噴砂工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼表面環(huán)氧涂層結(jié)合力的影響

王瑞，侯榮國(guó), *，張玉龍，張苗苗，肖洪浩，陳鑫

（1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東精工泵業(yè)有限公司，山東 淄博 255200）

不銹鋼材料性能卓越，應(yīng)用廣泛且快速發(fā)展[1]，但在富含氯離子的海水環(huán)境中可能會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕現(xiàn)象。在不銹鋼表面制備有機(jī)涂層是有效的解決方法[2]。涂層與基體之間的結(jié)合力是重要的性能指標(biāo)之一，直接影響涂層的實(shí)際應(yīng)用和推廣。影響涂層結(jié)合力的因素有很多，適宜的表面處理是提高涂層結(jié)合力的關(guān)鍵[3]。噴砂處理是使金屬表面粗化最為常用和高效的技術(shù)[4]，能夠增大涂層與基體的實(shí)際作用面積，以及清除表面油污和銹跡，使金屬表面得到活化和凈化，從而提高涂層的各項(xiàng)性能[5]。

王井等[6]通過改變噴砂距離和速率得到表面粗糙度不同的45鋼，發(fā)現(xiàn)涂層結(jié)合力和基體粗糙度之間存在非線性關(guān)系；胡豆豆[7]分別采用白剛玉和棕剛玉對(duì)45鋼進(jìn)行噴砂預(yù)處理，再噴涂氧化鋁粉末涂層，發(fā)現(xiàn)采用白剛玉作為磨料噴砂處理時(shí)，氧化鋁涂層表現(xiàn)出更優(yōu)的耐蝕性；林紅吉等[8]以5083鋁合金為基材進(jìn)行噴砂處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，噴砂可以增大工件與涂料接觸的相對(duì)表面積，消除表面殘余拉應(yīng)力，有利于延長(zhǎng)涂層壽命?？偠灾?，對(duì)基體進(jìn)行噴砂能夠從多方面提高涂層性能。

本文以304不銹鋼為基體，先通過單因素試驗(yàn)研究噴砂時(shí)間、噴砂距離、磨料目數(shù)和噴砂角度對(duì)304不銹鋼表面形貌、粗糙度及其與環(huán)氧涂層結(jié)合力的影響，再通過正交試驗(yàn)，以環(huán)氧涂層與不銹鋼的結(jié)合力為指標(biāo)，尋求最優(yōu)的噴砂工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑

環(huán)氧樹脂E44、固化劑聚酰胺650：工業(yè)級(jí)，定遠(yuǎn)丹寶樹脂有限公司；丙酮、鄰苯二甲酸二丁酯和乙酸乙酯：分析純，天津大貿(mào)試劑廠。

1.2 噴砂處理

基體為304不銹鋼，直徑16 mm、高20 mm，先用1500# SiC砂紙打磨至表面粗糙度(Ra)約為0.3 μm，此時(shí)基體與涂層之間的結(jié)合力為14.2 MPa。

采用國(guó)產(chǎn)葛力1010型噴砂機(jī)進(jìn)行噴砂，磨料為白剛玉(Al2O3)，噴砂壓力為0.4 ～ 0.5 MPa。噴砂完用乙醇超聲清洗15 min，以去除表面殘留的磨料，再置于上海一恒儀器有限公司的DFZ-6020真空干燥箱中于60 ℃下保溫24 h。

1.3 環(huán)氧涂層的制備

涂料配方(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)為：環(huán)氧樹脂55.6%，固化劑27.9%，乙酸乙酯5.5%，丙酮5.5%，鄰苯二甲酸二丁酯5.5%。將涂料均勻涂刷在基體表面，放入真空干燥箱中60 ℃固化24 h，取出后室溫放置，獲得厚度為(200 ± 15) μm的環(huán)氧涂層。

1.4 性能檢測(cè)方法

使用國(guó)產(chǎn)三豐TR200型便攜式粗糙度測(cè)試儀測(cè)量不同試樣的輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)，每種試樣均勻采樣7次，取平均值。使用日本Olympus DSX1000型超景深3D顯微鏡觀察基體表面形貌。按照GB/T 5210-2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》，使用美國(guó)MTS E45.105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)涂層結(jié)合力，所用試柱如圖2所示。

圖2 拉開法試驗(yàn)示意圖Figure 2 Sketch of pull-off test

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

為了確定正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素和水平，先進(jìn)行單因素試驗(yàn)。未說明之處的噴砂時(shí)間、噴砂距離、磨料目數(shù)和噴砂角度分別為60 s、10 cm、24和90°。

2.1.1 噴砂時(shí)間對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響

由圖3可知，隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，304不銹鋼的表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。噴砂60 s時(shí)，304不銹鋼的Ra最高，為5.426 μm。繼續(xù)延長(zhǎng)噴砂時(shí)間，304不銹鋼的表面粗糙度變化不大。因?yàn)殡S著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)，磨料撞擊基體表面而產(chǎn)生的不規(guī)則凹坑增多，引起粗糙度增大；在粗糙度穩(wěn)定后，繼續(xù)延長(zhǎng)噴砂時(shí)間，磨料會(huì)鑲嵌進(jìn)基體表面，導(dǎo)致磨料殘留增多。

圖3 噴砂時(shí)間對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響Figure 3 Effect of sandblasting time on surface roughness of substrate and adhesion of coating thereon

涂層結(jié)合力隨著噴砂時(shí)間的延長(zhǎng)也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在噴砂60 s時(shí)，涂層結(jié)合力達(dá)到最大的19.7 MPa。再延長(zhǎng)噴砂時(shí)間，涂層結(jié)合力基本不受影響。涂層結(jié)合力提高是因?yàn)閲娚疤幚頃?huì)使基體表面的實(shí)際表面積成倍增大，意味著涂層與基體表面發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)的作用面積增大[9]。從圖4可知，噴砂時(shí)間為60 s時(shí)，基體表面的粗糙結(jié)構(gòu)比較均勻，沒有過于尖銳的結(jié)構(gòu)。因此選擇噴砂時(shí)間為60 s。

圖4 噴砂60 s時(shí)基體的三維表面形貌Figure 4 Three-dimensional profile of substrate surface after being sandblasted for 60 s

2.1.2 噴砂距離對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響

由圖5可知，隨著噴砂距離的增大，304不銹鋼的表面粗糙度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，噴砂距離為6 cm時(shí)，304不銹鋼的Ra達(dá)到最高，為6.298 μm。

圖5 噴砂距離對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響Figure 5 Effect of standoff distance on surface roughness of sandblasted substrate and adhesion of coating thereon

涂層結(jié)合力隨著噴砂距離的增大也呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。噴砂距離為10 cm時(shí)結(jié)合力最大。從圖6可知，噴砂距離為6 cm時(shí)，基體表面起伏過大，部分區(qū)域過于尖銳，在刷涂涂料后可能會(huì)有氣泡產(chǎn)生，加之凹坑處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，一些殘留在凹坑處的細(xì)小破碎磨粒也無法被清除掉；凸出處則可能缺膠，使得涂層不連續(xù)，與基體的接觸面積減小，造成結(jié)合力下降[10]?？梢娀w粗糙度并不是越高越好，粗糙度過高反而會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合力。因此選定噴砂距離為6、10和14 cm作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖6 噴砂距離6 cm時(shí)基體的三維表面形貌Figure 6 Three-dimensional profile of substrate surface after being sandblasted at a standoff distance of 6 cm

2.1.3 磨料目數(shù)對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響

由圖7可知，304不銹鋼的表面粗糙度隨著磨料目數(shù)的增大呈現(xiàn)迅速減小的趨勢(shì)，磨料目數(shù)為16時(shí)，基體的Ra最高，為7.121 μm。這是因?yàn)閲娚疤幚淼幕w表面起伏程度與磨料尺寸直接相關(guān)，磨料目數(shù)越小表示磨料尺寸越大，噴砂時(shí)在基體表面形成的溝壑越深，基體表面的起伏不平程度就越嚴(yán)重[11]。

圖7 磨料目數(shù)對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響Figure 7 Effect of mesh number of abrasive on surface roughness of sandblasted substrate and adhesion of coating thereon

涂層結(jié)合力隨著磨料目數(shù)增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。磨料目數(shù)為24時(shí)，涂層結(jié)合力最高。由圖8可知，采用目數(shù)為16的磨料噴砂后，304不銹鋼表面存在一些尖銳結(jié)構(gòu)和不規(guī)則凹坑，起伏落差較大，導(dǎo)致表面的整體粗糙結(jié)構(gòu)不均勻，引起涂層結(jié)合力下降。因此選定磨料目數(shù)16、24和60作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖8 磨料目數(shù)為16時(shí)基體的三維表面形貌Figure 8 Three-dimensional profile of substrate surface after being sandblasted by using the abrasives with a mesh number of 16

2.1.4 噴砂角度對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響

由圖9可知，基體表面粗糙度隨著噴砂角度的增大呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，噴砂角度為75°時(shí)基體的Ra最高，為5.703 μm。噴砂角度過大或過小都會(huì)造成磨料能量在切削基體和使基體塑性變形之間分配不均，使得噴砂粗化機(jī)理不是純粹的切削變形，導(dǎo)致基體最終的表面粗糙度下降[12]。所以，噴砂時(shí)應(yīng)傾斜一定角度，不宜垂直噴砂。

圖9 噴砂角度對(duì)基體表面粗糙度和涂層結(jié)合力的影響Figure 9 Effect of blasting angle on surface roughness of substrate and adhesion force of coating thereon

涂層結(jié)合力隨著噴砂角度增大的變化趨勢(shì)與基體表面粗糙度一致，在噴砂角度為75°時(shí)獲到了最大結(jié)合力20.1 MPa。由圖10可知，以75°角噴砂后基體表面的粗糙結(jié)構(gòu)較均勻，更容易與環(huán)氧涂層之間構(gòu)成機(jī)械咬合。因此選定噴砂角度60°、75°和90°為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖1 噴砂處理前基材的表面形貌Figure 1 Surface morphology of substrate before sandblasting

圖10 噴砂角度為75°時(shí)基體的三維表面形貌Figure 10 Three-dimensional profile of substrate surface after being sandblasted at an angle of 75°

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定噴砂時(shí)間為60 s，以噴砂距離(因素A)、磨料目數(shù)(因素B)和噴砂角度(因素C)為考察因素，以涂層結(jié)合力為指標(biāo)，按L9(34)表進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表1。由極差分析可以看出，3個(gè)因素對(duì)涂層結(jié)合力影響的順序?yàn)椋耗チ夏繑?shù) ＞ 噴砂距離 ＞ 噴砂角度。磨料目數(shù)對(duì)涂層結(jié)合力的影響最顯著。由均值分析可知，較佳的噴砂工藝參數(shù)組合為A2B2C2，即：噴砂距離10 cm，磨料目數(shù)24，噴砂角度75°。在該條件下進(jìn)行3次平行噴砂試驗(yàn)，以驗(yàn)證該工藝的穩(wěn)定性和合理性。結(jié)果顯示，涂層的平均結(jié)合力為20.2 MPa，3次結(jié)果無顯著性差異。故確定A2B2C2為最佳噴砂工藝。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 1 Orthogonal test result and range analysis

3 結(jié)論

(1) 對(duì)304不銹鋼基體進(jìn)行噴砂處理可以顯著提高環(huán)氧涂層在其表面的結(jié)合力，但存在最佳粗糙度范圍，粗糙度過高反而會(huì)降低涂層結(jié)合力。基體表面粗糙結(jié)構(gòu)的均勻程度也是影響結(jié)合力的關(guān)鍵因素。

(2) 對(duì)304不銹鋼噴砂處理的較佳工藝參數(shù)為：噴砂角度75°，噴砂距離10 cm，磨料目數(shù)24，噴砂時(shí)間60 s。在該條件下對(duì)304不銹鋼噴砂時(shí)，涂層的結(jié)合力達(dá)到20 MPa。