喷砂 - 全界百科

喷砂(英文：sand blasting ）是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。

其原理是在压缩流体（空气、液体）的作用下，形成高速喷射束将喷料（铜矿砂等）高速喷射到需要处理的物体表面，使物体表面获得一定的清洁度、平整度和不同的粗糙度，改善物体表面机械性能，提高物体抗疲劳性等。

一位名叫本杰明切尔蒂尔曼的美国上尉，在军中发现，沙漠中的沙子蚀刻了那些没有保护、暴露在外的玻璃。受此启发他于1870年获得的第一个喷砂清理美国发明专利，之后在技术、材料、设备等上不断发展，发展为全球最大的抛喷丸设备生产厂商，为世界抛喷丸表面清理、强化及成形行业的发展奠定了基础。他创立的维尔贝莱特蒂尔曼公司至今该公司走已过了133年。在中国，干气喷砂除锈工艺于80年代进入商业应用。

喷砂可以用干磨料 (干喷砂)或是悬浮于液体中的磨料(湿喷砂)。

喷砂广泛应用于工件涂镀、工件粘接前处理、铸造件毛面、热处理后工件的清理与抛光、机加工件毛刺清理与表面美化、善零件的机械性能、光饰作用、各种修井作业等。

简史

一位名叫本杰明切尔蒂尔曼（Benjamin Chew Tilghman）的美国上尉，在军中仔细对比观察那些盖在防眩网下的玻璃时，发现大风刮起沙子冲击玻璃窗的现象，在沙漠中，沙子蚀刻了那些没有保护，暴露在外的玻璃。受此启发他于1870年获得的第一个喷砂清理美国发明专利。之后，他同他的弟弟Richard一起，游历欧洲，参观各国的实验室和化工厂，并广泛开展合作研究，逐渐改进高硬度急冷生铁丸的生产工艺，并把铸铁丸产品用于石材的锯切、钻探等方面。他创立的维尔贝莱特蒂尔曼（Wheelabrator Tilghman）公司至今该公司走已过了133年。

1870年，本杰明切尔蒂尔曼获得了利用空气、水或其他气体，推动石英砂、铸铁砂、细钢丝切断的颗粒进行喷砂处理第一个美国专利。从理论深度、完整性方面阐明了压力、吸砂管负压与喷射砂子的关系，在抛丸、喷丸及喷砂领域中具有划时代的意义；还发明“真空加压技术”，即利用一个容器装砂子，在砂子在上面引入空气，给砂子施压；发明了一种利用磨料通过漏斗下落，被高速旋转的叶片冲击抛出的方法，即抛射和甩出技术。1872年，发明冷硬生铁喷丸的制造方法，即将溶化的金属液体倒在潮湿的铁板上获得急冷铸铁丸；后来，与他的弟弟理查德（Richard）成立蒂尔曼公司，生产急冷铸铁丸，用于石材加工行业，再后来，还将急冷铸铁丸用作喷砂磨料提高喷射效率。

1877年，马修森（J.E. Mathewson）发明刻蚀玻璃、石材、大理石、木头、金属及其他硬材料的设备。威拉德与范布伦特（Willard A., Van Brunt）获得美国专利U.S. 252279 “Cut tivator tooth” ，即用喷砂方法生产刀的方法。

1879年，本杰明切尔蒂尔曼在伦敦成立蒂尔曼（Tilghman）喷砂公司，后又在谢菲尔德（Sheffield）设立喷砂公司，利用急冷铸铁丸磨料喷砂方法生产锉刀，替代从美国进口锉刀；在英国创立维尔贝莱特蒂尔曼（Wheelabrator-Tilghman）公司，后发展为全球最大的抛喷丸设备生产厂商，为世界抛喷丸表面清理、强化及成形行业的发展奠定了基础。1885年，本杰明切尔蒂尔曼获英国专利，即将磨料装在漏斗中，靠重力送到喷嘴，以4.92kg/cm2的压力喷砂。1887年托马斯尼科尔森（Mr. Thomas E. Nicholson）开始在英国生产铸铁丸。

1892年BMD（Badische Maschinenfabrik Durlach）公司获得了德国 Kaiserliches Patentamt抛丸设备专利。

1895年苏格兰人通过喷砂工艺翻新房屋。

1897年报道了在纽约、亚特兰大，利用喷砂工艺来消除战舰上的旧漆和锈蚀、公共事业部门利用喷砂工艺来清理高架桥及地铁结构表面的锈蚀。

1920年，美国的约翰欧文（John F. Ervin）创立了欧文（ Ervin ）公司，从事铸钢丸、铸钢砂及铸铁丸等金属磨料的研究、开发与生产，并获得多项美国金属磨料专利。

1932年原美国铸造设备公司即路易斯派克Louis D. Peik公司，后被维尔贝莱特（Wheelabrator）公司收购，发明了履带式喷砂设备。

1933年，路易斯派克（Louis D. Peik）公司利用离心式抛头，发明了抛丸设备，并首次在世界博览会上亮相，命名为“进步的世纪”。同年奥特百福（Otto Pfaff）公司将首台抛丸设备卖给了密歇根州的本顿海港压延（Benton Harbour Malleable）公司。

1935年，维尔贝莱特（Wheelabrator）公司发明了叶片式抛丸设备。

1937年，乔治费舍尔（Georg Fischer）公司开始为美国铸造设备公司（American Foundry Equipment Compan）生产抛丸设备，第二次世界大战期间，美国成为设计和开发铸造用抛丸设备的主要生产国。

1939年，欧文（ ERVIN ）获得美国专利U.S. 2141757“Metallic abrasive material ” 金属磨料材料。

1941年，美国欧文（ERVIN）公司首次生产铸钢丸、铸钢砂及铸铁丸。

1943年，在短短的10年里，维尔贝莱特公司生产了2000多台抛喷丸设备。

1946年，美国铸造设备公司考虑到维尔贝莱特品牌的重要性，将其更名为美国维尔贝莱特设备公司（American Wheelabrator & Equipment Company）。

1950年，乔治费舍尔（George Fischer）公司引进盘条和钢带抛丸清理去氧化皮的设备。维尔贝莱特（Wheelabrator）公司在马里诺尼（Marinoni）生产的抛丸设备用于钢材涂装前处理，即钢材表面除锈与清理。

1951年，维尔贝莱特（Wheelabrator）成为全球最大的抛喷清理设备和金属磨料制造商，为市场带来了众多创新之举。

1952年，欧文公司（ ERVIN ）创立Amasteel品牌铸钢磨料，成为后来北美地区的铸钢丸、铸钢砂金属磨料的最大生产商，并在英国、韩国等地开设了金属磨料工厂，相继研发出不锈钢丸，对全球金属磨料行业带来了革命性的变革。之后，他又发明了ERVIN寿命试验机，用于金属磨料寿命、抛喷丸强度测试，并依此制订了美国汽车工程师协会SAE-J445 METALLIC SHOT AND GRIT MECHANICAL TESTING金属磨料测试标准。

在中国，为了解除人工锤击除锈的繁重劳动,干气喷砂除锈工艺于80年代进入商业应用。其原理是从空气压缩机为动力将有压钢质容器内的干砂输送至砂喷枪 ,形成砂射流借以剥除锈层。应用表明,这一新技术收到很好除锈效果。

技术原理

喷砂是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。采用压缩流体（空气、液体）为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、碳化硅、铁砂、海南藏族自治州砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对物体（工件等）表面的冲击和切削作用，使物体（工件等）的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使物体（工件等）表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性；在涂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。

设备及结构特点

成套的喷砂设备一般有五个基本组成部分:喷射装置、喷砂室、分离室、磨料回收装置和集尘器。

喷射装置是喷砂设备的核心部分。依磨料喷射方法不同,常用的喷砂设备和方式可分为吸入式、压力式和离心式三种主要类型。

吸入式喷砂

又称为导入式喷砂,通常认为是最简单的磨料喷砂方式。它是采用引射型喷嘴,由压缩空气引射造成负压 ,从喷砂室的储砂斗中吸入砂料,并通过软管送到喷嘴口高速喷出。到喷嘴口高速喷出。这种喷砂方式的特点是设备简单,但效率较低,且喷嘴上联两根软管操作不便,较适用于小零件。整个吸入式喷砂室的简图,其尺寸为1220mm x915mm x840mm。这种喷砂室既可人工操作,也可以安装上固定喷嘴或摆动喷嘴,并加上定时器和控阀装置而构成自动化连续压力容器。

压力式喷砂

采用直射型喷砂。压力式喷砂装置磨料盛放于一个周期性压力容器中, 压缩空气通过一特制的喷嘴把磨料喷出并加速到超音速 ,落入工件表面从而使污物和膜层机械地剥离。一种典型的周期性压力容器尺寸为610mm x610mm,排砂能力0.1m,使用压缩空气为690kPa;这种设备的生产能力是使直径为6mm的喷嘴连续工作30.60min。切断气源之后,重力使充气阀给压力容器重新充气;如压力下降至无表压,则磨料的重力就使充气阀拉下,并使其保持开启状态。压力式喷砂的特点是生产效率高,适用性广,可大批量生产,但设备较复杂,常用于大、中型工件的喷砂。

离心式喷砂

这种方式不用压缩空气而以旋转叶轮输送磨料 ,利用离心力的作用使大量磨料高速流转以清理金属表面。这种离心式喷砂的主要优点是可把大量磨料喷射到较大的工作面上,抛砂能力可达50~900kg/min。但是，这种方式在工艺和设备上不够灵活,故应用较少。

分离装置

分离装置则是把使用过的磨料在喷砂过程中混入的污垢、氧化皮、砂土、细小粒子和其他杂质分离除去,以利回用。常用的分离装置是空气清洗装置(磨料通过一个薄板帘的空气使较轻粒子折向而去除)及离心 (旋转) 分离器 ,有时也用筛分分离。

集尘器

是喷砂设备中必不可少的环保设备,用于去除最小杂质和保持工作环境清洁。

喷砂方法

干湿法

除设备原理的区别外,还可分干法和湿法两类：

干法

离心式喷砂、空气喷砂都可以使用。

湿法

湿法喷砂是在磨料中加入少量液体(通常是水),这样,可以减缓磨料对金属工件的冲击,减少去除金属量 ,提高表面光洁度,而且粉尘少,劳动条件也更好。若在水中加入一定的化学药剂 ,可防设备和工件被腐蚀,并提供辅助清洗作用。

在一些专业化去毛刺时,还有采用不含磨料的高压水喷射的方法。

喷砂室形式

喷砂室有从简单到复杂的多种形式：

在工具车间中常用的简单喷砂室是带橡胶手套的手工操作室。

改进的机械传动形式是把工件放在连续回转工作台、分度转台或是传送带上穿过或滚过喷砂区间,以提高生产率和减轻手工操作。

自动化的喷砂室一般须另外设计,而对特大工件(如整艘轮船 )分段喷砂时,则须用移动式密封喷砂室,以防止砂粒逸出。

工艺流程

喷砂工艺流程

⑴喷砂前处理阶段：溶剂清洗、酸洗、手动工具、动力工具。

⑵喷砂工艺阶段：清洗、去油 →喷砂→防锈。

具体步骤

(1)仔细检查,清除粉末,飞溅物等附着物,并清洗表面油脂及可溶污物,对无用的支撑或连接物也应做妥善处理。

(2)先开照明灯,后开压缩空气阀门,将喷嘴空喷2~5min,使管道中的水分喷掉,以免使砂子潮湿,然后关严压缩空气阀门,将输砂管插到砂中。

(3)将零件送入工作箱,关上箱门。

(4)启动抽风设备,打开压缩空气阀门,进行喷砂。

(5)喷砂时,应倾斜喷头30°~40°;均匀地旋转或翻转零件并缓慢地来回移动制件或喷嘴,使制件表面受到均匀喷射,直到制件表面全呈银灰色为止。

使用原料

喷砂用磨料(介质)

常用的喷砂磨料是砂粒和金属粒料。砂粒包括有石英砂、氧化铝、碳化硅、锆英砂等,金属粒料多为钢丸或冷硬铸铁丸和碎粒。此外,还有用玻璃球、塑料粒、碎果壳和玉米棒等。

磨料应根据工件的尺寸、形状和硬度来选择,选择时须考虑的主要因素是磨料的硬度、密度、粒度和形状,对钢丸和砂粒,最常用的粒度范围是0.5~1.4mm,一般都不超过3.5mm。表2-6是常用的喷砂磨料及其用途。通常,对叶轮抛砂机以铁弹和砂粒为常用,而空气喷砂设备则使用的磨料种类较多,而且可以用较细的粒度。玻璃球可以用于去污、轻度去毛刺、喷丸硬化及产生装饰性的表面精整,故在空气喷砂中使用也很广泛。

磨料回收

把用过的磨料回收处理以重新使用。磨料回收(运输)在空气喷砂机中一般使用真空管道,而在叶轮抛砂机中则多用传送带,输送到分离室(装置)处理。

压缩空气

多数喷砂处理是用空气喷砂设备,所用的压缩空气应经过油水分离器处理,以保证洁净干燥,免沾污工件和造成设备的堵塞与生锈。压缩空气的压力和消耗量视喷砂设备的类型和喷嘴直径大小而不同,例如压力式喷砂常用1~5kg/cm(表压),工件越大,需要的压力越高,压缩空气消耗量就越大。同样,喷嘴直径越大,消耗量也越大。

应用领域

喷砂因效率高、投资少，因此性价比比较高，被广泛用于铸造、清理设备，尤其是在对金属工件进行除锈、去锈操作。

表面处理

（1）表面涂覆前预处理。工件涂镀和粘接前处理喷砂，能清除工件表面的锈皮等一切污物，以在工件表面建立起十分重要的基础图式（即毛面）；通过调换不同粒度的磨料（如飞展磨料磨具的磨料），以达到相应的粗糙度，可大大提高工件与涂料、镀料的结合力，有利于粘接件粘接更牢固。

（2）表面美化。机加工件毛刺清理与表面美化喷砂，能清理掉工件表面的微小毛刺，使工件表面更加平整，消除毛刺的危害，提高工件档次。喷砂还能在工件表面交界处打出很小的圆角，从而使工件显得更加美观和精致。

（3）表面清理和抛光。铸造件毛面和热处理后工件的清理与抛光喷砂，能够清理铸锻件和热处理后工件表面上的氧化皮、油污等残留物等一切污物，并将工件表面抛光提高其光洁度，达到工件均匀一致的金属本色，使工件外表更美观。

（4）改善零件的机械性能。经喷砂后的机械零部件，在其表面产生均匀细微的凹凸面，能使润滑油得到存储，从而改善润滑条件，减少了噪声并提高了机械使用寿命。

（5）表面光饰。对于某些特殊用途工件，喷砂可随意实现不同的反光或亚光。如不锈钢工件、塑胶的打磨，玉器的磨光，木制家具表面亚光化，毛玻璃表面的花纹图案，以及布料表面的毛化加工等。

其他应用

牙科

运用喷砂技术，把空气、水和砂粉混合后,以一定压力喷至牙面，去除牙面上的菌斑和色素。此方式于1980年问世,近年来逐渐被广泛应用于临床"。

石油作业

高速流体射流切割技术最早是用于水力喷射清洗油层、用酸化水清除套管内壁水泥和地层表面。60年代，水力喷砂技术已广泛应用于各种修井作业，如压裂前的预处理;降低油气比和含水量;清洗井身;钻磨水泥塞;提高油井产油量和注水井的注水量等。近十几年来，国内外更多地用水力喷砂( 磨蚀 )射孔来代替现用射孔方法。如在多层套管井中回采油层，利用水力喷砂射开目的层。它是利用液体运动能量和含砂液体磨蚀能量击穿一层或多层套管，整个射孔过程是在保持套管水泥环不受损坏条件下进行。为了给油层出油创造条件，还可用此法清洗井底。

在国内外油田，应用水力喷砂技术取得了理想的效果。如在工程上，应用水力喷砂削弱致密结构的油层;切开裂缝入口;进行压裂前的预处理或选择性压裂，在地质上，对低渗透致密层在进行改造措施前用水力喷砂预处理，明显提高了改造效果。在修井工作中，水力喷射常用于复杂事故处理的辅助措施及双层(或多层)套管射孔，效果很好。如水泥卡钻时采用直嘴喷砂切割(喷钻)、将被卡钻其处的水泥环破坏而解卡;在套铣不进、打捞不上来的复杂打捞事故中，采用直喷嘴将鱼顶杂乱物清除，使套铣打捞顺利进行。

质量要求

表面锈蚀等级和处理等级

GB/T8923的本部分规定了一系列的钢材表面锈蚀等级和处理等级。

锈蚀等级

钢材表面的锈蚀程度分别以A、B、C和D四个锈蚀等级表示,文字描述如下:

A.大面积覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面;

B.已发生锈蚀,并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,或者可以刮除,并且在正常视力观察下可见轻微点蚀的钢材表面;

D.氧化皮已因锈蚀而剥落,并且在正常视力观察下可见普遍发生点蚀的钢材表面。

处理等级

通则

规定了表示不同表面处理方法和清洁程度的若干处理等级。处理等级通过描述处理后表面外观状况的文字来定义,见喷射清理,Sa。

每一处理等级用代表相应处理方法类型的字母“Sa”“St"或“FI”表示。字母后面的数字,表示清除氧化皮、铁锈和原有涂层的程度。

注1:“外来杂质”可能包括水溶性盐类和焊接残留物。这些污染物采用干法喷射清理、手工和动力工具清理或火焰清理,不可能从表面完全清除,可采用湿法喷射清理或水喷射清理。

注2:若氧化皮、铁锈或涂层可用钝的铲刀刮掉,则视为附着不牢。

喷射清理,Sa

对喷射清理的表面处理 ,用字母“Sa”表示。

喷射清理前,应铲除全部厚锈层。可见的油、脂和污物也应清除掉。

喷射清理后,应清除表面的浮灰和碎屑。

喷砂机技术要求

1.喷砂机在满足工作压力和耗气量的条件下，应能正常工作。

2. 磨料流量调节装置调节应灵敏、方便。

3.各运动机构不应有卡阻现象。

4.喷砂机的磨料流动应连续、无堆积、堵塞现象。磨料输送系统应确保无明显的漏砂现象。

5.回收型喷砂机应确保无磨料直接向外飞溅。

6.回收型喷砂机在喷砂作业时，应能直接目视观察喷砂箱内的作业状态。

7.除尘装置运行有效，喷砂箱内呈负压状态，应无粉尘逸出。

8. 喷砂机除尘装置向大气排放的粉尘浓度应小于150mg/m。

9.在规定的清理效率和使用合适的磨料条件下，按喷砂机使用目的的不同，其使用性能应满足以下条款的一项或几项规定。对于喷砂机的使用性能应在技术文件或协议中作出明确的规定。

操作规程

(1)应制定操作规程和安全应急预案，并放置在明显处。在使用时，应按照喷砂机电气控制和压力容器操作规范操作;

(2)喷砂机应专管专用。操作和管理人员应参加由专业权威喷砂机供应商提供的喷砂岗位培训，持合格证上岗操作，并定期参加年检;

(3)在进行工作之前，操作人员应穿戴好防尘面具、防护服、防护手套竺各种防护装备;

(4) 喷砂机附近应张贴严禁烟、使用明火等警示，并严格执行；

(5)应按照规定对喷砂机做定期专业维护检验，以确保喷砂机运行安全；

(6)操作人员在作业时，应按照规定做到绝对屏蔽，以免磨料飞出造成安全事故；严禁喷枪对人喷射或玩耍，严禁向作业构件以外的物品喷射。

注意事项

一般注意事项

清洁干燥的空气是必不可少，因为不易觉察到的油迹可以严重地影响结合。一个有效的试验是把微量的METCO清理溶剂或其它的快干溶剂加于喷过砂的表面，若在溶剂干燥后显示出一个特殊的深色圆环，它一般表明在空气中有油。

喷砂角度应保持在与垂直面成10°~15°之间，在直接喷射表面有困难并且喷砂须从一个较倾斜的角度完成的地方，喷涂亦应该以近似的角度进行，如果从一个方向的某一角度喷完砂，却又从另一方向的某一角度来喷涂的话，结合强度可能接近于零。

全面彻底的喷砂很重要，操作要一直进行到表面完全呈喷砂态--即直到进一步的喷砂不再使表面颜色发生变化为止，然后，迅速重复深入地又喷一次，直到合格。这就产生出上面讲到过的凹凸部分。

施工过程注意事项

⑴ 储气罐、压力表、安全阀要定期校验。储气罐两周排放一次灰尘，砂罐里的过滤器每月检查一次；

⑵检查通风管及喷砂机门是否密封。工作前五分钟，须开动通风除尘设备，通风除尘设备失效时，禁止喷砂机工作；

⑶压缩空气阀要缓慢打开，气压不准超过0.8MPa，一般为0.2～0.6MPa；

⑷喷砂粒度应与工作要求相适应，一般在十至二十号之间适用，砂子应保持干燥；

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