)論

本文針對(duì)磨料參數(shù)對(duì)除鱗后板材表面的質(zhì)量影響進(jìn)行了研究，對(duì)磨料種類和磨料粒徑分別進(jìn)行宏觀和微觀分析，結(jié)果表明：

(1)通過宏觀測(cè)量與分析，得到石榴石對(duì)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(qiáng)，其中硬度其主導(dǎo)作用；

(2)通過微觀分析得到，磨料粒徑越小，鋼板表面劃痕數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度，鋼板表面粗糙度越光滑；通過宏觀測(cè)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。