如何评定喷涂零件的表面粗糙度要求？

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：粗化程度表示法一般借用机械设计中常用的表面粗糙度来表示待喷零件表面的粗化程度，其单位为μm。表面粗糙度主要反映零件表面的凹凸不平程度，常用表示法有以下两种，如图4-13所示。零件表面粗糙度Ra与Rz之间的关系见表4-9。4）良好结合所要求的涂层厚度及表面粗糙度。

清洗之后可采用多种方法对零件表面进行粗化处理，但最常用的方法有两种，即喷砂粗化处理和电火花拉毛粗化处理。

正确的粗化处理与清洗过程同样重要。在热喷涂过程中，处于熔融或半熔融状态的加热粒子碰撞到基体表面后，经变形形成薄片，当它们冷却或硬化时，必然黏附到工件表面。经过粗化处理的表面，有助于涂层与基体以及涂层自身之间形成机械镶嵌结合。

1.粗化目的

由于存在下述原因，对待喷涂零件表面进行粗化处理可使涂层与涂层以及涂层与基体之间的结合得到强化。

1）使表面处于压应力状态。

2）使变形粒子之间形成相互镶嵌联锁的叠层（或层次）结构。

3）增大结合面积。

4）净化表面。

2.粗化程度表示法

鉴于不同基体材料、不同涂层对喷涂前基体表面的粗糙程度要求不同，要想获得涂层所需要的理想粗化表面，必须认真分析零件工况使用条件，谨慎选取粗化所用的材料及粗化方法，并采用某种方法对粗化表面进行测量与控制。

粗化程度表示法一般借用机械设计中常用的表面粗糙度来表示待喷零件表面的粗化程度，其单位为μm。表面粗糙度主要反映零件表面的凹凸不平程度，常用表示法有以下两种，如图4-13所示。

图4-13 表面粗糙度轮廓示意

1）轮廓算术平均偏差Ra，其计算式为

Ra=（h₁+h₂+h₃+…+h_n）/n （4-13）2）轮廓最大高度Rz，其计算式为

Rz=Z_p+Z_v （4-14）

表4-9 表面粗糙度Ra与Rz之间的关系

在实际应用中，常采用轮廓算术平均偏差Ra来表示零件表面的粗化程度。它表示凹凸不平表面与理想中性面（中性面表示一个绝对平的没有凹凸不平的面，以该平面作为测量表面上下点的中心线）的偏差程度。Ra值可采用表面粗糙度仪来测定，该仪器利用很细的笔尖在整个工作表面上移动，测出对中心线的多个峰和谷的高度h_i，然后取它们的平均值，即可得到Ra值。

零件表面粗糙度Ra与Rz之间的关系见表4-9。

3.喷砂粗化

喷砂粗化是最主要、最常用的粗化工艺方法，非常适合于大面积大批量零件的表面粗化预处理，也是去除烘烤积垢及表面氧化皮或其他氧化物的有效方法。其具体过程是，让含有砂粒的压缩空气流，经过一特制喷嘴后直接将砂粒喷向基体表面，零件表面由于受到以一定速度和角度飞行砂粒的冲刷作用而使基体表面得到净化、粗化和活化。完成该工序时，要采用专门的设备进行操作，所用设备要和其他表面处理设备分开，以防喷砂材料受到污染，同时，要严格选择磨料砂粒的类型及其粒度大小。

（1）砂粒选择砂粒的选择必须经过试验，要考虑的因素如下：

1）基体材料及其硬度。

2）工件喷砂部位的结构和零件壁厚。

3）工件大小。

4）良好结合所要求的涂层厚度及表面粗糙度。

5）工作环境要求。

6）生产率要求。

7）砂粒粗细。

8）喷砂压力。

9）喷嘴尺寸。

10）使用寿命。

（2）砂粒的类型及尺寸喷砂粗化效果取决于砂粒的类型及尺寸大小。锋利、坚硬及有棱角的砂粒可提供最好的粗化效果，球形或圆形砂粒的粗化效果较差，不建议使用。所有砂粒都应保持清洁、干燥，不应含油、长石或其他杂物等。

热喷涂生产中常用的砂粒特性见表4-10。在所列砂粒中，最常用的砂粒类型包括带棱角的钢砂、激冷铁砂、氧化铝、金刚砂和碳化硅砂。

表4-10 热喷涂喷砂粗化常用砂粒的特性

① 砂粒破坏到标准喷砂试验中不符合粒度要求时砂粒所占比例。

砂粒种类的选择主要与基体硬度高低有关。带有尖锐棱角的耐熔金属氧化物，如氧化铝，可用于马氏体类钢的硬质基体，若用其粗化镁及其合金、铝及其合金等软基体，颗粒可能被镶嵌在基体表面，喷砂后需采用纯压缩空气喷吹处理，以除去任何可能被镶嵌的砂粒。而对于硬度低于40～45HRC的大多数基体，最好采用激冷铁砂，它在碰撞时会变钝但不会破碎。激冷铁砂通常比氧化铝更容易给基体造成较大的应力，因此为避免工件发生变形，对薄壁件基体进行喷砂粗化时，不建议采用激冷铁砂。碳化硅砂粒嵌入基体的倾向性更大，同时比氧化铝更容易发生破碎。

由于工件表面粗化后的粗糙度大小与喷砂颗粒大小直接相关，因此砂粒是按不同粒度分布供应的。要求单位时间内处理较大基体表面时，可选用较小颗粒的砂粒。而粒径较大的砂粒可更迅速地从基体表面除掉不需要的物质，并获得较粗糙的表面。对于各种金属基体，推荐采用粒度号为F1～F60的砂粒，而对于大多数塑料基体，则应选用F60～F100砂粒。对于薄涂层，特别是用于薄基体，则应选用粒度较细的砂粒（粒度号为F25～F120）；对于厚涂层（大于0.25mm），为了获得最好的结合强度，则应选用粒度较粗的砂粒（粒度号为F18～F25），以便产生较粗糙的表面。

表4-11 各种喷砂粗化设备与喷砂速度之间的关系

① 最小速度是指在严重侵蚀条件下对工件表面进行严格喷砂的处理速度；最大速度是指对工件大表面只需轻微侵蚀或喷成半亮的条件下的喷砂处理速度。

（3）喷砂后的表面粗糙度根据美国国家腐蚀工程师协会（NACE）技术委员会T-60制定的热喷涂表面制备标准，在钢表面进行喷砂粗化处理时，最适宜的等级是NACENo.1。满足NACE No.1标准的喷砂处理表面，是一种带有灰白色均质的金属表面，这种表面已粗化到能“锚住”涂层，同时又无油、无脂、无污染、无轧制铁鳞、无锈斑、无腐蚀物、无氧化物、无油漆以及其他外来物（可与SSPC-SP5-63白金属基体喷砂清理相比）。

在满足热喷涂技术粗化要求的前提下，各种喷砂粗化设备与粗化速度之间的关系见表4-11。

通常，随着表面粗糙度值的增大，结合强度也提高，但超过Ra10μm之后，提高结合性能的程度要有所降低。

对于大多数喷涂层来说，当表面粗糙度为Ra2.5～13μm时，就能够满足喷涂要求；在某些特殊情况下，特别是薄金属件，可采用粗糙度为Ra1.3μm的表面；而对某些喷涂低熔点材料及合金（如锌）的工件来讲，表面粗糙度最小应为Ra6_μm。

（4）喷砂程序除了磨料类型和尺寸之外，其他重要的工艺变量是空气压力、喷砂角度、距离和时间，见表4-12。

表4-12 钢基体达到所要求的粗糙度通常采用的条件(https://www.chuimin.cn)

凡是有可能被喷砂造成损伤的或已喷涂层的所有基体表面，都必须遮蔽保护。黏附在基体表面的尘埃或磨料，在喷涂之前要用压缩空气吹掉。

1）喷砂用空气压力的大小取决于基体材质、要求的表面粗糙度、砂粒的流动性、重量及粒度，以及所用喷嘴和喷砂设备的类型，一般为340～880kPa。

对于铝、铜合金、青铜及塑料一类的基体，宜采用低风压及软而细的砂粒，以减少砂粒嵌入的可能。高风压气体会产生压应力，导致薄件基体的变形，也容易使砂粒迅速破碎。

①对压力式喷砂设备，应采用的喷嘴压力如下：

a.采用氧化铝、碳化硅、燧石或炉渣，最小压力为345kPa，最大为414kPa。

b.对砂石、金刚砂或激冷铁砂，最小为517kPa。

这些压力值不是风机罐的压力，而是用压力探头在喷嘴处测定的压力。

②采用虹吸式（吸入式）喷砂，最大的喷嘴压力如下：

a.采用氧化铝、碳化硅、燧石或炉渣，为517kPa。

b.对砂石、金刚砂或激冷铁砂，为621kPa。

2）喷砂束流与基体表面应成75°～90°的喷射角。喷砂要从一端移动到另一端。

3）喷嘴到基体表面的距离，取决于磨料的粒度及类型、喷嘴孔径的大小及喷砂机的处理能力，一般为102～304mm。

4）为了取得相当于NACENo.1的喷砂表面，要在较强的光线下对喷砂表面的结构及均匀程度进行目视检查，以整个喷砂表面呈现漫反射状、无反射亮斑为合格，从而确定所需要的喷砂时间。过长的喷砂时间会导致不希望的表面结构。

（5）喷砂速度及成本喷砂速度及成本与下列因素有关：喷砂设备的类型、尺寸、负荷能力以及基体材料。各种喷砂装置的典型参数见表4-9。

大孔径喷嘴喷砂机比小口径喷嘴喷砂机单位时间的喷涂面积要大。但喷嘴孔径大小的选择，要受到所获得压缩空气流量的限制。采用一种连续压力式喷砂设备和925铁砂，空气压力为703kPa，对不同钢基体表面进行喷砂粗化，以表面达到半光亮或轻微侵蚀为标准，其喷砂速度与喷嘴孔径之间的关系见表4-13。

表4-13 压力式喷砂清理速度与喷嘴孔径关系表

磨料类型及粒度也影响喷砂速度。通常，磨料粒度越大，喷砂速度越低。每平方英尺的喷砂表面，大约需要6.8kg的氧化铝或11.3kg的激冷铁砂。

（6）砂粒的循环使用在车间或生产中所用的喷砂磨料，经过清理和筛分后可循环使用。带棱角的激冷铁砂和氧化铝，经常要经这种处理而反复使用。当一种磨料重新应用时，要清理其中的灰尘，经过筛分，保证至少有80%的量要符合原始粒度的要求。对于那些被污染的磨料或质量有问题的部分，不应再返回使用。要及时从磨料中除去破碎的细砂，否则有损于涂层与基体的正常结合。

在同等条件下，几种常用砂粒反复使用的次数见表4-14。有很多变数会影响这些数据，因此表4-14所出数据仅供参考。

在生产现场或工地上，可使用一次性磨料。在这种场合对磨料进行回收或重复使用是不经济的。

表4-14 不同磨料的使用寿命

（7）压缩空气空压机应提供必需的压力和风量，以保证正常的喷砂质量。压缩空气中应无油，无水及其他的污物。油和水不仅阻塞整个供气系统，而且还会对表面制备及涂层的结合强度产生不利的影响，因此必须严格控制。

压缩空气在进入喷砂枪前，必须经过除油、除水等净化处理。

4.电火花拉毛

硬度较大，不易采用喷砂或机械加工方法进行粗化的表面，可采用电火花拉毛法进行处理。如图4-14所示，将工件接电源的一极，镍条接电源的另一极。将镍条不断地与工件表面接触以产生火花，利用产生的电火花使镍呈颗粒状熔化并焊接在零件表面上，将工件表面拉毛，形成凹凸不平的表面，所形成的凹凸度可达0.1～0.75mm，镍颗粒能深入基体金属达0.1mm以上。拉毛时应均匀拉动镍条，防止漏拉或过烧。拉后的正常表面应呈现金黄色鱼鳞状或波浪状表面，其厚度最好控制在0.2～0.3mm。拉毛后工件表面的炭灰应采用擦刷法使其表面净化。总之，拉毛后的表面要求净、毛、新，有利于增加涂层与基体间的结合强度，提高涂层质量。

图4-14 镍（电火花）拉毛原理

1—拉毛变压器 2—焊钳 3—镍条 4—工件

5.粗化应用举例

（1）大面积长效防腐蚀涂层在这种场合下，通常采用锌或铝涂层。

1）当锌涂层厚达0.23mm或铝涂层厚达0.18mm时，采用压力式喷砂设备，采用以下所推荐的磨料，可在表面获得Ra0.75μm的锚齿形结构。

①氧化铝或碳化硅，粒度为SAEG-25～SAEG-40^[1]。

②淬火钢砂，粒度为SAEG-25～SAEG-40。

③带棱角的石英砂、金刚石、燧石或碾碎炉渣，粒度为SAEG-25～SAEG-50。

2）当锌涂层厚度超出0.25mm或铝涂层厚度超出0.20mm时，推荐采用以下磨料及压力式喷砂机，可在表面获得Ra13μm的锚齿形结构。

①氧化铝或碳化硅，粒度为SAEG-18～SAEG-25。

②淬火钢砂，粒度为SAEG-18～SAEG-25。

③带棱角的石英砂、金刚石、燧石或碾碎炉渣，粒度为SAEG-18～SAEG-25。

（2）重熔涂层当采用自熔合金时，其表面制备过程一直持续到重熔作业结束为止。在982～1149℃的温度区间进行重熔时，自熔合金涂层受到最大的应力。

在进行表面预处理时，通常采用SAEG-25的激冷铁砂，其粒度可根据基体材料的硬度等进行适当调整。但是，如选用氧化铝作磨料，容易嵌入表面，对涂层与基体之间的结合会产生不利影响。

对于进行精密加工的圆柱体表面，应进行下切。下切深度依工作条件而定。如果最大允许磨削量为0.5mm，推荐下切量最小要加0.38mm。这样，在磨损到最大量之后，仍能保留一些涂层。

在下切截面一端的留肩，要开40°～45°左右的角；当要求涂层厚度大于1.00mm时，喷砂前对下切面进行车螺纹预加工比较合理。

（3）不锈钢涂层在淬硬钢基体表面喷涂不锈钢涂层时，采用SAEG-20的氧化铝磨料进行喷砂粗化时，能得到粗糙度达Ra13μm的锚形结构。在软钢或铸铁表面喷涂不锈钢涂层时，则推荐采用SAEG-25的激冷铁砂进行喷砂粗化。

（4）塑料基体对于塑料一类的软基体，要求细粒级的砂料，气压低一些，一般采用粒度为SAEG-50～SAEG-80的氧化铝进行喷砂粗化，能得到粗糙度为Ra6μm的表面。

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