工业除锈应用
13.1除锈应用标准
在许多工业场合都对原材料和设备的表面质量提出了较高的要求，如冶金工业在轧制板材或管材中的氧化皮清理、机械加工行业在加工前对原材料表面质量的要求，以及船舶等行业对涂装表面的预处理等，都需要对材料表面的氧化皮、污垢、锈蚀等彻底清除以满足作业要求。涂覆于金属材料表面的油漆和保护涂层的性能，在很大程度上取决于涂装前材料的表面状态。其中主要影响因素有锈蚀和氧化皮、表面污垢(如盐份、油脂、灰尘等)以及表面粗糙度。
为了提供评定这些因素的方法和对获得洁净钢材表面的预处理方法提供指导并指出每一种方法达到规定清洁度等级的效力，国内外有关部门经过大量的试验研究和统计分析，对钢铁表面的锈蚀等级、采用不同方法达到的预处理级别制定了相应标准，主要有:
ISO 8501-1988 钢材在涂装油漆及和油漆有关产品前的预处理 表面清洁度的目视评定
ISO 8502-1988 钢材在涂装油漆及和油漆有关产品前的预处理 表面清洁度的评定试验
ISO 8503-1988 钢材在涂装油漆及和油漆有关产品前的预处理 喷射清理过的钢材表面粗糙特征
ISO 8504-1988 钢材在涂装油漆及和油漆有关产品前的预处理 表面预处理方法
ISO 8501-1988 将未涂装的已安装钢结构表面以及库存钢材表面上通常存在的氧化皮和铁锈分为四级(称为锈蚀等级)，还将未涂装的钢材表面及全面清除原有涂层、经表面预处理后的钢材目视清洁度分为若干个等级(称为预处理等级)，这些清洁度的等级与涂装前用的表面预处理方法有关。ISO 8501-1988的相关部分是目视评定锈蚀等级和预处理等级的依据，它包括28张典型样板的照片，其中24张源于瑞典标准SIS 05900-1967涂装前钢材表面预处理图谱标准，另外四张源于德国标准DIN 55928第四部分 附录1(1978年8月)，用有机涂层和金属镀层防止钢结构的腐蚀 表面预处理及检测、照片标准。锈蚀等级分别用A、B、C、D表示，以文字叙述和典型样板照片共同定义:
A:大面积覆盖着氧化皮，而几乎没有铁锈的钢材表面；
B:已开始锈蚀，且氧化皮已开始剥落的钢材表面；
C:氧化皮已因锈蚀而剥落或者可以剥除，但在正常视力的情况下仅见到少量点蚀的钢材表面；
D:氧化皮已因锈蚀而剥离，在正常视力的观察下已可见到普遍发生点蚀的钢材表面。
ISO 8501-1988适用于涂装前采用诸如喷射清理、手工和动力工具清理以及火焰清理方法处理过的热轧钢材表面。但这些方法，尤其是喷射清理方法也可适用于具有足够厚度、能抗因磨料冲击或动力工具除锈操作而引起变形的冷轧钢材，也适用于除了残余氧化皮之外还牢固地粘附着残余油漆和其它异物(如可溶于水的盐分、焊渣等)的钢材。
ISO 8501-1988规定的预处理等级由除锈作业之后表面外观状况的文字描述以及典型样板照片共同定义。不同的预处理方法类别采用相应的字母表示。如Sa—喷射清理(干法或湿法)；St—手工和动力工具清理；Fl—火焰清理。在代表预处理方法类别的字母后如有阿拉伯数字，则表示清除氧化皮、铁锈和原有涂层的程度。照片标有除锈前原有锈蚀等级和预处理等级的符号，如BSa21/2。
以喷射方式进行的表面预处理，以字母“Sa”表示，其预处理等级的意义为:
Sal轻度喷射清理:在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见的油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。样板照片为BSal、CSa1和DSal。
Sa2彻底喷射清理:在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见的油脂和污垢，而且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，任何残留物应是牢固附着的。样板照片为BSa2、CSa2和DSa2。
Sa2.5非常彻底的喷射清理:在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见的油脂和污垢，并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。样板照片为ASa2.5、BSa2.5、CSa2.5和DSa2.5。
Sa3使钢材表面洁净的喷射清理:在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见的油脂和污垢，并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。该表面应具有均匀的金属光泽。样板照片为ASa3、BSa3、CSa3和DSa3。
该标准中没有含有ASa1、ASt2和ASt3的照片，因为这些预处理等级是不能实现的。
在目视评定钢材表面时，不管是在良好的散射日光下或照度相当的人工照明条件下进行，都应凭借正常视力，将其与每一张照片进行比较，并应将相应的照片尽量靠近地放在要检测的钢材表面的平面上。评定锈蚀等级时，记录下显而易见的最差的等级作为评定结果；评定预处理等级时，记录下与钢材表面外观最相近的等级作为评定结果【1】。
ISO标准外，其它许多国家和行业也都制定有自己相应的表面预处理标准。其中主要有SIS 055900-1967、DIN 55928第四部分(1977)、DS 2019(1967)、AS 1627第9部分(1974)、ASTMD2200-67(1980)、SSPC-Vis I-82T、JSRA SPSS-1975等。最初，SIS 055900是由瑞典腐蚀协会和美国材料试验学会(ASTM)及美国钢结构涂装协会(SSPC)共同制定的，许多国家的标准都参照了标准SIS 055900，并构成了ISO 8501-1988的主要部分。
国内，由全国船舶标准化技术委员会制定了专业标准CB 3092-81船体除锈标准；此外，海军装备部在1987年10月1日发布了适用于小型机械工具(小型风动、电动和高压水除锈设备)及手工工具(各种敲锈锤、刮锈刀、钢丝刷、砂布等)的除锈质量检验标准HJB4-87海军舰船维修除锈标准。
随着水射流应用的普及和水射流作业效果与其它作业方法效果在材料表面外观和表面状态上的区别，国外已经开始制定一些水射流表面处理专用规范和指南。美国国家腐蚀工程师协会(NACE)和钢结构涂装协会(SSPC)在多年研究的基础上颁布了一套联合标准NACE No.5-，SSPC-SP-12。将表面状态分为三种可视表面状态(如其它喷射清理标准所规定的)和四种不可视表面状态(定义为表面洁净度，Surface Cleanliness)。四种可视表面状态WJ-1、2、3、4同NACE No.1、2、3、4或SSPC-SP-5、10、6、7相当，见表13-1【2】【3】。
三种不可视表面状态为:SC-1—表面不存在任何现场适用的敏感仪器可测量到的污染；SC-2—表面可有少于7μg/cm
2的氯化物、少于10μg/cm
2的可溶性铁离子、少于17μg/cm
2的硫化物，污染水平可在现场或试验室中采用可靠的、复现性好的试验设备测定；SC-3—表面有少于50μg/cm
2的氯化物和硫化物，测定方法同上。
此外，针对不同的作业工艺，SSPC、海军、造船技术协会和有关公司也都有相应的规范和指南。人们认识到，影响表面处理质量的重要因素有三个:可视清洁度(Visible Cleanliness)，表面粗糙度(Anchor Profile)，不可见污染(Invisible Contaminants)—如盐分等。前两种是大家所熟知的，而第三种还没有引起人们足够的重视。通过研究表明，表面盐分往往比清洁度对涂层性能的影响更大，而除去盐分最有效的方法就是用水进行作业
【3】。
13.2磨料水射流除锈(鳞)
高压水射流的除锈机理是利用射流的打击力作用于锈层表面，同时高速切向流产生水楔作用，楔入微隙，扩展锈层裂纹，继而在水力冲刷作用下将其除去。在水射流中均匀加入磨料后，使这种正向打击和切向楔入的作用得到明显加强，加之水射流的连续性和集束性，达到了传统方法难以实现的效果，使被除锈表面可以显现均匀的粗糙度与光泽，对坑蚀层斑也能达到喷砂除锈的质量。
1.船舶表面除锈 我国自80年代初期就对高压水射流在船舶上的应用做了大量的工作，中国船舶工业总公司所属各大船厂都建有装机3～4台、单机功率250kW的泵站。但限于当时的技术水平，这些装置基本没有周边设备，主泵压力最高才35MPa，引进的装置也基本是这一水平。这种压力的清水射流，尽管流量高达350L/min，也只能清除船体表面海生物、盐分、浮锈和失效漆皮，一般只能作为喷砂除锈前的清洗工序，不能达到船舶涂装前预处理的要求。
在水中加入磨料后形成的磨料水射流是除锈的有效手段。磨料水射流系统的主要问题是恰当的磨料引射方式和同水射流的均匀混合。国内在1990年针对海军舰艇维修除锈作业研制的高压水磨料射流除锈装置中，为了降低磨料消耗、发挥高压水射流优势，同时简化系统装置，磨料混合直接凭借多孔聚合式引射器完成。其作用机理为，多孔水喷嘴高速喷射的水射流会聚点即作为磨料喷嘴入口，同时高速水射流形成的真空将磨料自料桶吸入引射器，磨料在射流会聚点与水混合、加速和喷射，使磨料和水的混合物均匀打击在靶材表面上，起到剥层和清洗的作用。除锈后、磨料与铁锈、污垢等破碎成粉状随水排放而不沉积。磨料喷嘴采用BC模压烧结，表面硬度在65HRC左右
【4】。
装置除锈试验所用的工作为2mm坑蚀锈钢板(比D级板更严重)，磨料为0.3～0.5mm粒径的干河沙，连续供沙速度为2～2.5kg/min。在不同压力工况下，最高除锈速度为13.2m
2/h，除锈质量为Sa2.5级。经多种除锈试验表明，同样工况下，耗砂量与除锈速度成正比；流量一定时压力与除锈速度成正比；同在70MPa压力下，流量由15L/min增加到35L/min，除锈速度增加约三倍。现场除锈试验采用0.3～0.5mm粒径海砂作磨料，磨料输送距离为5m，试验用工件C级锈钢板，除锈速度为0.8m
2/min，除锈质量达到Sa2.5级水平。经对同样船体除锈进行比较，70MPa磨料水射流除锈速度是气动喷砂的1.5倍。
船舶除锈属于高空作业，喷枪反冲力必须限制在常人所能承受的范围内。如果流量增加两倍，反冲力也几乎增大两倍，试验测量值与计算值亦相吻合，因此作业时应调整工况参数，使其不超出安全范围。
在各类容器的制造、涂装、安全评定与使用维护中，对内外壁质量也有很高的要求。如容器在制造、涂装过程中要除去表面氧化皮，进行安全评定之前要除去300mm左右焊缝带的锈漆等，这些作业同舰船外表面除锈非常接近。将高压磨料水射流技术应用于容器内外壁除锈、剥层作业，作为一项新技术和新工艺其应用也在逐步推广。
2.冶金工业轧材除鳞 在冶金工业中，热轧钢管、圆钢、带钢及钢坯在生产过程中其表面会产生氧化铁皮(即鳞皮)和脱碳层。这些钢材在冷拔、冷轧等深度加工前，必须将氧化皮和脱碳层清除干净。这样做的目的有两个:一是保证再加工后钢材的表面质量；二是对某些钢材进行某种深加工前，必须暴露和清除表面缺陷，以提高钢材的成材率。传统的除鳞工艺有酸洗、扒皮或喷丸处理，相应的设备庞大，费用高昂，生产率和成材率较低，另外环境污染严重，危害工人的身体健康。采用酸洗时的废液处理也带来很大的麻烦。将高压水射流技术引入后则解决了这些问题。
文献
【5】报道了针对钢坯脱碳和钢管内壁除鳞试验结果，试验所用的装置包括三台高压泵。其中一台为压力380MPa、流量4L/min的液力增压器；一台是压力为100MPa、流量为50L/min的三柱塞泵；另一台为压力70MPa、流量75L/min的三柱塞泵。前者功率为30kW，后两台为110kW。喷头分为两种形式:一是中进会聚式固定喷头，用于清除钢坯表面鳞皮和脱碳层(图13-1)；二是用于钢管内壁除鳞的磨料喷头。水射流喷嘴用红宝石制成，磨料射流喷嘴采用硬质合金。试验用水为普通自来水，未经任何特殊处理，在进水管端装有过滤器。试验使用的磨料主要是石榴石、废型砂及铁矿粉，粒度为20
#～80
#。采用自吸式湿式或干式供砂，砂水质量比为20%左右。采用湿式供砂可实现磨料循环使用，提高磨料的使用次数和供料系统自动化。
用磨料水射流除鳞和脱碳，实质就是通过磨料射流的冲蚀与磨削作用，将金属表面的氧化皮粉碎、剥落。通过适当调节射流压力、磨料供给量就可控制表面除鳞深度，以分别达到除鳞、脱碳的目的。试验中将喷头固定，钢材放置在可移动的液压工作台上，以25～50mm/s的速度一次通过除鳞喷头，钢材表面的鳞皮在磨料水射流的作用下。立即粉碎脱落，使钢材表面呈现银白色的光亮带。其宽度与喷嘴直径、压力、靶距及工件进给速度等有关。试验时靶距一般保持在150～400mm的范围内进行调节。喷嘴轴线与工件之间的夹角一般为30°～90°。钢管内壁除鳞试验时喷头在钢管内做轴向直线运动，同时钢管以一定速度旋转，通过调节射流压力、磨料流量以及进给速度，即可以获得较满意的除鳞效果。
通过试验得出，在40～50MPa水压时，用粒度为80
#～100
#的石榴石或铁矿粉，能够有效地清除碳钢或合金钢坯料表面的鳞皮，使其表面呈现出银白色的光泽，除鳞速度一般为3～5m/min。随着水射流压力增加到60MPa，工件进给速度为1.5～3m/min，即可达到脱碳目的，脱碳层为0.3～0.5mm。当水喷嘴直径为0.8～1.1mm，磨料喷嘴直径为5～8mm时，单个喷头喷扫的有效覆盖面积一般为30～50mm的宽度，最佳的可达到50～70mm，这与射流压力、喷嘴结构形式、靶距及工件进给速度等因素有关。在实际生产应用中，对于直径50mm的圆钢或65mm×65mm的方坯，只需要在空间径向环形设置4～8个喷嘴，即可一次性对圆钢或方坯表面进行均匀的喷扫，达到令人满意的除鳞、脱碳效果。
试验结果还表明硬度高而又多棱角的磨料颗粒，在喷扫过程中兼有粉碎与磨削的良好作用，因此除鳞效果很好；相反，圆球形且硬度低的磨料除鳞效果则差一些。在实际应用中，除石榴石以外，最好采用铁矿粉作磨料，因为这种材料不但性能上满足要求，而且对于钢铁厂来说，材料易于解决，用废后还可用作炼铁原料，进一步降低生产成本。试验结果见表13-2(试验材料为65mm×65mm方坯和φ68管坯)。
通过试验证实，用磨料水射流除鳞、脱碳，包括钢管内壁除鳞，在技术、经济上都是可行的，还可以用于锻件除氧化皮工艺等
【6】。磨料水射流除鳞的速度一般为酸洗处理速度的几倍，除鳞、脱碳质量好，干净、彻底。经磨料水射流处理过的钢材，表面光亮发白、光滑细致，避免了过酸、氢脆、水蚀等缺陷产生；成材率高，生产成本低，投资较酸洗或喷丸处理大幅度减少，无需庞大的废酸、废气回收处理装置；无污染，工作条件得到改善，符合环保卫生要求；操作简便，安全，并可实现自动化作业。
13.3纯水射流除锈(漆)
纯水射流除锈(漆)是在超高压水射流技术发展前提下产生的，主要是采用150～250MPa的超高压纯水射流进行除锈(漆)作业。喷头可选用强制旋转或自转的旋转喷头以提高除锈效率，或采用较低压力的脉冲水射流和空化射流等特殊射流进行除锈，并利用其特殊的冲蚀机理，有选择地去除设备表面的油漆表层、防护涂层等，从而简化了系统、去掉了磨料输送装置，使系统作业的适应能力大大加强。
1.用低压脉冲水射流去除锈蚀和涂层 近年来，随着技术的进步和环保意识的增强，国内外都发展了一些新的表面处理技术，各种方法各有利弊。许多方法尽管减少了有害废物的产生，但是并没有完全消除它的影响；另一方面，过高的水射流压力和磨料冲蚀的结果在除锈作业时可达到较好的效果，但在剥层作业(如不同油漆涂层的处理)时则可能对不希望除去的底层涂料造成伤害。因此，在剥层作业中，为了避免对基底材料造成伤害，需尽可能地采用较低的压力。国外进行了一些较低压力射流应用(10～50MPa)的研究，但或因磨料耗量太大不利环保，或因需要大量的化学软化剂而使作业成本过高，并对工人键康有一定影响而未得到广泛采用。针对此种情况，加拿大国家研究院流体动力技术中心(Center for Fluid Power Technology，National ResearchCouncil of Canada)研究开发了一种强制脉冲射流装置，在除漆试验中得到了较满意的结果
【7】。
强制脉冲水射流的产生是通过在喷嘴中设置一个振子来使连续的水射流产生高频脉动来形成的。使用这种超声喷嘴在几种不同的金属表面涂层上(如飞机外表面、汽车缓冲器铸模、钢制面板、铝制机柜等)进行了一系列的除漆试验。结果表明，即使除去较坚硬的涂层也只需≤34.5MPa压力的纯水脉冲射流，因此这种技术在材料的表面处理应用方面具有一定的优势。
强制脉冲水射流除漆的机理主要是，当一连串的射流脉冲冲击到涂层表面时，所产生的水锤作用使涂层产生弹性或弹塑性变形。在脆性涂层上，大约7MPa的泵压所产生的脉冲冲击压力约为160MPa，该压力超过了涂层材料的强度而形成半球状的裂纹(图13-2b)；在进一步的冲击下，裂纹沿径向扩展到涂层和底漆接合面的底部(图13-2c)，则水膜会进入裂纹并一层层地剥除涂层；当泵的压力进一步增加时(7MPa≤P≤34.5MPa)，冲击力超过了基底材料和底漆的粘合力，这时射流不仅除去底漆而且开始冲蚀基底材料(图13-2d)。
通过一系列试验，比较了连续水射流和脉冲水射流去除各种类型涂层的结果。由超声喷嘴所产生的高频(15kHz)脉冲水射流除漆的结论表明，对较坚硬的涂层(如汽车门上的防护漆)都可以被脉冲水射流在34.5MPa的压力下去除。在这个压力下，靶距和进给速度可达0.127m和3.0m/min。通过喷嘴在被除漆表面的复合运动(如直线进给和旋转进给的复合等)，可以显著增加除漆速度(见图13-3)。采用适当的作业参数可得到有利于增加基底材料和涂层之间附着力的表面粗糙度。
2.全回收水射流除锈(漆)系统 为了满足环保要求和船舶除锈作业，国外厂商为海军和船厂生产了不同类型的闭式循环水射流除锈系统，用于彻底清除船体表面的锈蚀和旧涂层。全回收水射流除锈(漆)系统的主要部分(如图13-4)为移动式的，以便适合于干船坞、船台或港口作业。基本系统包括一台移动式高压泵车1，一台移动式遥控机械臂4，一个带有特殊结构装置的仿形运动清洗器3，一台水处理拖车2和一台遥控操纵台5
【8】。
该系统的高压泵被设置在置于一拖车上的船用集装箱内，由柴油机驱动，可在250MPa的压力下提供40L/min的流量，操作者在遥控操纵台控制泵的工作状态，也可在泵旁手动操作，自动保护装置监测着泵的工作状态并在运行不正常时发出警告。清洗器是一个气压控制的15cm宽的水射流喷头，包含20多个人造宝石喷嘴，喷嘴所处的不同位置和尺寸保证了水射流能量的均匀分布。喷头体本身不受水射流的磨损，喷头中的喷嘴是唯一的消耗品。喷头可充分利用水射流的能量除锈(漆)，路径由清洗器引导，并具有自动贴合不同表面轮廓船体的能力。在喷嘴的周围还设有一个废液真空回收罩，通过抽真空达到几乎100%除去废液、悬浮漆皮和固体残渣的能力，并将其输送至水处理拖车进行过滤、分离，使水得以重新利用，而废渣则集中排出。这样可在喷头沿船体或其它表面作业时不会由于飞溅的废液残渣污染已清洗的表面，而且由于水射流高速通过喷嘴时所产生的温升和强力抽真空的作用使得被清洗表面的水分迅速蒸发，马上呈现出一个清洁、干燥的表面，解决了水射流、磨料射流除锈作业后钢材表面快速返锈问题。
舰船水线下典型涂料包括若干层底漆、防锈涂料和防生物附着涂料或面漆。这些涂料的平均厚度为0.75～1mm，厚者可超过2.5mm。船舶航行归来后通常还存在严重的海生物附着和锈蚀。上述系统到船厂后的第一项试验是在船台上除去尼米兹航母水线下的一块大约50m
2的涂层与锈层。试验表明，系统通过改变水压和喷嘴的转速可除去所有涂层或锈层至裸露的金属表面或有选择地去除某些涂层或锈层。在除漆作业中，系统所达到的除漆速度为19～35m
2/h，可用于去除船体外表、甲板上的各种涂层，并几乎100%地收集残液废渣，避免了涂层中所含重金属对环境的毒化作用。对进入和离开水再生系统的液流进行检测，确定其所含微量金属成分，表明绝大多数的漆皮和固体残渣被固/液分离器析出并收集于一个200L的废物桶内。在初步试验之后，又在多个船厂的舰船和船台上进行了除漆作业，表明机组性能优于预料。该系统除漆(锈)作业的主要优点在于它不仅优于传统的船舶除漆(锈)方式，如喷丸、锤敲、喷砂、铲、刮、用钢丝刷刷等，而且与磨料水射流除锈相比，也具有优势。这主要表现于:不产生大量的废弃物(如喷砂用铜矿渣、磨料水射流用磨料等)，由于漆皮、锈渣数量极小而无需专门的废物收集、处理设施；工作现场无粉尘飞扬和空气污染，在除漆(锈)作业的同时可进行其它作业，省掉了工人操作中所需的呼吸器和设备所需的防尘罩，使操作人员和环境避免了有毒废物的影响；较高的除漆(锈)作业效率，并具有选择性地去除涂层和彻底除漆(锈)的作业能力；被处理表面清洁而干燥，在除漆(锈)后不需要进一步清理即可进行重新涂装作业。
3.核电站膨胀节涂层的清除 原苏联设计的匈牙利PAKS核电站压水堆水池内有一个铸铁制的膨胀节，与堆芯直接接触以补偿温差。该环外涂一层坚固的耐热涂层，涂层面积达16m
2，可以吸收堆芯散发出的大部分辐射，从而减小保养维护中操作者所受的辐射剂量。为了减小操作者维护时的辐射剂量，需用超高压水射流去除该涂层，以便重新镀镍。在实际操作前，首先在类似的条件下对焊接试样和膨胀节模型做了模拟实验，以展示水射流技术工艺的有效性和包括废物收集在内的工装设备的可靠性。试验结果见表13-3、表13-4
【9】。
作业采用的超高压射流系统包括200MPa压力的泵，可伸入密闭狭小环境内工作的手持式带旋转喷头的喷杆和可进入膨胀节底部的特制小车。由于操作中不必把环境中的所有悬浮微粒都收集处理，只须收集剥除的涂层，因此系统中没有采用复杂的全真空收集器，而只采用了一个简单的真空系统来收集反应堆水池底部的废涂层，经过滤后集中处理。该工作须戴着呼吸器在相当狭窄闷热的环境下进行，因此采用轮班作业，每班作业20～30min，全部射流作业时间为5h，24h内去除了98%的涂层，满足了技术要求。作业现场布置如图13-5所示。
4.清除飞机发动机热喷涂涂层 热喷涂涂层中，电弧喷涂涂层通常比等离子喷涂涂层具有较高的附着强度，电弧喷涂95/5的Ni/Al涂层广泛用于修复飞机发动机部件。通过对水射流作用机理的了解和合理地设定工艺参数，应用超高压水射流可在发动机大修期间有效地去除这种涂层。文献
【10】报道在JT8D发动机的修理中即采用了超高压水射流系统清除热喷涂涂层。系统的主要组成为375MPa额定压力的增压器，可调速的旋转清洗头，机器人控制器等。
作业前为了评估单个旋转喷头去除涂层的效果，准备了一些喷涂了不同厚度涂层(0.18～1.8mm)的试样，涂层材料为95/5的Ni/Al。作业压力为345MPa，靶距为38mm，喷头旋转速度为400r/min，用一个0.35mm直径的喷嘴一次扫过涂层表面。图13-6a为在给定的进给速度下一次喷扫后涂层的残余量。在0.33mm厚度以下的涂层可在进给速度为380mm/min或更低时彻底清除，当进给速度超过500mm/min时则不能彻底清除涂层。将其结果转绘为图13-6b后即表明在所选工况参数下不同进给速度时的作业区域。
为了评价水射流可能对基层材料的影响，用没有涂层的低碳钢试样进行了水射流冲击试验，工况参数的设置与前述剥层作业相同。试验表明，在进给速度超过380mm/min时，对基层材料没有影响。若将对基层材料有影响的区域和没有影响的区域相比较，则可知道水射流剥层工艺可在很大进给速度范围内进行彻底的剥层作业而不引起基层材料的损伤，这也是这种工艺的一个关键性的优势。
每一种涂层都存在一个临界压力值，水射流冲击压力低于此值时则不能去除涂层。该临界压力取决于涂层与基层材料的附着强度和每层涂层之间的粘接强度。当压力升高时剥层效率随之增加，但超过某一压力时，因为需要防止基层材料不受损伤和射流发散的增大，导致剥层效率会再次下降。在这两个界限之间剥层效率基本保持稳定。对于等离子喷涂和电弧喷涂涂层，临界压力为200～250MPa，最佳工作压力为300～350MPa。此外，在射流切割中靶距应尽可能近，通常取3mm左右。而对于清除涂层，尽管对不同的涂层所用的靶距不同，但一般靶距的范围为15～50mm。作业中选用旋转喷头可显著提高剥层效率。作业效率不仅同涂层的种类和特性、喷涂技术和方法有关，也和水射流作业参数密切相关，其中压力、流量和进给速度是关键因素，在本例中靶距和喷头转速一旦设定则变化不大。
在通过试验充分了解水射流剥层机理和热喷涂涂层特性的基础上，采用超高压水射流可在20min内彻底清除JT8D发动机燃烧器上的热喷涂涂层，不仅克服了其它方法在作业效率、经济性和作业环境等方面的问题，而且水射流作业时对基层材料的损伤最小，表面残存应力也大大减小。
13.4除锈工艺的比较
除锈是船舶、车辆、工程装备和工业设备加工制造的重要工序之一，它直接影响到后续工艺和零件、设备表面涂装的正常进行，通常称之为表面预处理工艺。常用的钢材表面预处理工艺有:
(1)手工或动力工具清理。即用铲刀、钢丝刷、机动钢丝刷等工具进行的表面预处理。其优点是成本低(在劳动力价格较低的情况下)，缺点是效率太低、劳动强度大，而且除锈质量不均匀。
(2)火焰清理。是一种热作业工艺，清理后需用机动钢丝刷清除由于火焰加热作业而产生的附着物。我国通常不采用这一工艺。
(3)超声波清理。又称为超声场内浸蚀清洗，其原理是将物件与浸洗介质一起置于超声场内，在浸泡的同时施加一个强力的超声波振荡作用，促使锈蚀物剥离，氧化皮和浸蚀残渣快速离开工件表面。超声波频率为22～23kHz。这种工艺只适于小型工件的除锈。
(4)气体喷砂。是利用压缩空气抽吸砂(铜矿渣)并使其加速喷射到被处理表面上，利用磨料的打击力除锈、剥层。其除锈质量较好，效率较高，得到广泛应用。缺点是铜矿渣原料较贵，又不能回收利用，且因为有毒而须运送到指定地点深埋或废弃，每年产生大量污染物；施工过程中产生的大量灰尘危及到作业人员的健康，对现场的空气造成严重污染，对一些敏感设备如雷达、起重机、绞盘和控制设备等需要进行粉尘防护。
(5)磨料水射流除锈。消除了气体喷砂所造成的现场粉尘污染问题，磨料采用河沙或海沙，来源广泛而便宜，除锈、剥层作业速度快、质量好，是一种行之有效的除锈作业工艺。
(6)纯水射流除锈。虽然磨料射流除锈的实用效果很好，但由于除锈作业(特别是船舶、大型容器的除锈作业)大都属高空作业，因此磨料的输送在有些场合下显得不太方便。为了解决这一问题，人们又开始采用150～250MPa的超高压纯水射流或较低压力下的特种射流(脉冲射流、空化射流等)进行除锈作业，大大提高了水射流除锈的适应性，简化了除锈装置系统，有利于机械化和自动化的实施。
综观几种除锈工艺，各自都有优缺点，但从改善作业环境、降低劳动强度、提高除锈作业的效率和质量、实现机械化和自动化除锈作业方面来讲，水射流除锈工艺(特别是纯水射流除锈)都有其显著的优势。对于水射流除锈作业存在被除锈表面的轻微返锈问题，很多涂料都可以适应。在高要求下，一可以通过在水中加入一定量的化学缓蚀剂使其在涂装前抑制返锈；二是合理安排预处理与涂装时间；三是采用真空排渣并促使表面快速干燥来防止返锈。
13.5铸件清砂
【11】 在机械制造业中，大量使用铸件毛坯。铸件的质量小到几公斤，大到上百吨，在机械加工之前都必须首先进行清砂。就现代清砂技术和工艺而言，可采用干式抛丸与喷砂，也可采用水爆和高压水射流清砂。
喷嘴是高压水射流能量转换的主要元件，铸件清砂喷嘴的材料可选用精细陶瓷、硬质合金和人造宝石等，以提高使用寿命。喷嘴结构多采用圆锥收敛式，喷嘴内孔的粗糙度一般要求很高，以提高射流密集性和切割破碎砂型的能力。
铸件水射流清砂的主要技术参数有水射流轴心速度、冲击力、最大冲击压强、工作压力、耗水量和喷嘴直径。
最大冲击压强p
max发生在射流长度l=200d处，其表达式为
p
max=183v
2 为了获得比较满意的铸件水射流清砂效果，P
max必须大于型砂芯的破坏强度p
b，即
p
max=kp
b式中 d——喷嘴直径；
v——喷嘴处射流速度；
k——铸件水射流清砂裕度系数，取4～6，型砂抗压强度较
大时取大值；
p
b——铸件砂型的破坏强度。
污水净化和砂的再生使用是与水射流清砂不可分割的配套工程，所以在系统和设备的选择和设计时必须同时考虑。高压水射流清砂系统如图13-7所示。
参考文献
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