喷砂(丸)工艺在不锈钢表面处理方面的应用

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摘要：不锈钢被广泛的应用于社会经济建设的众多方面，例如食品机 械、化工行业、家电行业、机电行业等，而不锈钢表面处理技术在很大程度上决定着不锈钢的发展前景。本文主要从不锈钢的几种表面加工工艺分析着手，并介绍了喷砂(丸)设备的工作原理、应用范围以及特性，着重的探讨喷砂(丸)工艺在不锈钢表面处理方面的应用。

关键词：不锈钢；表面处理；喷砂(丸)处理工艺；应用

中图分类号：TF764文献标识码： A

一、绪论

不锈钢所具有的多种表面加工拓宽了它的应用领域。不同的表面加工使不锈钢表面各异，使其在应用中各具独到之处。在建筑应用领域，不锈钢的表面加工之所以重要是有许多原因的。腐蚀环境要求光滑的表面是因为光滑的表面不容易积垢。污垢的沉积会使不锈钢生锈甚至造成腐蚀。在宽敞的大厅中，不锈钢是电梯装饰板最常用的材料，表面的手印虽然可以擦掉，但影响美观，所以最好选用合适的表面效果以防止留下手印。卫生条件对许多行业是很重要的，例如，食品加工、餐饮、酿造和化工等，在这些应用领域，表面必须便于每天清洗，而且经常要用化学清洗剂。不锈钢是这方面的最佳材料，在公共场所，不锈钢的表面经常会被胡写乱画，但是，它的一个重要特性是可以将它们清洗掉，这是不锈钢优于铝的一个显著特点。铝的表面容易留下痕迹，往往很难去掉。清理不锈钢表面时应顺着不锈钢的纹路清理，因为有些表面加工的纹路是单向性的。不锈钢最适用于医院或其它卫生条件至关重要的领域，如：食品加工、餐饮、酿造和化工，这不仅是因为它便于每天清洗，有时还要使用化学清洗剂，而且还因为它不易滋生细菌。试验表明不锈钢在这方面的性能与玻璃和陶瓷相同。

二、不锈钢表面处理方法

根据不同的应用，常用的表面处理方法有以下几种：

2.1表面抛光处理

根据不锈钢产品的复杂程度和用户要求的不同，可分别采用机械抛光、化学抛光、电化抛光等方法来达到镜面光泽。下面分别介绍这三种方法优缺点供大家参考选用；

表1 几种不锈钢表面抛光的对比

项目 方法优点缺点 适用产品

机械抛光

优点：光整平性好；

缺点：劳动强度大，污染严重，复杂件难加工，加工后光泽度下降；整个产品光泽达不到一致； 投资及成本较高，简单工件，中，小产品；例如板类不锈钢产品；

化学抛光

优点：投资少，复杂件能抛，效率高；

缺点：光亮度不足，抛光液有气体溢出，需要外部除尘设备； 复杂或者光亮度要求不高的产品，小批量加工较合算；

电化学抛光 优点：镜面光泽，长期保持，工艺稳定，污染少，成本低，防污染性好。

缺点：一次性投资大，复杂件要装工装，辅助电极。 适用于要求长时间保持镜面光亮的产品。

2.2表面着色处理

不锈钢着色不仅赋予不锈钢制品各种颜色，增加产品的花色品种，而且提高了产品耐磨性。不锈钢着色方法有如下几种：

2.2.1真空镀膜法

就是将不锈钢工件放在真空镀膜机中进行真空蒸发镀膜。

2.2.2高温氧化法

在特定的熔盐中，浸入工件保持在一定的工艺范围，使工件形成一定厚度氧化膜，而呈现出各种不同色泽。

2.2.3化学氧化法

在特定溶液中，通过化学氧化形成膜的颜色，不过要能保证一批产品色泽一致的话，必须用化学试剂参数比来控制，并对环境存在一定的污染。

2.2.4电化学氧化法

在特定电解槽溶液中，通过直流电，在不锈钢表面上形成膜的颜色。

2.3表面本色处理方法

不锈钢在加工过程中，经过卷板、扎边、焊接或者表面热处理，产生灰黑色氧化皮。这种坚硬的灰黑色氧化皮主要是NICR2O4和NIF二种EO4成分，以前一般采用氢氟酸和硝酸进行强腐蚀方法去除。但这种方法成本大，污染环境，对人体有害。腐蚀较大，逐渐被淘汰。目前对这种氧化皮处理方法有二种，分别是采用化学方法和采用喷（丸）砂方法。

2.3.1化学方法

即使用一种无污染酸洗钝化膏和常温无毒害的带有无机添加剂的清洗液进行浸洗。从而达到不锈钢本色的白化处理之目的。基本上看上去是一目光的色泽。这种方法对大型、复杂产品较适用；

2.3.2喷（丸）砂方法

喷砂(丸)是采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将喷料等高速喷射到需处理工件表面，使工件外表面的外表发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，并能形成表面亚光效果。喷砂(丸)主要作为喷涂和镀膜的前处理工艺，使不锈钢表面耐腐蚀性、耐磨性比普通不锈钢强，能抵御10年以上的盐雾腐蚀和30年以上紫外光照射不变色；

下面重点探讨下不锈钢表面喷砂(丸)工艺的原理、设备特点及应用。

三、喷砂(丸)工艺

3.1喷砂(丸)工艺的应用范围

3.1.1工件涂镀、工件粘接前处理

喷砂(丸)能把工件表面的锈皮、杂质等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基础图式（即通常所谓的毛面），而且可以通过调换不同粒度的磨料，达到不同程度的粗糙度，大大提高工件与涂料、镀料的结合力。或使粘接件粘接更牢固，质量更好。

3.1.2铸锻件毛面、热处理后工件的清理与抛光

喷砂(丸)能清理铸锻件、热处理后工件表面的一切污物（如氧化皮、油污等残留物），并将工件表面抛光提高工件的光洁度，起到美化工件的作用。 喷砂(丸)清理能使工件露出均匀一致的金属本色，使工件外表更美观，达到美化装饰的作用。

3.1.3机加工件毛刺清理与表面美化

喷砂(丸)能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害，提高了工件的档次。并且喷砂(丸)能在工件表面交界处打出很小的圆角，使工件显得更加美观、更加精密。

3.1.4改善零件的机械性能

机械零件经喷砂(丸)后，能在零件表面产生均匀细微的凹凸面（基础图式），使油得到存储，从而使条件改善，并减少噪声提高机械的使用寿命。

3.1.5表面光饰作用

对各种工件表面抛光，使工件表面更美观。 使工件达到光滑又不反光要求。 对于某些特殊用途工件，喷砂(丸)可随意实现不同的反光或亚光。如不锈钢工件、木制家具表面亚光化，磨砂玻璃表面的花纹图案,以及布料表面的毛化加工等。

3.1.6消除应力及表面强化

通过砂丸敲击工件表面，消除应力，增加工件表面强度，如弹簧、机加工刀具和飞机叶片等工件的表面处理。

3.2喷砂(丸)原理

采用压缩空气为动力，形成高速喷射束，将磨料高速喷射到需处理工件表面，使工件外表面的外表发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的搞疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。常用不锈钢喷砂(丸)设备分为干式和液体式两大类，而干式又分为吸入式和压入式两种。

3.2.1吸入式喷砂(丸)设备

一个完整的吸入式干喷砂(丸)设备一般由六个系统组成，即结构系统、介质动力系统、管路系统、除尘系统、控制系统和辅助系统。吸入式干喷砂(丸)设备是以压缩空气为动力，通过气流的高速运动在喷枪内形成的负压，将磨料通过输砂管并经喷嘴射出，喷射到被加工表面，达到预期的加工目的。在吸入式干喷砂(丸)机中，压缩空气既是供料动力，又是加速动力。

图1 吸入式喷砂(丸)原理图

3.2.2压入式喷砂(丸)设备

一个完整的压入式干喷砂(丸)设备工作单元一般由四个系统组成，即压力罐、介质动力系统、管路系统、控制系统。压入式干喷砂(丸)设备是以压缩空气为动力，通过压缩空气在压力罐内建立的工作压力，将磨料通过出砂阀。磨料压入输砂管并经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。在压入式干喷砂(丸)机中，压缩空气既是供料动力，又是加速动力。

图2 压入式喷砂(丸)原理图

3.2.3液体式喷砂(丸)设备

液体喷砂(丸)设备相对于干式喷砂(丸)机来说，最大的特点就是很好地控制了喷砂(丸)加工过程中粉尘污染，改善了喷砂(丸)操作的工作环境。一个完整的液体喷砂(丸)设备一般由五个系统组成，即结构系统、介质动力系统、管路系统、控制系统和辅助系统。液体喷砂(丸)设备是以磨液泵作为磨液的供料动力，通过磨液泵将搅拌均匀的磨液（磨料和水的混合液）输送到喷枪内。压缩空气作为磨液的加速动力，通过输气管进入喷枪，在喷枪内，压缩空气对进入喷枪的磨液加速，并经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目的。在液体喷砂(丸)机中，磨液泵为供料动力，压缩空气为加速动力。

图3 液体式喷砂(丸)原理图

3.3喷砂(丸)后表面的清理等级

也即清洁度，代表性国际标准有两种：一种是美国85年制订“SSPC-”；第二种是瑞典76年制订的“Sa-”，它分为四个等级分别为Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3，为国际惯常通用标准，详细介绍如下：

Sa1级――相当于美国SSPC―SP7级。采用一般简单的手工刷除、砂布打磨方法，这是四种清洁度中度最低的一级，对涂层的保护仅仅略好于未采用处理的工件。Sa1级处理的技术标准：工件表面应不可见油污、油脂、残留氧化皮、锈斑、和残留油漆等污物。Sa1级也叫做手工刷除清理级。（或清扫级）

Sa2级――相当于美国SSPC―SP6级。采用喷砂(丸)清理方法，这是喷砂(丸)处理中最低的一级，即一般的要求，但对于涂层的保护要比手工刷除清理要提高许多。Sa2级处理的技术标准：工件表面应不可见油腻、污垢、氧化皮、锈皮、油漆、氧化物、腐蚀物、和其它外来物质（疵点除外），但疵点限定为不超过每平方米表面的33%，可包括轻微阴影；少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色；氧化皮及油漆疵点。如果工件原表面有凹痕，则轻微的锈蚀和油漆还会残留在凹痕底部。Sa2级也叫商品清理级（或工业级）。

Sa2.5级――是工业上普遍使用的并可以作为验收技术要求及标准的级别。Sa2.5级也叫近白清理级（近白级或出白级）。Sa2.5级处理的技术标准：同Sa2要求前半部一样，但疵点限定为不超过每平方米表面的5%，可包括轻微暗影；少量因疵点、锈蚀引起的轻微脱色；氧化皮及油漆疵点。

Sa3级――级相当于美国SSPC―SP5级，是工业上的最高处理级别，也叫做白色清理级（或白色级）。Sa3级处理的技术标准：与Sa2.5级一样但5%的阴影、疵点、锈蚀等都不得不存在了。

3.4喷砂(丸)后的表面粗糙度

即通常所谓的粗糙度，喷砂(丸)砂粒冲击并向外反弹，这种冲击造成表面几千分之一寸的压痕，叫基础图式。回弹会使某些表面向外高出几千分之一寸，低的叫“谷”，高的叫“峰”，每一个沙粒冲击表面都会造成一个“谷”和一个“峰”，这就是基础图式（粗糙度的形成原因）。它用MILL（密耳）表示，一个密耳是1/1000秒。

形成的基础图式值应是总涂层系统的30，不宜超过干膜涂层厚度的1/3，一般防腐在50-70（um）之间。 1微米（um）= 0.001毫米(mm) ；1密耳=0.001秒= 0.0254毫米(mm)

表2表面处理标准比较

描述 美国标准

SSPCSP 英国标准

BS4232 瑞典标准

SIS055900

溶剂清洗 SSPCSP1

手工清洁 SSPCSP2 St 2

机械清洁 SSPCSP3 St 3

喷砂(丸)处理白金属 SSPCSP5 一级 Sa3

喷砂(丸)处理近白金属 SSPCSP10 二级 Sa2.5

喷砂(丸)处理商用级 SSPCSP6 三级 Sa2

喷砂(丸)处理普能级 SSPCSP7 Sa3

3.5常用喷砂(丸)工艺参数

压缩空气对喷射流的加速作用（喷砂(丸)压力大小的调节）P、磨料的类型（S）、喷枪的距离（H）、角度（θ）。

3.5.1压力大小的调节对表面结果的影响在S、H、θ三个量设定后，P值越大，喷射流的速度越高，喷砂(丸)效率亦越高，被加工件表面越粗糙，反之，表面相对较光滑。

3.5.2喷枪的距离、角度的变化对表面结果的影响在P、S值设定后，此项为手工喷砂(丸)技术的关键，喷枪距工件一般为50-150mm，喷枪距工件越远，喷射流的效率越低，工件表面亦越光滑。喷枪与工件的夹角越小，喷射流的效率亦越低，工件表面也越光滑。

3.5.3磨料类型对表面的影响

磨料按颗粒状态分为球形，菱形两类，喷砂(丸)通常采用的金刚砂（白钢玉、棕刚玉）为菱形磨料。玻璃珠为球形磨料。在P、H 、θ三值设定后，球形磨料喷砂(丸)得到的表面结果较光滑，菱形磨料得到的表面则相对较粗糙，而同一种磨料又有粗细之分，国内按筛网数目划分磨料的粗细度，一般称为多少号，号数越高，颗粒度越小，在P、H 、θ值设定后，同一种磨料喷砂(丸)号数越高，得到的表面结果越光滑。

下表为不同材质产品为达到不同的处理目的而通常采用的手段。

表3不同材质对应喷砂(丸)类别

工件材质 喷砂(丸)目的 工艺要求 磨料种类 喷砂(丸)机类型

不锈钢

表面去污、除焊渣及亚光效果 表面亚光 玻璃珠及金刚砂 干式、液体式

铁质工件

去锈、除污、除氧化皮 增大镀层、涂层附着力 金刚砂

干式、液体式加防锈剂

铝质工件

去氧化皮

表面强化、光饰作用 玻璃珠金刚砂

干式、液体式

铜质工件

去氧化皮亚光

效果 玻璃珠

干式、液体式

玻璃制品水晶、塑料制品(硬木制品) 磨砂、刻图案

亚光效果

金刚砂

干式、液体式

图4 不锈钢表面喷砂(丸)效果

3.6不锈钢喷砂(丸)选用磨料

3.6.1玻璃珠

采用优质材料生产而成，即有一定的机械强度，SiO2含量大于等于68%，硬度可达6-7莫氏，有足够的弹性，可多次使用不易破碎，所喷器件效果相同,效果明显,不伤物件表面 ,均匀度好,成圆率大于80%，粒度均匀，气泡含量极低,喷后使喷砂(丸)器件各处亮度系数保持均匀，不易留下水印。

玻璃珠作为一种研磨材料比其他任何研磨材质具有以下优越性：

3.6.1.1是铝型材,贵重金属的最佳理想喷砂(丸)材料.喷射表面亮丽,均匀度高;

3.6.1.2用非碱性钠钙玻璃材料制成，具有良好的化学稳定性，不会污染加工的金属。

3.6.1.3可加速清理，同时保持原物件的加工精度。

3.6.1.4外观为球状颗粒，表面光滑，具有良好的光洁度，达到国际、国内标准的要求

3.6.2白刚玉

白刚玉是以优质的铝氧粉为原料，经电熔冶炼而成，它具有颜色洁白，硬度高，韧性稍低，纯度高，自锐性忧，磨削力强，发热量小，效率高，耐酸碱腐蚀，耐高温，热稳定性好等特点.是高级的喷砂(丸)及研磨材料。

3.7与传动酸洗、工具清理对比

3.7.1喷砂(丸)处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。

3.7.2喷砂(丸)处理可以在不同粗糙度之间任意选择，而其它工艺是没办法实现这一点的，手工打磨可以打出毛面但速度太慢，化学溶剂清理后的表面过于光滑不利于涂层粘接。

四、结语

不锈钢被广泛的应用许多行业，并且其发展前景也是越来越广阔，而不锈钢的表面处理技术有着十分重要的作用，因此要重视不锈钢表面处理技术，并且还要努力的进行发展和创新，这样不锈钢产业才会走的更长远。

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