噴砂工藝參數對不銹鋼表面環氧涂層結合力的影響

王瑞，侯榮國, *，張玉龍，張苗苗，肖洪浩，陳鑫

（1.山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049；2.山東精工泵業有限公司，山東 淄博 255200）

不銹鋼材料性能卓越，應用廣泛且快速發展[1]，但在富含氯離子的海水環境中可能會發生點蝕、應力腐蝕等局部腐蝕現象。在不銹鋼表面制備有機涂層是有效的解決方法[2]。涂層與基體之間的結合力是重要的性能指標之一，直接影響涂層的實際應用和推廣。影響涂層結合力的因素有很多，適宜的表面處理是提高涂層結合力的關鍵[3]。噴砂處理是使金屬表面粗化最為常用和高效的技術[4]，能夠增大涂層與基體的實際作用面積，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，發現涂層結合力和基體粗糙度之間存在非線性關系；胡豆豆[7]分別采用白剛玉和棕剛玉對45鋼進行噴砂預處理，再噴涂氧化鋁粉末涂層，發現采用白剛玉作為磨料噴砂處理時，氧化鋁涂層表現出更優的耐蝕性；林紅吉等[8]以5083鋁合金為基材進行噴砂處理時發現，噴砂可以增大工件與涂料接觸的相對表面積，消除表面殘余拉應力，有利于延長涂層壽命?？偠灾?，對基體進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，先通過單因素試驗研究噴砂時間、噴砂距離、磨料目數和噴砂角度對304不銹鋼表面形貌、粗糙度及其與環氧涂層結合力的影響，再通過正交試驗，以環氧涂層與不銹鋼的結合力為指標，尋求最優的噴砂工藝。

1 實驗

1.1 主要試劑

環氧樹脂E44、固化劑聚酰胺650：工業級，定遠丹寶樹脂有限公司；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，此時基體與涂層之間的結合力為14.2 MPa。

采用國產葛力1010型噴砂機進行噴砂，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 環氧涂層的制備

涂料配方(以質量分數表示)為：環氧樹脂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的環氧涂層。

1.4 性能檢測方法

使用國產三豐TR200型便攜式粗糙度測試儀測量不同試樣的輪廓算術平均偏差(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》，使用美國MTS E45.105型電子萬能試驗機檢測涂層結合力，所用試柱如圖2所示。

圖2 拉開法試驗示意圖Figure 2 Sketch of pull-off test

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

為了確定正交試驗的試驗因素和水平，先進行單因素試驗。未說明之處的噴砂時間、噴砂距離、磨料目數和噴砂角度分別為60 s、10 cm、24和90°。

2.1.1 噴砂時間對基體表面粗糙度和涂層結合力的影響

由圖3可知，隨著噴砂時間的延長，304不銹鋼的表面粗糙度呈現逐漸增大的趨勢。噴砂60 s時，304不銹鋼的Ra最高，為5.426 μm。繼續延長噴砂時間，304不銹鋼的表面粗糙度變化不大。因為隨著噴砂時間的延長，磨料撞擊基體表面而產生的不規則凹坑增多，引起粗糙度增大；在粗糙度穩定后，繼續延長噴砂時間，磨料會鑲嵌進基體表面，導致磨料殘留增多。

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

涂層結合力隨著噴砂時間的延長也呈現增大的趨勢，在噴砂60 s時，涂層結合力達到最大的19.7 MPa。再延長噴砂時間，涂層結合力基本不受影響。涂層結合力提高是因為噴砂處理會使基體表面的實際表面積成倍增大，意味著涂層與基體表面發生物理和化學反應的作用面積增大[9]。從圖4可知，噴砂時間為60 s時，基體表面的粗糙結構比較均勻，沒有過于尖銳的結構。因此選擇噴砂時間為60 s。

圖4 噴砂60 s時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 噴砂距離對基體表面粗糙度和涂層結合力的影響

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先增大后減小的趨勢，噴砂距離為6 cm時，304不銹鋼的Ra達到最高，為6.298 μm。

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

涂層結合力隨著噴砂距離的增大也呈現先增大后減小的變化趨勢。噴砂距離為10 cm時結合力最大。從圖6可知，噴砂距離為6 cm時，基體表面起伏過大，部分區域過于尖銳，在刷涂涂料后可能會有氣泡產生，加之凹坑處容易產生應力集中，一些殘留在凹坑處的細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，與基體的接觸面積減小，造成結合力下降[10]?？梢娀w粗糙度并不是越高越好，粗糙度過高反而會降低涂層與基體的結合力。因此選定噴砂距離為6、10和14 cm作為正交試驗的3個水平。

圖6 噴砂距離6 cm時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 磨料目數對基體表面粗糙度和涂層結合力的影響

由圖7可知，304不銹鋼的表面粗糙度隨著磨料目數的增大呈現迅速減小的趨勢，磨料目數為16時，基體的Ra最高，為7.121 μm。這是因為噴砂處理的基體表面起伏程度與磨料尺寸直接相關，磨料目數越小表示磨料尺寸越大，噴砂時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重[11]。

圖7 磨料目數對基體表面粗糙度和涂層結合力的影響Figure 7 Effect of mesh number of abrasive on surface roughness of sandblasted substrate and adhesion of coating thereon

涂層結合力隨著磨料目數增大呈現先增大后減小的趨勢。磨料目數為24時，涂層結合力最高。由圖8可知，采用目數為16的磨料噴砂后，304不銹鋼表面存在一些尖銳結構和不規則凹坑，起伏落差較大，導致表面的整體粗糙結構不均勻，引起涂層結合力下降。因此選定磨料目數16、24和60作為正交試驗的3個水平。

圖8 磨料目數為16時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 噴砂角度對基體表面粗糙度和涂層結合力的影響

由圖9可知，基體表面粗糙度隨著噴砂角度的增大呈現先增后減的變化趨勢，噴砂角度為75°時基體的Ra最高，為5.703 μm。噴砂角度過大或過小都會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，使得噴砂粗化機理不是純粹的切削變形，導致基體最終的表面粗糙度下降[12]。所以，噴砂時應傾斜一定角度，不宜垂直噴砂。

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

涂層結合力隨著噴砂角度增大的變化趨勢與基體表面粗糙度一致，在噴砂角度為75°時獲到了最大結合力20.1 MPa。由圖10可知，以75°角噴砂后基體表面的粗糙結構較均勻，更容易與環氧涂層之間構成機械咬合。因此選定噴砂角度60°、75°和90°為正交試驗的3個水平。

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

根據單因素試驗結果，固定噴砂時間為60 s，以噴砂距離(因素A)、磨料目數(因素B)和噴砂角度(因素C)為考察因素，以涂層結合力為指標，按L9(34)表進行正交試驗，結果見表1。由極差分析可以看出，3個因素對涂層結合力影響的順序為：磨料目數 ＞ 噴砂距離 ＞ 噴砂角度。磨料目數對涂層結合力的影響最顯著。由均值分析可知，較佳的噴砂工藝參數組合為A2B2C2，即：噴砂距離10 cm，磨料目數24，噴砂角度75°。在該條件下進行3次平行噴砂試驗，以驗證該工藝的穩定性和合理性。結果顯示，涂層的平均結合力為20.2 MPa，3次結果無顯著性差異。故確定A2B2C2為最佳噴砂工藝。

表1 正交試驗結果和極差分析Table 1 Orthogonal test result and range analysis

3 結論

(1) 對304不銹鋼基體進行噴砂處理可以顯著提高環氧涂層在其表面的結合力，但存在最佳粗糙度范圍，粗糙度過高反而會降低涂層結合力?；w表面粗糙結構的均勻程度也是影響結合力的關鍵因素。

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