Projekt okładki: Piotr Fedorczyk

Ilustracja na okładce: Kazimierz Woźniak / MARBAD (zdjęcia granulatów), Andrey Kuzmin/Fotolia, kimtaro2008/Fotolia

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Filutowski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN Michał Latusek

Recenzent: prof. dr hab. inż. Mieczysław Marciniak, Politechnika Warszawska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21335-0

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020r. (wyd. I)

Wydawnictwo Naukowe
PWN SA 02-460 Warszawa,
ul. Gottlieba Daimlera 2
tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288;
infolinia 801 33 33 88
e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

1. WPROWADZENIE

Literatura do rozdziału pierwszego

2. ZAKRES ZASTOSOWAŃ OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ

2.1. Przygotowanie podłoży pod powłoki malarskie

2.1.1. Powierzchnie podłoży poddawane obróbce

2.1.2. Oczyszczanie powierzchni podłoży suchym strumieniem ścierniwa

2.1.3. Oczyszczanie powierzchni podłoży strumieniem ścierniwa na mokro oraz wysokociśnieniową strugą wody

2.1.4. Nadawanie określonej topografii powierzchni podłoża

2.2. Matowanie, szorstkowanie i ujednorodnianie powierzchni

2.3. Oczyszczanie elementów form do przetwórstwa tworzyw sztucznych i szkła

2.4. Usuwanie gratów i wypływek z detali gumowych i z tworzyw sztucznych

2.5. Renowacja elewacji budynków, monumentów oraz oczyszczanie instalacji przemysłowych

2.6. Cięcie różnych materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

2.7. Kulowanie powierzchni metalowych

Literatura do rozdziału drugiego

3. PODSTAWY OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ

3.1. Strumień ścierniwa w pneumatycznych i hydrościernych metodach obróbki

3.1.1. Stereometryczna struktura strumienia

3.2. Strumień ścierniwa w oczyszczarkach wirnikowych

3.3. Wpływ kąta natrysku na erozyjność strugi ścierniwa

3.4. Optymalizacja wykorzystania możliwości strumienia ściernego

3.4.1. Optymalna długość strumienia ściernego

3.5. Stopień pokrycia powierzchni obrabianej i intensywność obróbki

Literatura do rozdziału trzeciego

4. OCZYSZCZARKI I INNE URZĄDZENIA STOSOWANE W OBRÓBCE STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ

4.1. Oczyszczarki wirnikowe

4.1.1. Budowa oczyszczarek wirnikowych

4.1.1.1. Separator śrutu

4.1.1.2. Turbina śrutownicza

4.1.1.3. Zespół koła rzutowego

4.1.1.4. System odpylania oczyszczarek wirnikowych

4.1.1.5. Zespół sterowania i kontroli pracy oczyszczarek wirnikowych

4.1.2. Przegląd współczesnych oczyszczarek wirnikowych

4.2. Oczyszczarki pneumatyczne

4.2.1. Zasada działania oczyszczarek pneumatycznych

4.2.2. Oczyszczarki kabinowe

4.2.2.1. Oczyszczarki kabinowe do obróbki na mokro

4.2.2.2. Przegląd współczesnych pneumatycznych oczyszczarek kabinowych

4.2.3. Pneumatyczne oczyszczarki syfonowe

4.2.4. Węże powietrzne i śrutownicze

4.2.5. Dysze śrutownicze

4.2.5.1. Dysze proste

4.2.5.2. Dysze zbieżno-rozbieżne Venturiego

4.2.5.3. Dysze specjalne

4.2.5.4. Budowa dysz śrutowniczych

4.2.6. Przegląd współczesnych pneumatycznych oczyszczarek syfonowych

Literatura do rozdziału czwartego

5. INSTALACJE OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ Z ZASTOSOWANIEM PNEUMATYCZNYCH OCZYSZCZAREK SYFONOWYCH

5.1. Obróbka pneumatyczna w warunkach terenowych

5.2. Komory śrutownicze

5.2.1. System wentylacji komory śrutowniczej

5.2.2. Systemy odbioru ścierniwa z podłogi komory

5.2.3. System recyrkulacji ścierniwa i sterowania procesem obróbki w komorze śrutowniczej

5.2.4. Współczesne komory śrutownicze

5.3. Pneumatyczne oczyszczarki bezpyłowe

5.4. Sprzęt ochronny operatora pneumatycznych oczyszczarek syfonowych

5.5. Problematyka sprężonego powietrza w pneumatycznej obróbce strumieniowo-ściernej

5.5.1. Sprężarki tłokowe

5.5.2. Sprężarki śrubowe

5.5.3. Dobór kompresorów do instalacji pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej

5.5.4. Charakterystyka sprężonego powietrza do pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału piątego

6. URZĄDZENIA DO SPECJALNEJ OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ

6.1. Bezpyłowa obróbka hydrościerna

6.2. Obróbka powierzchni wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.2.1. Zakres zastosowań wysokociśnieniowej strugi wodno-ściernej w obróbce powierzchni

6.3. Cięcie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.3.1. Podstawy procesów cięcia

6.3.2. Parametry procesu przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.3.3. Urządzenia do cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.3.4. Problemy jakościowe procesu przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.3.5. Zakres zastosowań cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną

6.4. Obróbka strumieniowo-ścierna ścierniwem suchego lodu

6.4.1. Urządzenia do obróbki powierzchni suchym lodem

6.4.2. Zakres zastosowań oczyszczania powierzchni suchym lodem

6.5. Kriogeniczne usuwanie wypływek

6.5.1. Proces obróbki i urządzenia do obróbki kriogenicznej

6.5.2. Zakres zastosowań kriogenicznego usuwania wypływek

6.6. Procesy kulowania strumieniowego

6.6.1. Parametry procesu kulowania strumieniowego

6.6.2. Określanie intensywności kulowania

6.6.3. Kontrola stopnia pokrycia powierzchni kulowanej

6.6.4. Przykłady wzrostu wytrzymałości zmęczeniowej przedmiotów po kulowaniu

6.6.5. Urządzenia do kulowania strumieniowego

Literatura do rozdziału szóstego

7. PROCESY OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ I KONTROLA ICH PRZEBIEGU

7.1. Zużywanie się elementów turbiny w oczyszczarkach wirnikowych

7.2. Kontrola położenia strefy skoncentrowanego oddziaływania strumienia ścierniwa w oczyszczarkach wirnikowych

7.3. Zużywanie się dysz w oczyszczarkach pneumatycznych

7.4. Charakterystyka strumienia roboczego w oczyszczarkach z zamkniętym obiegiem ścierniwa

7.4.1. Dobór kształtu i twardości ścierniwa w mieszance roboczej

7.4.2. Uziarnienie mieszanki roboczej

7.4.3. Możliwości wpływania na właściwości strumienia ściernego w oczyszczarce

7.4.4. Określanie uziarnienia mieszanki roboczej ścierniwa

7.4.5. Problematyka zaolejenia śrutu w mieszance roboczej oczyszczarki

7.5. Charakterystyka i kontrola jakości obrobionej powierzchni

7.5.1. Ocena zatłuszczenia obrobionej powierzchni

7.5.2. Stopnie oczyszczenia powierzchni po obróbce strumieniowo-ściernej

7.5.3. Określanie stopnia zapylenia obrobionej powierzchni

7.5.4. Elektrolity na powierzchni obrobionej

7.5.5. Ocena obecności wody na powierzchni podłoża

7.5.6. Metody pomiaru chropowatości powierzchni podłoża

7.5.6.1. Metoda wzorca

7.5.6.2. Metoda taśmy replikacyjnej

7.5.6.3. Metoda optyczna

7.5.6.4. Metody stykowe

7.5.7. Chropowatość powierzchni po obróbce różnymi ścierniwami

7.6. Problematyka kosztów obróbki strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału siódmego

8. CZYNNIKI SZKODLIWE PODCZAS OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ

8.1. Ryzyko eksplozji

8.2. Hałas

8.3. Oddziaływanie wibracji na operatora oczyszczarki

8.4. Emisja pyłów

8.4.1. Emisja pyłów z oczyszczanych powierzchni

8.5. Utylizacja odpadów po obróbce strumieniowo-ściernej

Literatura do rozdziału ósmego

O Autorze

ROZDZIAŁ 1

Wprowadzenie

Obróbka strumieniowo-ścierna, należąca do ubytkowych metod obróbki powierzchni, miała swoje początki w drugiej połowie XIX wieku. Jej dynamiczny rozwój spowodowany był wprowadzaniem nowych urządzeń, nowych mediów obróbkowych i nowych technik obróbki. Urządzenia stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej są nazywane oczyszczarkami lub śrutownicami (ang. blast cleaning machines), a procesy obróbki są określane jako śrutowanie (ang. abrasive blasting) lub potocznie piaskowanie (ang. sand blasting). Tematyce ścierniw stosowanych w tej obróbce poświęcony był I tom książki. Niniejszy II tom jest poświęcony urządzeniom obróbkowym, czyli oczyszczarkom, oraz procesom obróbki strumieniowo-ściernej.

Początki urządzeń do obróbki strumieniowo-ściernej sięgają 1870 roku i są związane z działalnością amerykańskiego wynalazcy Tilghmana, który jest twórcą idei obróbki pneumatycznej oraz metody wykorzystującej koło rzutowe. Idee zawarte w patentach Tilghmana oraz wielu innych późniejszych wynalazców z początku XX wieku są podstawą większości współczesnych, nowoczesnych oczyszczarek. Z czasem powstały nowe metody obróbki wykorzystujące energię strumienia ściernego, z podziałem na powietrzno-ścierne i wodno-ścierne. Wprowadzenie do procesów obróbki nowych mediów, takich jak suchy lód czy wysokociśnieniowa struga wody, przyczyniło się do rozwoju nowych technik obróbki, które są realizowane przez wyspecjalizowane nowoczesne urządzenia.

Współczesna obróbka strumieniowo-ścierna obejmuje różnorodne metody oczyszczania powierzchni oraz formowania warstwy wierzchniej. Jest to metoda obróbki dynamicznie rozwijająca się na świecie, w tym również w Polsce. O ile ścierniwa stosowane w tej obróbce pochodzą w przeważającej ilości z importu, o tyle urządzenia są w znacznym stopniu produkowane w kraju. Produkcję różnego typu oczyszczarek wirnikowych i pneumatycznych prowadzą polskie firmy oraz firmy zlokalizowane w Polsce, ale należące do dużych producentów zagranicznych.

Większość polskich producentów oczyszczarek strumieniowo-ściernych odpowiedziała pozytywnie na prośbę autora i udostępniła niezbędne dane dotyczące charakterystyki produkowanych przez siebie urządzeń. Umożliwiło to autorowi zamieszczenie w książce aktualnych danych o produkowanych współcześnie urządzeniach do tej obróbki. W tym miejscu autor składa serdeczne podziękowania za wyjątkowo owocną współprace dwóm polskim producentom oczyszczarek. Moje podziękowanie dotyczy firmy Sciteex w Warszawie, która jest producentem nowoczesnych oczyszczarek wirnikowych i komór śrutowniczych, oraz firmy SanTech w Krakowie – producenta nowoczesnych oczyszczarek pneumatycznych, w tym szczególnie nowej generacji oczyszczarek kabinowych. Dziękuję również firmie Szatkowski w Bydgoszczy producentowi komór śrutowniczych oraz firmie Poltech w Wieluniu producentowi oczyszczarek wirnikowych i komór śrutowniczych za umożliwienie zapoznania się z produkcją oczyszczarek, cenne konsultacje oraz udostępnienie danych o charakterystyce produkowanych urządzeń oraz zdjęć swoich produktów. Dziękuję również włoskiej firmie CM za udostepnienie licznych materiałów informacyjnych dotyczących produkowanych przez tę firmę oczyszczarek wirnikowych. To dzięki wymienionym firmom możliwe było wzbogacenie tekstu książki licznymi zdjęciami oczyszczarek i ich różnych zespołów roboczych.

Tematyce obróbki strumieniowo-ściernej poświęconych jest niewiele pozycji książkowych w Polsce. Niewielka książka J. Kaczmarka, J. Sikory i Cz. Czyżewicza z 1965 roku poświęcona jest tylko obróbce w oczyszczarkach pneumatycznych [1.4]. Wydane zostały dwie monografie dotyczące odmian tej obróbki: kulowania [1.9] i ciśnieniowej obróbki hydrościernej [1.1]. Obróbce strumieniowo-ściernej poświęcone są oddzielne rozdziały w książce J. Kaczmarka z 1970 roku [1.3] oraz książce J. Łempickiego i J. Paradysza z 1979 roku [1.5]. W większości są to pozycje wydane wiele lat temu, czyli w czasie, gdy obróbka strumieniowo-ścierna była na znacznie niższym poziomie technicznym niż współcześnie. Dotyczy to zarówno mediów, jak również oczyszczarek omawianych w niniejszym II tomie.

Poza granicami Polski nie ma też wiele opracowań książkowych na temat obróbki strumieniowo-ściernej. Jako pierwsze, w których opisano podstawy tej obróbki, należy wymienić książkę Reamsa [1.11] i książkę Rosenberga [1.12] z 1939 roku. Kolejną istotną pozycją była dwutomowa książka Plastera Blast Cleaning and Allied Processes z 1972 roku [1.10]. Bardzo cenną pozycją była niemiecka książka Horowitza Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmitteln z 1982 roku [1.2]. Ta interesująca książka zawiera wiele cennych analiz właściwości ścierniw oraz pracy oczyszczarek, szczególnie wirnikowych. Analiza dotyczy jednak stanu techniki z lat siedemdziesiątych XX wieku. Ostatnią dużą pozycją jest książka Mombera Blast Cleaning Technology z 2008 roku [1.6]. Książka ta zawiera obszerną analizę teoretyczną pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej, natomiast brak jest danych o ścierniwach i oczyszczarkach wirnikowych. Należy też wspomnieć o dwóch wcześniejszych książkach tego autora. Jedna z 1998 roku to wydana razem z Kovacevicem Principles of Abrasive Water Jet Machining [1.8] oraz druga z 2003 roku Hydroblasting and Coating of Steel Structures [1.7]. Obie książki dotyczą tematyki obróbki hydrościernej.

Autorowi nie udało się dotrzeć do pozycji książkowej, w której tematyka obróbki strumieniowo-ściernej byłaby szeroko i kompleksowo omawiana jak w niniejszej dwutomowej książce. Dane zawarte w II tomie książki opierają się na bogatych danych literaturowych oraz obszernej literaturze firmowej, wiedzy uzyskanej od producentów oczyszczarek, w tym doświadczenia zawodowego autora. Autor świadomie nie rozbudowywał analiz teoretycznych związanych z różnymi zjawiskami występującymi w procesie obróbki, a skupił się na opisie współczesnych urządzeń oraz problemów istotnych dla użytkowników obróbki strumieniowo-ściernej. Zagadnienia teoretyczne, w tym różnego rodzaju zależności matematyczne, zamieszczone zostały tylko w takim zakresie (głównie w rozdziale trzecim), aby umożliwić zrozumienie przebiegu procesu obróbki.

Dla autora przy pisaniu tej książki dużym ułatwieniem był fakt, że w działalności zawodowej ma ciągły kontakt z obsługą, serwisem i dostawą urządzeń i mediów użytkownikom obróbki strumieniowo-ściernej. Z tych powodów informacje zawarte w książce mają znaczne oparcie praktyczne.

Niniejsza książka jest drugim tomem dwutomowej książki poświęconej obróbce strumieniowo-ściernej. Te dwa tomy stanowią więc jedną całość i dlatego w II tomie nie powtarzano informacji zawartych w I tomie, pomimo tego, że w wielu miejscach tego tomu wydawało się to pożyteczne. Powtórzonych zostało tylko kilka rysunków znajdujących sią w I tomie, gdyż zdaniem autora było to niezbędne do pełnej ilustracji zagadnienia poruszanego w II tomie.

W niniejszej książce tematyka związana z oczyszczarkami i procesami obróbki opisana została w ośmiu rozdziałach, w których (oprócz rozdziału pierwszego zawierającego wprowadzenie) omówiono wszystkie zagadnienia związane z podstawami obróbki strumieniowo-ściernej oraz z poszczególnymi rodzajami oczyszczarek i innych urządzeń biorących udział w tworzeniu strumienia ściernego.

Rozdział drugi poświęcony został omówieniu zakresu zastosowań obróbki strumieniowo-ściernej z podziałem na poszczególne metody jej realizacji. Przedstawiono procesy przygotowania podłoży pod powłoki malarskie. Dokonano ich charakterystyki według stopnia skorodowania powierzchni przed obróbką oraz stopnia oczyszczenia powierzchni metodami obróbki na sucho i na mokro, w tym wysokociśnieniową strugą wody. Dużą uwagę zwrócono na problematykę nadania określonej topografii powierzchni podłoża, jako jednego z głównych celów obróbki strumieniowo-ściernej. W dalszej części drugiego rozdziału omówiono kolejne zakresy zastosowań obróbki strumieniowo-ściernej, czyli matowanie, szorstkowanie i ujednorodnianie powierzchni. Wskazano również na problemy oczyszczania elementów form do przetwórstwa tworzyw sztucznych i szkła oraz usuwania gratów i wypływek z detali gumowych i z tworzyw sztucznych i gumy, w tym realizowanych metodą kriogeniczną. Zasygnalizowano możliwości cięcia różnych materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną oraz kulowania powierzchni metalowych.

Rozdział trzeci zawiera opis teoretycznych podstaw obróbki strumieniowo-ściernej. Analizie poddane zostały zasady formowania strumienia ściernego w pneumatycznych i hydrościernych metodach obróbki, w tym stereometryczna analiza struktury strumienia ściernego. Omówiono zasady formowania strumienia ściernego w oczyszczarkach wirnikowych oraz możliwości zmiany położenia obszaru intensywnego oddziaływania strumienia roboczego (Hot Spot) na obrabianej powierzchni. Dokonano analizy wpływu kąta natrysku na erozyjność strugi ścierniwa oraz optymalizacji wykorzystania możliwości strumienia ściernego, w tym jego optymalnej długości w celu uzyskania najkorzystniejszych efektów procesu obróbki powierzchni.

W rozdziale czwartym przedstawiono podstawowe rodzaje oczyszczarek wirnikowych oraz podstawowe odmiany oczyszczarek pneumatycznych. Zamieszczono w nim krótki zarys historii rozwoju oczyszczarek z końca XIX i na początku XX wieku. Omówiono budowę oczyszczarek wirnikowych oraz ich podstawowych zespołów, w tym szczególnie budowę turbin śrutowniczych. Dokonano też przeglądu współczesnych oczyszczarek wirnikowych. Dużo miejsca poświęcono oczyszczarkom pneumatycznym, w tym oczyszczarkom kabinowym i syfonowym. Przytoczono również przykłady zrobotyzowanych stanowisk pneumatycznych instalacji obróbki powierzchni. Szczególną uwagę zwrócono na systemy sterowania procesami obróbki w oczyszczarkach syfonowych oraz dyszom śrutowniczym.

W rozdziale piątym opisano instalacje obróbki strumieniowo-ściernej z zastosowaniem pneumatycznych oczyszczarek syfonowych, w tym funkcjonujących w warunkach terenowych. Dużo miejsca poświęcono komorom śrutowniczym, które są powszechnie stosowanymi instalacjami strumieniowo-ściernej obróbki powierzchni. Zaprezentowano również współczesne komory śrutownicze wraz z wykorzystaniem w nich robotów przemysłowych. Omówiono instalacje pneumatycznych syfonowych oczyszczarek bezpyłowych, w których występuje cyrkulacja ścierniwa w procesie obróbki. Przedstawiono współczesny sprzęt ochrony operatora przed zapyleniem powstającym w miejscu obróbki, szczególnie w komorach śrutownicznych. Do podstawowych czynników mających wpływ na przebieg procesu obróbki i jej koszty należy sprężone powietrze. Omówiono instalacje wytwarzania sprężonego powietrza oraz jego charakterystykę z punktu widzenia przydatności do pneumatycznej obróbki strumieniowo-ściernej.

Rozdział szósty poświęcony został kilku specjalnym obróbkom strumieniowo-ściernym. Zaliczono do nich bezpyłowa obróbkę hydrościerną, obróbkę wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, cięcie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, obróbkę ścierniwem suchego lodu, kriogeniczne usuwanie wypływek oraz procesy kulowania strumieniowego. Te zróżnicowane sposoby obróbki strumieniem ścierniwa (lub medium kulującym) należy zaliczyć do metod powierzchniowej obróbki strumieniowo-ściernej. Od klasycznej definicji tej obróbki odbiega proces cięcia wysokociśnieniową strugą wody, którego celem jest rozdzielanie materiałów oraz proces kulowania sferycznymi śrutami prowadzący do umocnienia powierzchni kulowanej.

Rozdział siódmy dotyczy zagadnień wspólnych różnym odmianom obróbki strumieniowo-ściernej związanych z przebiegiem procesu obróbki, ze skutkami tego procesu oraz stanem obrobionej powierzchni. Zużywanie się elementów oczyszczarek, będące efektem oddziaływania erozyjnego strumienia ściernego, jest wspólnym problemem wszystkich obróbek strumieniowych. Omówiono problemy związane ze zużywaniem się elementów turbiny w oczyszczarkach wirnikowych oraz dysz w oczyszczarkach pneumatycznych. Przeanalizowano problemy związane z charakterystyką mieszanki roboczej w procesach obróbki z zamkniętym obiegiem ścierniwa oraz możliwości wpływania na właściwości tej mieszanki. Scharakteryzowano podstawowe właściwości obrobionej powierzchni oraz metody określania jej charakterystyki. Analizie poddano zagadnienia oceny zatłuszczenia powierzchni, jej zapylenia oraz obecności wody i elektrolitów oraz metody określania wielkości tych zanieczyszczeń. Dużo miejsca poświecono tematyce określania chropowatości powierzchni po obróbce. Wskazano na wpływ rodzaju użytego ścierniwa na chropowatość powierzchni. Na zakończenie siódmego rozdziału dokonano analizy problemów związanych z kosztami obróbki strumieniowo-ściernej, porównując z sobą głównie obróbki wirnikowe z pneumatycznymi.

W rozdziale ósmym omówiono problemy, jakie stwarza obróbka strumieniowo-ścierna dla obsługi i środowiska. Wyeksponowano problemy związane z zapyleniem, hałasem i możliwościami występowania urazów mechanicznych obsługi instalacji obróbki.

Za słowa zachęty do napisania niniejszej książki oraz bieżące uwagi w czasie jej pisania serdeczne podziękowania składa autor Panu prof. dr. hab. inż. Mieczysławowi Marciniakowi.

Specjalne podziękowania kieruje autor dla Pani mgr Jolanty Orligóry za pomoc, ciągłą współpracę przy redagowaniu tekstu, a szczególnie przy nadaniu ostatecznej formy ilustracjom znajdującym się w książce.

Literatura do rozdziału pierwszego

[1.1] Borkowski P.: Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrościernej obróbki powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Monografia nr 106, Koszalin 2014.

[1.2] Horowitz E.I.: Oberflaechenbehandlung mittels Strahlmitteln. Vulkan-Verlag, Essen 1982.

[1.3] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa 1970.

[1.4] Kaczmarek J., Sikora J., Czyżewicz C.: Obróbka strumieniowo-ścierna. WNT, Warszawa 1965.

[1.5] Łempicki J., Paradysz J.: Oczyszczanie i wykańczanie odlewów żeliwnych i staliwnych. WNT, Warszawa 1979.

[1.6] Momber A.: Blast Cleaning Technolgy. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2008.

[1.7] Momber A.: Hydroblasting and Coating of Steel Structures. Elsevier Applied Science, London 2003.

[1.8] Momber A., Kovacevic R.: Principles of Abrasive Water Jet Machining. Springer-Verlag, London 1998.

[1.9] Nakonieczny A.: Dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna. Monografia Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2002.

[1.10] Plaster H.J.: Plaster Cleaning and Allied Processes. Vol. I, Industrial Newspaper Ltd., London 1972.

[1.11] Reams C.A.: Modern Blast Cleaning and Ventilation. Penton Publication, Cleavland 1939.

[1.12] Rosenberg W.A.: Impact Cleaning. Penton Publication, Cleavland 1939.

ROZDZIAŁ 2

Zakres zastosowań obróbki strumieniowo-ściernej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest jedną z odmian obróbki luźnym ścierniwem, która jest zaliczana do obróbki ściernej, a ta należy do obróbki ubytkowej [2.17]. Obróbka luźnym ścierniwem polega na tym, że proces obróbki skrawaniem wykonują ziarna ścierne, które w czasie skrawania mogą zmieniać swoje położenie. W obróbce strumieniowo-ściernej ścierniwo jest uformowane w strumień, któremu nadaje się taką prędkość, aby jego energia kinetyczna wystarczyła do wykonania pracy skrawania po jego uderzeniu w powierzchnię obrabianą. Strumień ścierniwa uzyskuje tę niezbędną prędkość za pomocą sprężonego ciśnienia lub wody pod ciśnieniem albo przy użyciu koła rzutowego.

Obróbka strumieniowo-ścierna jest najbardziej wydajną metodą mechanicznego przygotowania powierzchni. Jej współczesne rozwiązania charakteryzują się wieloma uniwersalnymi cechami, określonymi przez normę PN-EN ISO 8504-2 jako takie, które stwarzają następujące możliwości [2.50]:

• uzyskanie wysokiej wydajności obróbki,

• stosowanie oczyszczarek strumieniowych stacjonarnych lub ruchomych i dostosowywanie ich do obiektów przeznaczonych do oczyszczania,

• obróbka większości typów i kształtów obrabianych powierzchni,

• uzyskanie różnych stanów (jakości) obrabianych powierzchni,

• uzyskanie różnorodnych efektów obróbki, takich jak oczyszczanie, schropowacenie, wyrównanie nierówności podłoża, docieranie gładkościowe czy umacnianie powierzchni,

• selektywne usuwanie częściowo zdegradowanych powłok z ochronnych systemów powłokowych, przy równoczesnym pozostawieniu nienaruszonych powłok będących w dobrym stanie.

Spotykane są różne podziały metod obróbki strumieniowo-ściernej. Najczęściej stosowany jest podział zamieszczony w normie PN-EN ISO 8504-2-2002 (rys. 2.1). Wyróżnia się więc dwa rodzaje obróbek strumieniowo-ściernych: obróbki realizowane suchym ścierniwem oraz obróbki realizowane ścierniwem zwilżonym lub mokrym. Strumień roboczy ścierniwa w oczyszczarce może być formowany i rzucany na powierzchnię obrabianą kołem rzutowym, sprężonym powietrzem lub wodą pod ciśnieniem. Przy użyciu koła rzutowego prowadzona jest tylko sucha obróbka strumieniowo-ścierna. Odmianą pneumatycznej metody obróbki jest metoda, w której dysza natryskowa, wymuszająca strumień ścierny, umieszczona jest w głowicy ssącej, przylegającej do powierzchni oczyszczanej i zbierającej zużyte ścierniwo i zanieczyszczenia.

Rys. 2.1. Metody obróbki strumieniowo-ściernej według normy PN-EN ISO 8504-2-2002

Alternatywnie strumień ścierny/powietrze może być zasysany na powierzchnię w wyniku obniżonego ciśnienia w głowicy ssącej.

Mało czytelne są podziały obróbki strumieniowo-ściernej na mokro zalecane przez PN-EN ISO 8504-2. W zasadzie różnią się one od siebie sposobem i ilością doprowadzonej wody do strumienia ściernego napędzanego przez sprężone powietrze.

Do obróbek strumieniowo-ściernych należy zaliczyć również obróbkę powierzchni wysokociśnieniową strugą wody. Jest ona przeprowadzana przy różnym ciśnieniu strumienia wody (do 300 MPa). Ten zakres ciśnienia strumienia wody dzielony jest najczęściej na dwa przedziały i określa się te przedziały jako mycie wodne (ang. water cleaning, WC) z ciśnieniem do 70 MPa oraz czyszczenie wysokociśnieniowe strumieniem wody (ang. water jetting; hydroblasting; hydro jetting) z ciśnieniem w zakresie 70–250 MPa [2.15, 2.43]. Mycie wodne podzielone zostało na zakres ciśnieniowy do 7 MPa [2.15] lub 34 MPa [2.43] jako niskociśnieniowe mycie wodne (ang. low-pressure water cleaning, LP WC; power washing; pressure washing) oraz na zakres od 7 lub 34 do 70 MPa jako wysokociśnieniowe mycie wodne (ang. high-pressure water cleaning, HP WC). Czyszczenie wysokociśnieniowe strugą wodną podzielone jest na dwa zakresy ciśnienia: wysokociśnieniowe 70–170 MPa [2.15] lub 70–210 MPa [2.43] (ang. high-pressure water jetting, HP WJ) oraz ultrawysokociśnieniowe powyżej 170 MPa [2.15] lub powyżej 210 MPa [2.43] (ang. ultra high-pressure water jetting, UHP WJ).

Do wysokociśnieniowej strugi wody może być wprowadzane również ścierniwo. Ten rodzaj obróbki strumieniowo-ściernej określany jest jako obróbka strugą wodno-ścierną (piaskowanie – ang. slurry blasting lub piaskowanie na mokro – wet abrasive blast cleaning, WAB) [2.9, 2.11].

Obróbka strumieniowo-ścierna jako uniwersalna metoda oczyszczania i konstytuowania powierzchni jest stosowana głównie w następujących procesach:

• usuwanie rdzy i zgorzeliny z powierzchni metalowej i przygotowanie powierzchni do nakładania powłok ochronnych,

• usuwanie zgorzeliny i zendry w procesie walcowania na gorąco,

• usuwanie starych powłok malarskich oraz przygotowanie powierzchni pod nowe operacje malarskie i lakiernicze,

• nadanie obrobionej powierzchni określonej geometrii,

• oczyszczanie odlewów z pozostałości po procesie odlewniczym z masy formierskiej i rdzeniowej,

• usuwanie wad na spoinach, krawędziach i innych obszarach na powierzchni stali z wadami,

• stępianie ostrych krawędzi,

• uszorstkowianie powierzchni metalowych i betonowych,

• oczyszczanie narzędzi, odkuwek, matryc oraz innych części maszyn po obróbce cieplnej,

• regeneracja form do metali, szkła i gumy,

• matowanie powierzchni, takich jak na przykład aluminium i szkło,

• czyszczenie konstrukcji metalowych, takich jak mosty, wiadukty, słupy linii energetycznych, rurociągi, ogrodzenia,

• czyszczenie instalacji przemysłowych,

• renowacja obiektów mieszkalnych, przemysłowych i monumentów,

• utwardzanie powierzchni metalowych (kulowanie),

• cięcie różnych materiałów wysokociśnieniową strugą wodnościerną.

2.1. Przygotowanie podłoży pod powłoki malarskie

Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farb i podobnych produktów metodami obróbki jest przedmiotem wielu norm międzynarodowych, w tym normy ISO serii 8501, 8502, 8503, 8504 oraz norm ustanowionych przez różne stowarzyszenia, takie jak NACE Int. (National Association of Corrosion Engineers), SSPC (The Society for Protective Coatings). Tej tematyki dotyczą też normy producentów produktów powłokowych, takich jak Hempel Coatings [2.30] czy International Paint [2.31]. W wymienionych normach i dokumentach normalizacyjnych stowarzyszeń czy producentów określone zostały parametry powierzchni poddawanych obróbce, parametry powierzchni po obróbce stosownie do wymagań nakładania powłok. Rozróżnia się parametry powierzchni przygotowane metodami obróbki ścierniwem na sucho i na mokro, czy też strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem.

2.1.1. Powierzchnie podłoży poddawane obróbce

W normie PN-EN ISO 8501-1 powierzchnie wyjściowe w zależności od stopnia skorodowania zostały podzielone na 4 grupy A, B, C, D [2.47]. Schemat przekroju takich powierzchni zamieszczono na rys. 2.2. Fotograficzny obraz podłoży stalowych opisanych tymi czterema stopniami skorodowania zamieszczono na rys. 2.3. Opisać je można następująco:

Rys. 2.2. Przekroje powierzchni stalowych przy różnym stopniu ich skorodowania [2.18]: a) stopień skorodowania A, b) stopień skorodowania B, c) stopień skorodowania C, d) stopień skorodowania D; 1 – zgorzelina walcownicza, 2 – rdza

A – powierzchnia stalowa pokryta przylegającą zgorzeliną walcowniczą (stal „prosto z huty”) nieznacznie lub wcale nie pokryta rdzą, zgorzelina jest gładka i z reguły zatłuszczona, dlatego przyczepność powłoki do niej jest słaba. Warstwa zendry jest bardzo twarda, ale właściwościami różni się bardzo od podłoża stalowego. Na skutek różnej od stali rozszerzalności cieplnej zgorzelina z czasem odspaja się od podłoża i z tego powodu powinna być ona usunięta z podłoża stalowego.

B – powierzchnia stalowa, na której zaczęła już występować rdza i z której zaczęła się łuszczyć zgorzelina walcownicza. Pozostała zgorzelina przylega już znacznie słabiej do podłoża.

C – powierzchnia stalowa, na której zgorzelina walcownicza jest już tak skorodowana (stal jest już długo składowana), że po jej zdrapaniu widać gołym okiem niewielkie wżery korozyjne w podłożu.

D – powierzchnia stalowa, na której zgorzelina walcownicza całkowicie skorodowała i gołym okiem widać wyraźne wżery korozyjne.

Rys. 2.3. Stopnie skorodowania powierzchni stalowych podłoży (A, B, C, D) [2.37]

Obróbce strumieniowo-ściernej poddawane są bardzo często skorodowane, uprzednio malowane, powierzchnie. Istotnym jest więc ustalenie stopnia tego skorodowania przed ustaleniem parametrów procesu obróbki. Istnieje kilka skal stopnia skorodowania opisanych w różnych normach, w tym norma PN-EN ISO 4628-3 [2.46], ASTM D 610 [2.3], tzw. skala europejska [2.8] oraz czterostopniowa skala E, F, G, H według SSPC-VIS 2 [2.55]. Miarą stopnia skorodowania powłoki malarskiej jest procent powierzchni skorodowanej. W tabeli 2.1 zamieszczono charakterystykę poszczególnych stopni skorodowania według trzech różnych norm.

Tabela 2.1. Stopnie skorodowania powłok malarskich i powierzchnia skorodowania

% skorodowanej

powierzchni powłoki

Stopień skorodowania

PN-EN ISO 4628-3

skala europejska

ASTM D 610

0

Ri 0

Re 0

10

0,05

Ri 1

Re 1

9

0,5

Ri 2

Re 2

7

1

Ri 3

Re 3

6

8

Ri 4

Re 5

4

15–20

–

Re 6

2–3

40–50

Ri 5

Re 7

1–2

75–85

–

Re 8

–

95

–

Re 9

–

100

–

–

0

W poszczególnych normach oraz materiałach technicznych firm zajmujących się tematyką malarskich powłok ochronnych są zamieszczane, często różniące się od siebie znacznie, obrazy fotograficzne powierzchni skorodowanych powłok malarskich. Na rys. 2.4 zamieszczono przykładowe obrazy powłok malarskich z 10-procentową i 30-procentową powierzchnią skorodowaną.

Rys. 2.4. Powierzchnie powłok malarskich o różnym stopniu skorodowania: a) 10%, b) 30% [2.39].

Tabela 2.2. Opis wyglądu skorodowanej powierzchni powłok ochronnych do obróbki wysokociśnieniowym strumieniem wody [2.5]

DC A

Powierzchnia, na której lakierowy system powłokowy uległ zniszczeniu do stopnia podobnego do zilustrowanego w PN-EN ISO 4628-3, stopień Ri 3.

DC B

Powierzchnia, na której lakierowy system powłokowy uległ zniszczeniu do stopnia podobnego do zilustrowanego w PN-EN ISO 4628-3, stopień Ri 4.

DC C

Powierzchnia, która mogła być pomalowana i uległa zniszczeniu w znacznym stopniu, jak zilustrowano w PN-EN ISO 4628-3, stopień Ri 5, lub jeśli całkowicie uległa zniszczeniu, jak zilustrowano w PN-EN ISO 8501-1, stopień skorodowania C.

DP 1

Grunt pigmentowy tlenkiem żelaza nałożony w wytwórni (czasowej ochrony), który uległ zniszczeniu.

DP Z

Grunt krzemianowy pigmentowany cynkiem nałożony w wytwórni (czasowej ochrony), który uległ zniszczeniu.

Pięć stopni skorodowania powłok przeznaczonych do oczyszczania strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem jest opisanych w normie PN-EN ISO 8501-4. Ich opis zamieszczono w tab. 2.2.

Na powierzchni metalowej, przeznaczonej do nakładania powłok malarskich, mogą występować wady na spoinach, krawędziach oraz ogólnie na powierzchni (wżery, kratery, naddatki walcownicze, zawalcowania substancji obcych). Ich zestawienie jest opisane w normie PN-EN ISO 8501-3. Są to wady, które metodami obróbki strumieniowo-ściernej jest trudno usunąć, a które mogą się ujawnić również po tej obróbce. Są one usuwane najczęściej za pomocą narzędzi ręcznych wyposażonych w ścierne elementy robocze.

2.1.2. Oczyszczanie powierzchni podłoży suchym strumieniem ścierniwa

Oczyszczanie powierzchni niemalowanych oraz podłoża po zupełnym usunięciu poprzednich powłok może nastąpić ręcznie lub mechanicznie młotkowaniem, szczotkowaniem, szlifowaniem czy czyszczeniem płomieniowym. Podstawową metodą oczyszczania takich powierzchni jest obróbka strumieniowo-ścierna na sucho lub na mokro strumieniem ścierniwa lub wysokociśnieniową strugą wody. W każdym przypadku przed oczyszczaniem zasadniczym należy powierzchnię przygotować wstępnie. Chodzi o usunięcie z powierzchni podłoża smarów, tłuszczu, soli, pyłów. Przeprowadza się to najczęściej strumieniem wody zawierającej odpowiedni detergent lub parą wodną, które pozwalają usunąć brud oraz tłuszcze, a nawet zasuszone lub zapieczone substancje znajdujące się na tej powierzchni. Stosowane jest również oczyszczanie roztworem alkalicznym, rozpuszczalnikami organicznymi lub innymi substancjami o składzie chemicznym dostosowanym do rodzaju zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni podłoża.

Powierzchnie przygotowane metodą obróbki strumieniowo-ściernej na sucho oznaczane są literami Sa. W normie PN-EN ISO 8501-1 są określone cztery stopnie oczyszczenia powierzchni przedstawionych na rys. 2.2 i 2.3. Oznaczone są one literami Sa i kolejnymi cyframi: Sa 1, Sa 2, Sa 2½ i Sa 3. Mogą one być opisane następująco:

• Sa1 oznacza lekką obróbkę strumieniowo-ścierną usuwającą pył, smary i brud, luźną zgorzelinę walcowniczą, rdzę, słabo związane z podłożem produkty korozji.

• Sa2 to dokładna obróbka strumieniowo-ścierna. Usuwane są zanieczyszczenia pyłowe, luźna i przeważająca część zgorzeliny walcowniczej, rdza, stare farby i inne luźne zanieczyszczenia. Pozostawione na powierzchni zanieczyszczenia muszą mieć bardzo dobrą przyczepność do podłoża, a ich łączna powierzchnia nie może przekraczać 20% powierzchni całkowitej.

• Sa2½ to bardzo dokładna obróbka strumieniowo-ścierna. Usuwane są zanieczyszczenia pyłowe, smary i inne zanieczyszczenia. Tylko minimalne ślady pozostałych zanieczyszczeń mogą być widoczne jako lekkie przebarwienia lub ciemniejsze plamy, bądź smugi, a ich łączna powierzchnia nie może przekraczać 5% powierzchni całkowitej.

• Sa3 to obróbka strumieniowo-ścierna do białego metalu. Pył, smary i inne zanieczyszczenia muszą być usunięte w całości. Powierzchnia musi mieć jednorodny metaliczny wygląd.

Rys. 2.5. Wizualna ilustracja wyjściowego stanu skorodowania (A, B, C, D) i stopnie oczyszczenia powierzchni odniesione do normy PN-EN ISO 8501-1 [2.31]

Na rys. 2.5. zamieszczono przykładową ilustrację fotograficzną powierzchni stalowej o wyjściowym stanie skorodowania A, B, C, D oraz poszczególnych stopniu oczyszczenia Sa1, Sa2, Sa2½ i Sa3. Są to zebrane przez firmę Blast One International [2.22] określone przypadki skorodowania podłoża i ich obrazy w kolejnych stopniach oczyszczenia powierzchni odniesione do normy PN-EN ISO 8501-1. W praktyce obróbki strumieniowo-ściernej obrazy powierzchni obrobionej odnoszone są do tych obrazów wzorcowych.

Poza wymienionymi oznaczeniami czterech stopni oczyszczenia powierzchni podłoża suchym ścierniwem według PN-EN ISO 8501-1 również powszechnie stosowane są oznaczenia wprowadzone przez stowarzyszenia NACE i SSPC. Ich zestawienie w odniesieniu do normy ISO zamieszczono w tab. 2.3.

Tabela 2.3. Porównanie oznaczeń stopnia oczyszczenia powierzchni metodą obróbki strumieniowo-ściernej stosowane w normie PN-EN ISO 8501-1 oraz przez stowarzyszenia NACE i SSPC

Oznaczenie opisowe

NACE, SSPC

ISO

NACE

SSPC

Biały metal

Sa3

1

SP-5

Blisko białego

Sa2½

2

SP-10

Komercyjny

Sa2

3

SP-6

Przemysłowy

8

SP-14

Szczotkowanie (brush off)

Sa1

4

SP-7

Wyjściowy stan podłoża stalowego oraz stopień oczyszczenia tych podłoży mają bardzo duży wpływ na trwałość powłok. Ilustracją tego wpływu są zależności zamieszczone na rys. 2.6. Trwałość powłok rośnie ze wzrostem stopnia oczyszczenia podłoża.

Rys. 2.6. Wpływ stopnia skorodowania podłoży stalowych (A, B, C, D) i stopnia oczyszczenia na trwałość powłok nałożonych na takie podłoża [2.4]: 1 – podłoże szczotkowane, 2 – Sa1, 3 – Sa2, 4 – Sa3

Przy jednakowym oczyszczeniu podłoża najniższą trwałość mają powłoki nałożone na podłoża najbardziej skorodowane (stopień skorodowania D). Widać ponadto, że powłoki nałożone na podłoże szczotkowane mają znacznie niższą trwałość niż powłoki nałożone na podłoża oczyszczane metodami obróbki strumieniowo-ściernej, przy każdym stopniu skorodowania.

Istotnym czynnikiem wpływającym na trwałość powłok jest wytrzymałość połączenia adhezyjnego powłok z metalowym podłożem. Wytrzymałość ta, będąca miarą siły przyczepności powłok, zależy w dużym stopniu od stopnia oczyszczenia podłoża (rys. 2.7). Wytrzymałość tego połączenia rośnie wraz ze wzrostem stopnia oczyszczenia podłoża stalowego. Prostoliniowa zależność dotyczy ścierniwa staliwnego i piasku kwarcowego, inna jest zaś w przypadku żużla pomiedziowego, co przejawia się zwłaszcza przy stopniu oczyszczania Sa3, kiedy oddziaływanie ścierniwa musi być bardzo intensywne. Przyczepność powłok jest najwyższa w przypadku obróbki odpornym na pękanie kanciastym ścierniwem staliwnym, którym można właściwie przygotować podłoże w stopniu Sa3.

Rys. 2.7. Wpływ stopnia oczyszczenia podłoża stalowego na wytrzymałość połączenia natryskowej powłoki aluminiowej z tym podłożem przy zastosowaniu różnych ścierniw [2.6]: 1 – śrut staliwny (G12 + G24), 2 – piasek kwarcowy (0,1–1,0 mm), 3 – żużel pomiedziowy (0,3–2,5 mm), 4 – piasek kwarcowy (0,6–1,5 mm)

2.1.3. Oczyszczanie powierzchni podłoży strumieniem ścierniwa na mokro oraz wysokociśnieniową strugą wody

Oczyszczanie powierzchni w suchej obróbce strumieniowo-ściernej jest bardzo efekywną metodą obróbki. Niesie ono z sobą jednak określone problemy. Największym problemem jest pylenie występujące podczas takiej obróbki. Wprowadzenie wody do strumienia ścierniwa wyeliminowało problem pylenia, ponadto umożliwiło bezpieczne stosowanie piasku kwarcowego jako ścierniwa w tej obróbce. Możliwe stało się również stosowanie drobnych ścierniw jako mediów obróbkowych. Największą jednak zaletą obróbki strumieniowo-ściernej na mokro jest możliwość uzyskania lepszego wykończenia powierzchni niż podczas obróbki na sucho. Woda wypłukuje materiał ścierny, więc nie ma pylenia i impregnacji ziarnami ścierniwa obrabianej powierzchni (rys. 2.8). Wszelkie osady lub pozostałości ścierniwa są wypłukiwane, pozostawiając czystą powierzchnię. Początki tej obróbki dały prace Normana Astwortha w 1950 roku [2.40].

Rys. 2.8. Schemat obróbki strumieniowo-ściernej [2.27]: a) ścierniwem suchym, b) obróbka ścierniwem na mokro

Obróbką powierzchni podłoży na mokro jest też obróbka wysokociśnieniową strugą wody. Proces oczyszczania wodą pod wysokim ciśnieniem znany jest od połowy XX wieku, jednak dopiero pod koniec lat dziewięćdziesiątych nastąpił gwałtowny rozwój tej metody przygotowania powierzchni, jako alternatywnej technologii do tradycyjnych metod strumieniowo-ściernych. Było to wynikiem ostrzejszych wymagań dotyczących ochrony środowiska, w tym dopuszczalnego poziomu zapylenia powietrza, ograniczeń stosowania niektórych ścierniw i restrykcyjnych przepisów dotyczących zdejmowania z konstrukcji starych powłok zawierających toksyczne pigmenty [2.5].

Technologia oparta jest na wykorzystaniu właściwości tnących strumienia wody o dużej prędkości. Kropelki wody o dużej prędkości przecinają warstwę zanieczyszczeń i uderzają o podłoże, generując w nim falę naprężeń wysokiej częstotliwości. W homogenicznym podłożu występuje wówczas erozja, natomiast w heterogenicznym następuje rozwarstwienie i zanieczyszczenia odrywają się od powierzchni metalu.

Tematyce obróbki podłoży mokrym strumieniem ścierniwa oraz strumieniem wody pod wysokimi ciśnieniami poświęcone są normy ISO 8501, normy organizacji SSPC i NACE (SSPC-VIS 5/ NACE VIS 9) oraz normy producentów farb: Hempel Coatings [2.30] i International Paint [2.31].

NACE i SSPC określają aż pięć stopni WAB (ang. wet abrasive blasting) przygotowania powierzchni strumieniem ścierniwa na mokro, a International Paint dwa stopnie SB (ang. slurry blasting) (tab. 2.4).

Tabela 2.4. Stopnie oczyszczenia WAB powierzchni ścierniwem na mokro według NACE/SSPC, ISO 8501 i International SB

Oznaczenie opisowe

NACE/SSPC

ISO 8501

International

SB

Biały metal

SSPC-SP5 (WAB)/NACE WAB-1

Sa 3

Blisko białego

SSPC-SP10 (WAB)/NACE WAB-2

Sa 2½

SB 2,5

Komercyjny

SSPC-SP6 (WAB)/NACE WAB-3

Sa 2

SB 2

Przemysłowy

SSPC-SP14 (WAB)/NACE WAB-4

Szczotkowanie (brush off)

SSPC-SP7 (WAB)/NACE WAB-5

Sa 1

Stopnie oczyszczania powierzchni przy użyciu wysokociśnieniowej strugi wody określone zostały również w dokumentach normalizacyjnych takich jak: PN-EN ISO 8501-4 [2.48], NACE no. 5 / SSPC-SP 12 [2.43] oraz International [2.31].

W 2006 roku opracowano normę EN-ISO, która w 2007 roku została przetłumaczona na język polski jako PN-EN ISO 8501-4 [2.48]. Norma ta wprowadziła trzy stopnie przygotowania powierzchni Wa, jak to podano w tab. 2.5.

Tabela 2.5. Opis powierzchni po przygotowaniu wysokociśnieniową strugą wody według PN-EN ISO 8501-4 [2.5]

Wa1

Na powierzchni oglądanej bez powiększenia nie powinien być widoczny olej i tłuszcz, luźna lub uszkodzona powłoka lakierowa, luźna rdza i substancja obca. Każde resztkowe zanieczyszczenie powinno być losowo rozproszone i mocno przylegające.

Wa 2

Na powierzchni oglądanej bez powiększenia nie powinien być widoczny olej, tłuszcz i kurz oraz większość rdzy, wcześniej nałożone powłoki lakierowe i inna substancja obca. Każde resztkowe zanieczyszczenie powinno być losowo rozproszone i może składać się z mocno przylegającej substancji obcej i plam wcześniej istniejącej rdzy.

Wa 3

Na powierzchni oglądanej bez powiększenia nie powinna być widoczna żadna rdza, olej, tłuszcz, kurz, wcześniej nałożone powłoki lakierowe i, z wyjątkiem słabych śladów, żadna inna substancja obca. Może być obecne przebarwienie powierzchni, jeśli nie została naruszona oryginalna powłoka. Szarego lub brązowego/czarnego przebarwienia dostrzeganego na stali z wżerami i stali skorodowanej nie można usunąć dalszym czyszczeniem strumieniem wody.

Porównanie oznaczeń stopni przygotowania powierzchni wysokociśnieniową strugą wody wymienionych w tych trzech dokumentach normalizacyjnych zamieszczono w tab. 2.6.

Tabela 2.6. Oznaczenie stopni przygotowania powierzchni wysokociśnieniową strugą wody [2.42]

Oznaczenie opisowe stopni oczyszczenia wg ISO, NACE

NACE/SSPC

WJ

ISO 8501-4

Wa

International

HB

Czysty metal

WJ-1

Bardzo dokładne

WJ-2

Wa 2½

HB 2,5

Dokładne

WJ-3

Wa 2

HB 2

Lekkie oczyszczenie

WJ-4

Wa 1

Wygląd powierzchni oczyszczonych wodą, przed nakładaniem powłok, zależy nie tylko od stanu wyjściowego i stopnia przygotowania powierzchni, ale również od czasu, jaki pozostaje od oczyszczenia do nakładania powłoki. Przy wszystkich mokrych metodach oczyszczania powierzchni tworzy się rdza nalotowa, która wraz z upływem czasu powiększa swoją objętość, a powstają trwałe produkty korozji, które już nie wchodzą w reakcję z farbami tolerującymi gorzej przygotowane powierzchnie. Z tego powodu producenci farb ustalili skalę nasilenia rdzy nalotowej, wyznaczając wzorzec, przy którym już nie można nakładać powłoki. Wzorce w tym zakresie opracowane przez firmę International Paint [2.31] zostały przyjęte w normie PN-EN ISO 8501-1. Podano je w tab. 2.7.

Tabela 2.7. Opis wyglądu powierzchni podłoży stalowych dla trzech stopni rdzy nalotowej [2.5]

L

Lekka rdza nalotowa

Na powierzchni, oglądanej bez powiększenia, znajdują się małe ilości żółtej/brązowej warstwy rdzy, przez którą może być widoczne podłoże stalowe. Rdza (widziana jako przebarwienie) może być rozłożona równomiernie lub w postaci plam, ale mocno przylega i nie da się łatwo usunąć przez delikatne przetarcie szmatą.

M

Średnia rdza nalotowa

Na powierzchni, oglądanej bez powiększenia, znajduje się warstwa żółtej/brązowej rdzy, która przesłania oryginalną powierzchnię stali. Warstwa rdzy może być rozłożona równomiernie lub w postaci plam, ale odpowiednio dobrze przylega i lekko barwi szmatę po delikatnym przetarciu powierzchni.

H

Silna rdza nalotowa

Na powierzchni, oglądanej bez powiększenia, znajduje się warstwa czerwono-żółtej/brązowej rdzy, która przesłania oryginalną powierzchnię stali i luźno do niej przylega. Warstwa rdzy może być rozłożona równomiernie lub w postaci plam i łatwo barwi szmatę po delikatnym przetarciu powierzchni.

Trzy stopnie rdzy nalotowej podane są również w specyfikacjach SSPC-VIS 4, SSPC – SP 12 i oznaczone tak samo literami L (ang. light flash rust), M (ang. moderate flash rust), H (ang. heavy flash rust). Firma Hempel dla tych samych stopni rdzy nalotowej używa oznaczeń FR-1, FR-2 i FR-3 [2.30].

Wszyscy producenci specjalnie recepturowanych farb dopuszczają ich stosowanie na powierzchnie ze stopniami rdzy nalotowej L i M. Jeżeli natomiast rdza na powierzchni osiągnie stopień H, to wymagane jest jej usunięcie poprzez lekkie omiecenie ścierniwem [2.5]. Na rys. 2.9 zamieszczono przykładowe stopnie nasilenia rdzy nalotowej (L, M, H) ze stanu wyjściowego powierzchni C do stanu HB 2,5 po obróbce wysokociśnieniową strugą wody.

Rys. 2.9. Stopnie nasilenia rdzy nalotowej na powierzchni stali o czystości wyjściowej C po obróbce wysokociśnieniową struga wody do stopnia oczyszczania HB 2,5 (a) [2.31]: b) stopień rdzy nalotowej L, c) stopień rdzy nalotowej M, d) stopień rdzy nalotowej H

Obróbka powierzchni ścierniwem (na sucho i na mokro) oraz wysokociśnieniową strugą wody są odmiennymi procesami. Porównanie tych dwóch procesów podano w tab. 2.8. Efektem innego oddziaływania na obrabianą powierzchnię strumienia ścierniwa i wysokociśnieniowej strugi wody jest odmienny wygląd powierzchni obrobionej (rys. 2.10). Powierzchnia obrobiona strumieniem ścierniwa ma wygląd bardziej szorstkiej, a obrobiona strumieniem wody znacznie bardziej gładkiej.

Tabela 2.8. Porównanie procesów obróbki strumieniowo-ściernej na mokro i wysokociśnieniowym strumieniem wody [2.9]

Obróbka strumieniem ściernym na mokro WAB

Obróbka wysokociśnieniowym strumieniem wody WJ

obróbka powierzchni nie pokrytej lub oczyszczanie podłoża ze starych powłok

oczyszczanie podłoża metalowego ze starych powłok

formowanie struktury podłoża

odsłanianie struktury podłoża spod warstwy rdzy lub spod warstwy powłoki

usuwanie wierzchołków nierówności

usuwanie granic faz

ujednorodnianie powierzchni

eksponowanie powierzchni podłoża

czyszczenie wierzchołków nierówności, odkrywanie szczelin

pozostawia resztki zanieczyszczeń w szczelinach

występowanie rdzy nalotowej

występowanie rdzy nalotowej

Rys. 2.10. Powierzchnia podłoża o wyjściowej powierzchni C obrobiona strumieniem ścierniwa do stopnia czystości SB 2,5 (a) i wysokociśnieniowym strumieniem wody do stopnia czystości HB 2,5 (b) [2.11]

Analiza licznych obrazów fotograficznych powierzchni podłoży skorodowanych oraz obrazów powierzchni oczyszczonych zamieszczonych w cytowanych w tym rozdziale normach oraz specyfikacjach NACE, SSPC, International czy firmy Hempel pozwala na stwierdzenie, że stosowane kryteria przyporządkowania obrazu powierzchni do danego stopnia nie są precyzyjne. To przyporządkowanie jest dokonywane zawsze z dużym przybliżeniem. Jest to szczególnie trudne w przypadku określenia stopnia nasilenia rdzy nalotowej. Od osoby dokonującej tego przyporządkowania wymagane jest bardzo duże doświadczenie w zakresie problemów korozji, systemów powłokowych oraz obróbki strumieniowo-ściernej. Jako przykład braku jednoznacznych kryteriów opisu wyglądu powierzchni stalowej przygotowywanej do nałożenia powłok ochronnych i związanych z tym trudności jej oceny są zamieszczone na rys. 2.11 obrazy dwóch powierzchni. Są one opisane równoważnymi, odpowiadającymi sobie symbolami, a wyglądają zupełnie odmiennie.

Rys. 2.11. Odmienny wygląd powierzchni stalowych o stanie wyjściowym C poddanych obróbce wysokociśnieniową strugą wody do stopnia oczyszczenia HB 2,5/WJ 2 pokrytych rdzą nalotową o stopniu M / FR-2 [2.42]: a) oznaczenie International C HB 2,5 M, b) oznaczenie firmy Hempel C WJ2 FR-2,5

2.1.4. Nadawanie określonej topografii powierzchni podłoża

Obróbka strumieniowo-ścierna prowadzi do uzyskania powierzchni izotropowej, w odróżnieniu od innych metod obróbki ściernej, takich jak na przykład szlifowanie, które generują powierzchnię anizotropową. Tematyki chropowatości powierzchni po obróbce strumieniowo-ściernej dotyczy norma PN-EN ISO 8503 [2.49].

Odpowiedni profil podłoża jest warunkiem uzyskania oczekiwanej wytrzymałości połączenia adhezyjnego powłoki z podłożem. Taki profil zapewnia dobre zakotwiczenie warstwy powłoki na powierzchni podłoża (rys. 2.12). Profil przedstawiony na rys. 2.12a jest niewłaściwy, bo nie dostarcza odpowiednich punktów kotwiczenia powłoki. Skutkuje to złą przyczepnością powłoki. Przy profilu zapewniającym dobre punkty zakotwiczenia (rys. 2.12b) przyczepność powłoki jest odpowiednio wysoka. Ponadto wystarczająca jest grubość powłoki, gdyż zakrywa wszystkie wierzchołki nierówności.

Rys. 2.12. Ilustracja profilu podłoża przygotowanego pod powłoki ochronne [2.29]: a) zły profil, b) właściwy profil, c) niewystarczające pokrycie powierzchni

O właściwościach ochronnych powłoki decyduje warstwa czynna powłoki, która znajduje się nad wierzchołkami nierówności powierzchni. W praktyce wykonywania pokryć malarskich stosowane jest pojęcie powłoki martwej, czyli ilości farby potrzebnej do wypełnienia nierówności. Jest to ilość farby odpowiadającej ½ parametru Rz. Odpowiedzialna za korozję jest warstwa powłoki powyżej najwyższego wierzchołka nierówności na podłożu (rys. 2.13).

Przedstawione na rys. 2.13 pokrycie malarskie można określić pokryciem pełnym, gdyż całkowicie wypełnia nierówności podłoża oczyszczonej powierzchni. W praktyce systemów powłokowych stosowane są również jednowarstwowe pokrycia farbą. Jest to cienkie pokrycie, które nie wyrównywuje nierówności powierzchni (rys. 2.14). W tym przypadku nie występuje pojęcie powłoki martwej. W przypadku powłok malarskich niewyrównywujących chropowatej powierzchni chropowatość polakierowanego wyrobu zmniejsza się w stosunku do chropowatości podłoża średnio o 30% [2.19]. W takim przypadku istnieje jednak niebezpieczeństwo, że najwyższe wierzchołki nierówności mogą nie być pokryte warstwą powłoki lub że powłoka może być zbyt cienka i wówczas zabezpieczenie antykorozyjne może okazać się niewystarczające.

Rys. 2.13. Profil powierzchni podłoża z warstwą powłoki: a – grubość powłoki odpowiedzialna za odporność korozyjną

Rys. 2.14. Jednowarstwowe powłoki ochronne na podłożu o zróżnicowanym profilu

Chropowatość powierzchni podłoża ma duży wpływ na adhezję powłoki do podłoża. Dotyczy to różnego rodzaju powłok. Na rys. 2.15 zamieszczono zależność wytrzymałości połączenia natryskiwanej powłoki aluminiowej ze stalowym podłożem od chropowatości tego podłoża. Ze wzrostem parametru Ra chropowatości rośnie liniowo wytrzymałość połączenia powłoki z podłożem (rys. 2.15a). Z punktu widzenia tej wytrzymałości istotna jest struktura nierówności powierzchni. Pokazuje to zależność zamieszczona na rys. 2.15b. Wzrost wytrzymałości połączenia adhezyjnego ma miejsce tylko do określonej wartości odległości wierzchołków nierówności. W tym przypadku jest to wartość 250 µm. Powyżej tej wartości ta wytrzymałość obniża się. Z tych powodów parametry profilu powierzchni powinny być w każdym przypadku dobrane tak, aby uzyskać maksymalną wytrzymałość połączenia adhezyjnego.

Rys. 2.15. Wpływ chropowatości powierzchni stalowej na wytrzymałość połączenia natryskowej powłoki aluminiowej [2.12]: a) wpływ średniej chropowatości Ra, b) wpływ odległości wierzchołków nierówności powierzchni

Powłoki metalowe natryskiwane cieplnie łączą się z podłożem stalowym jedynie poprzez fizyczne zakotwiczenie, stąd podłoże pod powłoki aluminiowe musi być przygotowane do najwyższego stopnia, czyli Sa 3, natomiast pod powłoki z cynku i jego stopów norma PN-EN 13507 dopuszcza stopień czystości Sa 2½. Również ważna jest struktura geometryczna i wysokościowe parametry chropowatości. W tab. 2.9 zamieszczono zalecane w normie PN-H-04684-1997 wymagane wartości chropowatości w zależności od grubości nakładanej powłoki metalowej i rodzaju nanoszonego materiału.

Tabela 2.9. Zalecane chropowatości powierzchni podłoża metalowego w zależności od grubości nakładanej powłoki metalizacyjnej i rodzaju nanoszonego materiału [2.51]

Materiał nanoszonej powłoki metalizacyjnej

Grubość powłoki metalizacyjnej [µm]

Chropowatość powierzchni Ry5 [µm]

nie mniej niż

zalecana

Zn, ZnAl 15

50–120

20

50

120–250

30

Al., AlMg 5

50–120

30

60

120–200

40

200–300

50

W zależności od rodzaju stosowanej powłoki, stopnia skorodowania materiału podłoża oraz warunków użytkowania przedmiotów z naniesionymi powłokami wymagane jest przygotowanie powierzchni o określonej topografii. Obróbka strumieniowo-ścierna stwarza możliwości nadania obrabianej powierzchni oczekiwanej topografii. W ramach tej obróbki na charakterystykę obrobionej powierzchni wpływ ma zarówno rodzaj stosowanego ścierniwa, w tym wielkość jego ziarna, jak i parametry procesu obróbki. Podstawowym wyborem jest wybór kształtu ziaren ścierniwa, czyli wybór ścierniwa kanciastego lub ścierniwa kulistego. Przy użyciu ścierniwa kanciastego uzyskuje się powierzchnię o wyższych wartościach pionowych parametrów chropowatości (rys. 2.16). Jest to też widoczne na obrazach przedstawiających fotografie powierzchni 3D (rys. 2.17).

Rys. 2.16. Chropowatość (parametr Ra) powierzchni stalowej po obróbce szlifowaniem papierem ściernym (a) oraz pneumatycznej obróbce strumieniowo-ściernej śrutem staliwnym o uziarnieniu 1 mm i kształcie kulistym (b) oraz kształcie kanciastym (c) [2.7]

Rys. 2.17. Topografia powierzchni stali 3D obrabianej śrutem okrągłym (a) i kanciastym (b) [2.37]

Duże możliwości wpływania na chropowatość obrobionej powierzchni stwarza stosowanie ścierniwa o określonej wielkości ziarna. Im grubsze ziarno ścierniwa użytego w obróbce strumieniowo-ściernej, tym uzyskuje się bardziej chropowatą powierzchnię (tab. 2.10 i tab. 2.11).

Tabela 2.10. Chropowatość powierzchni stalowej obrobionej w oczyszczarce wirnikowej do czystości Sa 2½ kulistym śrutem staliwnym

Uziarnienie śrutu staliwnego

według SAE J444

Chropowatość powierzchni

Rz [µm]

S 110 (0,30–0,60 mm)

20–30

S 170 (0,40–0,80 mm)

30–45

S 230 (0,60–1,00 mm)

40–55

S 330 (0,80–1,25 mm)

50–70

S 390 (1,00–1,60 mm)

55–75

S 550 (1,25–2,00 mm)

65–90

Tabela 2.11. Chropowatość powierzchni stalowej obrobionej w oczyszczarce pneumatycznej do czystości Sa 2½ kanciastym śrutem staliwnym

Uziarnienie śrutu staliwnego

według SAE J444

Chropowatość powierzchni

Rz [µm]

G 120 (0,075–0,300 mm)

20–35

G 80 (0,125–0,425 mm)

30–50

G 50 (0,180–0,710 mm)

50–70

G 40 (0,300–1,000 mm)

65–95

G 25 (0,425–1,180 mm)

80–110

G 18 (0,710–1,400 mm)

95–130

G 16 (1,000–1,700 mm)

110–150

Na chropowatość obrobionej powierzchni znaczny wpływ mają również parametry procesu obróbki, a wśród nich zwłaszcza prędkość, z jaką strumień ziaren ścierniwa uderza w tę powierzchnię oraz kąt padania tego strumienia.

Na wpływ ciśnienia powietrza na profil obrobionej powierzchni zwrócił uwagę już w 1870 roku Tilghman w swoim pierwszym patencie, który zapoczątkował obróbkę strumieniowo-ścierną [2.57]. Wzrost ciśnienia powietrza w dyszy oczyszczarki pneumatycznej lub prędkości obrotowej koła rzutowego w oczyszczarkach wirnikowych prowadzi do wzrostu prędkości roboczego strumienia ścierniwa. Istnieje wiele prac cytowanych w książce Mombera [2.41] wskazujących na wzrost chropowatości obrobionej powierzchni ze wzrostem prędkości ścierniwa uderzającego w tę powierzchnię. Cytowana jest zależność funkcyjna określająca wartość parametru powierzchni Rt [2.10]:

Rt = CR∙ Vp∙ dp

(2.1)

gdzie: CR – współczynnik zależny od parametrów oczyszczarki, Vp – prędkość strumienia ścierniwa, dp – wielkość ziaren ścierniwa.

Dla procesu usuwania zgorzeliny walcowniczej ścierniwem z drutu ciętego i okrągłego śrutu staliwnego określono liniową zależność między prędkością, z jaką ścierniwo uderza w powierzchnię obrabianą, a chropowatością tej powierzchni po obróbce (rys. 2.18). Badania te dotyczyły procesu obróbki w oczyszczarce wirnikowej.

Rys. 2.18. Wpływ prędkości, z jaką uderza ścierniwo różnej wielkości, na chropowatość powierzchni [2.58]: 1 – 0,3–0,4 mm, 2 – 0,4–0,5 mm, 3 – 0,5–0,6 mm, 4 – 0,6–0,7 mm, 5 – 0,7–0,8 mm

Wpływ kąta padania strumienia ścierniwa na powierzchnię obrabianą na jej profil po obróbce był badany przez wielu autorów [2.41]. Na rys. 2.19 zamieszczono wyniki badań, jakie uzyskali Ishikawa i Tobe [2.16]. Najmniejsze wartości parametrów chropowatości uzyskano przy kącie padania 60°, a największe przy prostopadłym uderzeniu strumienia ścierniwa na powierzchnię obrabianą.

Rys. 2.19. Wpływ kąta padania (w stopniach) strumienia ścierniwa na powierzchnię stalową na jej chropowatość wyrażoną parametrami Rz i Ry [2.16].

2.2. Matowanie, szorstkowanie i ujednorodnianie powierzchni

W procesie wytwarzania wielu półproduktów, wyrobów przemysłowych, czy przedmiotów codziennego użytku zachodzi konieczność doprowadzenia ich powierzchni do odpowiedniego wyglądu podnoszącego walory użytkowe tych przedmiotów. Chodzi zarówno o walory estetyczne, jak i funkcjonalne. Są to najczęściej przedmioty wytwarzane metodami odlewania, tłoczenia, wyciskania, obróbki skrawaniem. Na swojej powierzchni mają one ślady procesów, którymi zostały one wytworzone. Ujednorodnienie takiej powierzchni umożliwia obróbka strumieniowo-ścierna. Zakres możliwości w tym zakresie ilustrują zdjęcia powierzchni stalowej po obróbce staliwnym śrutem kulistym i kanciastym, o różnej wielkości ziaren, zamieszczone na rys. 2.20. Zróżnicowany wygląd powierzchni jest efektem stosowania ziaren śrutu o różnej wielkości i kształcie.

Rys. 2.20. Powierzchnia próbek stalowych po obróbce strumieniowo-ściernej śrutem staliwnym kanciastym (G) i kulistym (S) przy różnej wielkości ziaren

Przykłady usuwania śladów po obróbce skrawaniem w procesie obróbki strumieniowo-ściernej przy użyciu ziarna nr 80 elektrokorundu szlachetnego zamieszczono na rys. 2.21. Detal po obróbce strumieniowo-ściernej ma powierzchnię jednorodną pozbawioną śladów skrawania.

Rys. 2.21. Detal aluminiowy po obróbce skrawaniem (a) i po obróbce strumieniowo-ściernej przy użyciu ziarna nr 80 elektrokorundu szlachetnego (b)

Obróbka strumieniowo-ścierna umożliwia również usunięcie śladów pozostawionych na powierzchni profili aluminiowych po tłoczeniu (rys. 2.22). Na ich powierzchni po tłoczeniu widoczne są ślady matrycy z tłoczenia (rys. 2.22a), a po obróbce strumieniowo-ściernej ta sama powierzchnia jest jednorodna, delikatnie szorstka i matowa (rys. 2.22b) o parametrach odpowiednich do anodowania profili. Śrutowanie profili aluminiowych pozwala również na oczyszczenie powierzchni z wszelkich zanieczyszczeń oraz na usunięcie mikrozagłębień, które przyczyniają się do powstawania ognisk korozji.

Rys. 2.22. Profile aluminiowe po tłoczeniu (a) i po obróbce strumieniowo-ściernej ścierniwem staliwnym nierdzewnym (b)

Powszechnie stosowaną operacją obróbki strumieniowo-ściernej jest matowanie szkła. Powierzchnia szkła jest obrabiana najczęściej oczyszczarkami pneumatycznymi strumieniem drobnego ścierniwa. Po takiej obróbce powierzchnia szkła robi się chropowata i nieprzezroczysta. Jest to efektem wyrywania przez strumień ścierniwa mikroskopijnych kawałków szkła. Taka operacja obróbki powierzchni szkła jest nazywana popularnie piaskowaniem szkła. Piaskowanie szkła pozwala na urozmaicenie produktów szklanych i nadanie im indywidualnego charakteru (rys. 2.23).

Rys. 2.23. Tafla szklana poddana matowaniu metodą obróbki strumieniowo-ściernej [2.20]

Chropowaceniu powierzchni poddawane są również różnorodne wyroby betonowe, w tym kostka brukowa. Śrutowanie kostki brukowej prowadzi do usunięcia wierzchniej warstwy mleczka cementowego i odkrycie struktury kruszywa, najczęściej szlachetnego (rys. 2.24).

Rys. 2.24. Kostka brukowa po obróbce strumieniowo-ściernej [2.21]

2.3. Oczyszczanie elementów form do przetwórstwa tworzyw sztucznych i szkła

Procesy przetwórstwa tworzyw sztucznych i szkła są realizowane w różnego rodzaju formach, które umożliwiają wytworzenie ich w określonej postaci. Te dwa procesy różni przede wszystkim temperatura występująca wewnątrz formy. Proces formowania szkła odbywa się w wysokiej temperaturze (najczęściej powyżej 1000°C), a formowania wyrobów z tworzyw sztucznych w znacznie niższej temperaturze (poniżej 200°C).

Tworzywa sztuczne są wytwarzane głównie trzema podstawowymi metodami: metodą formowania wtryskowego, wytłaczania i prasowania [2.52]. Metodą formowania wtryskowego są przetwarzane przede wszystkim tworzywa sztuczne termoplastyczne. Proces polega na ogrzewaniu danego tworzywa do temperatury, w której następuje jego uplastycznienie, oraz na poddaniu uplastycznionego tworzywa działaniu ciśnienia wywołującego szybki przepływ (wtrysk) tworzywa do przestrzeni formującej. Ogrzewanie tworzywa następuje zazwyczaj w przestrzeni cylindrycznej znajdującej się w metalowym cylindrze ogrzewanym z zewnątrz, zamkniętym od tylnej ściany ślimakiem, a z przedniej strony zakończonym dyszą wtryskową. Przestrzeń formująca znajduje się w urządzeniu zwanym formą.

W procesie wytłaczania przetwarza się tworzywo w postaci proszku lub granulatu. Wytłaczanie jest procesem ciągłym. Przygotowana do wytłaczania struga ogrzanego i uplastycznionego tworzywa jest wprowadzana do głowicy wytłaczającej, gdzie następuje kształtowanie w zadany wyrób. Po wyjściu z głowicy tworzywo jest schładzane i poddawane dalszej obróbce, polegającej na nadaniu ostatecznych wymiarów wewnętrznych i wykończeniu powierzchni.

Prasowanie tworzyw polega na uplastycznieniu tworzywa umieszczonego w formie prasowniczej, dokładnym wypełnieniu gniazda formy tworzywem oraz utwardzeniu tego tworzywa. Forma prasownicza składa się z dwóch zasadniczych części: stempla nadającego wyprasce kształt wewnętrzny i matrycy nadającej jej kształt zewnętrzny. Prasowanie odbywa się na zimno lub na gorąco.

Temperatura uplastycznionego tworzywa sztucznego jest zależna od rodzaju tworzywa i jego odporności cieplnej. Niektóre tworzywa ulegają rozkładowi w temperaturze powyżej 100°C, a inne mogą przebywać przez kilkanaście godzin w temperaturze ok. 260°C [2.52]. W praktyce przetwórstwa tworzyw sztucznych zanieczyszczeniu ulegają poszczególne elementy instalacji, w tym przede wszystkim formy wtryskowe, formy tłoczne, tłoczniki, ślimaki do wtryskiwania tworzywa. Zanieczyszczenia tych elementów są spowodowane głownie przez:

• resztki tworzyw sztucznych,

• rdzę, osady powstające w kanałach chłodzenia oraz na elementach prasowanych,

• nagar,

• środki ułatwiające odformowanie detali (antyadhezyjne).

Oczyszczanie tych elementów może odbywać się manualnie, przy użyciu różnych narzędzi ręcznych. Jest to jednak mało efektywna metoda trwająca bardzo długo, a w przypadku skomplikowanych elementów instalacji, w tym występowania różnego rodzaju szczelin, praktycznie nieskuteczna. Czyszczenie manualne za pomocą narzędzi wiąże się również z ryzykiem uszkodzeń lub zarysowań powierzchni formy.

Oczyszczenie form i innych elementów instalacji bez uszkodzeń, w większości przypadków, zapewnia obróbka strumieniowo-ścierna. Istotny jest tutaj jednak wybór odpowiedniego medium obróbkowego. Takim medium są przede wszystkim ścierniwa z tworzyw sztucznych oraz ścierniwo suchego lodu. Na rys. 2.25 zamieszczono przykład oczyszczania ślimaka wtryskarki przy użyciu śrutu z tworzyw sztucznych. Przy użyciu ścierniw z tworzyw sztucznych oczyszczane są również formy z tworzyw sztucznych, bez ryzyka uszkodzeń ich wrażliwych elementów mających wpływ na jakość kolejnych detali formowanych w tych formach (rys. 2.26). Innym bezpiecznym dla form do tworzyw sztucznych i często stosowanym jest ścierniwo suchego lodu [2.24].

Rys. 2.25. Strumieniowe oczyszczanie ślimaka wtryskarki do tworzyw sztucznych przy użyciu śrutu z tworzyw sztucznych [2.34]

Rys. 2.26. Elementy formy do tworzyw sztucznych przed oczyszczaniem (a) i po oczyszczaniu (b) ścierniwem z tworzyw sztucznych [2.24]

Obróbka strumieniowo-ścierna stosowana w procesach czyszczenia form do tworzyw sztucznych, aczkolwiek bardzo wydajna, nie zawsze jest skuteczna. Dotyczy to zwłaszcza miejsc w elementach instalacji, do których strumień ścierniwa nie ma dostępu. W takich przypadkach uzupełniającą metodą oczyszczania form jest czyszczenie ultradźwiękowe.

Różne są techniki formowania szkła, ale w każdym przypadku elementy formujące szkło w określony wyrób mają kontakt ze stopionym szkłem o temperaturze powyżej 1000°C. Zestawy formujące szkło, w tym szczególnie przedformy i formy, narażone na działanie tych wysokich temperatur, są najczęściej odlewami żeliwnymi. Między innymi z tych względów charakteryzują się one względnie dużą grubością ścianki (powyżej 40 mm) w stosunku do wymiarów gabarytowych [2.54]. Temperatura masy szklanej wprowadzanej do wnęki roboczej formy mieści się najczęściej w granicach 1100–1200°C. Powoduje to utlenienie powierzchni formy oraz występowanie przemian fazowych w żeliwie formy. Takie formy po wielokrotnym wykorzystaniu mają powierzchnię uniemożliwiającą ich dalsze użytkowanie zapewniające uzyskanie odpowiedniej jakości formowanego wyrobu szklanego. Procesy oczyszczania elementów takich form przeprowadza się metodami obróbki strumieniowo-ściernej. Przeprowadzane jest to najczęściej w stołowych oczyszczarkach wirnikowych (rys. 2.27). Obróbkę przeprowadza się przede wszystkim ścierniwem staliwnym nierdzewnym lub śrutem ceramicznym. Po takiej obróbce elementy formy mogą być z powodzeniem stosowane ponownie do formowania wyrobów szklanych.

Rys. 2.27. Części form szklarskich do szkła opakowaniowego na stole oczyszczarki wirnikowej poddawane obróbce strumieniowo-ściernej: a) części przed obróbką, b) części po obróbce

2.4. Usuwanie gratów i wypływek z detali gumowych i z tworzyw sztucznych

Detale z tworzyw sztucznych i gumy, wytwarzane różnymi metodami, po ich wyjęciu z formy mają liczne wypływki i nie nadają się w takim stanie do użytkowania. Aby możliwe było ich użytkowanie zgodnie z przeznaczeniem, należy te zbędne elementy usunąć. Są one najczęściej niewielkiej grubości i dlatego możliwe jest ich usunięcie metodami obróbki strumieniowo-ściernej. Ten proces usuwania gratów i wypływek z detali z tworzyw sztucznych i gumy określany jest po angielsku jako blast deflashing method, a przeprowadzany w niskich temperaturach jako cryogenic deflashing.

Usuwaniu gratów i wypływek z detali z tworzyw sztucznych odbywa się przede wszystkim przy użyciu formowanych ścierniw z tworzyw sztucznych, takich jak śrut poliamidowy, polioksymetylenowy, czy poliestrowy [2.60]. Są to detale otrzymywane metodą formowania wtryskowego oraz prasowania. Przykład jednego z takich detali zamieszczono na rys. 2.28.

Rys. 2.28. Detal z tworzywa sztucznego z widocznymi wypływkami (po lewej) i po obróbce strumieniowo-ściernej (po prawej) [2.34]

Innym przykładem detali, z których są usuwane wylewki z tworzyw sztucznych, są elementy elektroniczne (rys. 2.29) . Mniejsze detale z tworzyw sztucznych są poddawane obróbce w oczyszczarce wirnikowej muldowej, a większe oraz delikatne elementy elektroniczne – w oczyszczarce taśmowej.

Rys. 2.29. Detal elektroniczny z wypływkami z tworzywa sztucznego (po lewej) i po obróbce strumieniowo-ściernej (po prawej) [2.34]

Asortyment wyrobów gumowych i wielu różnych odmian elastomerów wymagających usuwania wypływek jest bardzo szeroki. Bardzo ważną grupą takich wyrobów gumowych są na przykłąd różnorodne pierścienie uszczelniające. Są to pierścienie o przekroju okrągłym, rowkowym, U i V, tuleje dławicowe lub pierścienie uszczelniające do wałków (tzw. pierścienie Simmera). Usunięcia wypływek wymagają też różnorodne przedmioty gumowo-metalowe (rys. 2.30).

Rys. 2.30. Przedmioty gumowo-metalowe z licznymi wypływkami

Wyroby gumowe wytwarzane są w taki sposób, że mieszanka gumowa umieszczona w odpowiednich dzielonych formach jest prasowana i poddawana procesowi wulkanizacji. Po wulkanizacji następuje rozdzielenie form i wyjęcie wyrobu gumowego. Cechą takiego procesu jest konieczność stosowania niewielkiej nadwyżki mieszanki gumowej niż to wynika z objętości formy i objętości gotowego wyrobu. Chodzi o to, aby była możliwość odpowietrzenia mieszanki gumowej i zapełnienia nią całej objętości formy. Zwulkanizowany wyrób gumowy ma zatem przywarte do niego cienkie zalewki na obrzeżach lub wokół podziału formy, w której jest wytworzony. Jest to skutkiem wyciśnięcia nadmiaru mieszanki podczas prasowania. Takie wypływki (rys. 2.31a), chociaż cienkie, mają swoją elastyczność i ich dokładne usunięcie przez okrawanie nie zawsze jest możliwe.W przypadku pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym okrawanie nie może być stosowane. Powoduje ono bowiem zniekształcenia kołowości przekroju, bo albo pozostaje fragment zadzioru, albo ma miejsce częściowe ścięcie zarysu kołowego. Taki zniekształcony pierścień gumowy nie gwarantuje zachowania należytej szczelności połączeń.

Wypływki na detalach gumowych czy niektórych elastomerów, w tym na detalach typu guma-metal, można usunąć metodą kriogenicznej obróbki strumieniowo-ściernej. W metodzie tej wykorzystuje się charakterystyczną dla elastomerów zależność ich

Rys. 2.31. Pierścień gumowy z wypływkami po wyjęciu z formy (a) i po kriogenicznej obróbce strumieniowo-ściernej (b) [2.34]

plastyczności od temperatury, w której dane tworzywo się znajduje [2.45]. Kriogeniczne usuwanie wypływek jest procesem, podczas którego schładza się obrabiane elastomerowe detale z wypływkami, przy zastosowaniu ciekłego azotu, poniżej ich temperatury zeszklenia (od –45°C do –130°C). Obrabiany detal, szczególnie jego zewnętrzne cienkie części, stają się kruche. Powstają wówczas warunki ich usunięcia w procesie obróbki strumieniowo-ściernej przy zastosowaniu śrutu kriogenicznego, czyli takiego, który w tych niskich temperaturach zachowuje swoje „obróbcze” właściwości.

Proces schładzania detali gumowych następuje w komorze oczyszczarki kriogenicznej, przy czym stosowane są dwa typy oczyszczarek. Podstawową odmianą jest oczyszczarka bębnowa stosowana do obróbki drobnych detali (rys. 2.32), a dla dużych i ciężkich detali gumowych i gumowo-metalowych stosowane są kriogeniczne oczyszczarki taśmowe.

Rys. 2.32. Bęben oczyszczarki kriogenicznej z małymi detalami gumowymi podczas obróbki [2.35]

Na rys. 2.33 zamieszczono przykład detalu gumowego z wypływkami, po wyjęciu z formy, i tego samego detalu pozbawionego wypływek po obróbce kriogenicznej. Efekt skuteczności kriogenicznej obróbki strumieniowo-ściernej jest widoczny również na rys. 2.30, który pokazuje pierścień gumowy po wyjęciu z formy oraz ten sam pierścień pozbawiony wypływek.

Rys. 2.33. Detal gumowy po wyjęciu z formy z wypływkami (po lewej stronie) i bez wypływek po obróbce kriogenicznej (po prawej) [2.34]