超聲振動(dòng)對(duì)機(jī)械鍍鋅層的性能影響

牛宗偉， 徐明玉， 孫 鵬

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

引 言

機(jī)械鍍鋅技術(shù)是金屬腐蝕防護(hù)的主要方法之一，其產(chǎn)品已涉及到小五金、汽車制造業(yè)、建筑、一般工業(yè)及日常生活等領(lǐng)域［1］。機(jī)械鍍鋅是金屬鋅粉在機(jī)械碰撞和化學(xué)藥劑的共同作用下沉積在工件表面的過(guò)程［2］，而濕法超聲機(jī)械鍍鋅［3］是將機(jī)械鍍技術(shù)和超聲噴丸技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)為玻璃珠提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)玻璃珠做高頻振動(dòng)，使其產(chǎn)生很大的加速度［4］，將經(jīng)過(guò)活化劑處理的金屬粉末高速噴打到工件表面上，獲得一定厚度的鍍層。本文利用機(jī)械鍍鋅設(shè)備和濕法超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)備分別獲得鍍層，采用掃描電子顯微鏡、能譜儀分析鍍層的結(jié)構(gòu)形貌及化學(xué)組成，利用中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)比了兩種鍍層的耐腐蝕性能，目的是推動(dòng)環(huán)保型鍍鋅技術(shù)發(fā)展，尋求更環(huán)保、性能更好的新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣為Q235鋼墊片(外徑22mm，內(nèi)徑10mm，厚2mm)，原料為球形顆粒狀鋅粉。采用自制的可調(diào)轉(zhuǎn)速滾筒式機(jī)械鍍鋅機(jī)［5］。鍍鋅工藝流程為:V(工件)∶V(玻璃珠)按1∶1.2的比例裝入滾桶中，加入硫酸和水，調(diào)整鍍液的pH為1～3之間，調(diào)整轉(zhuǎn)速為60r/min。建立基層，向鍍筒中加入適量的硫酸亞錫和鋅粉。鍍層增厚，加入適量的保持性活化劑、沉積性活化劑和鋅粉。根據(jù)需要的鍍層厚度每隔3～5min加料一次。

采用自制濕法超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)備［6］，包括超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿、振動(dòng)槽和支架。振動(dòng)槽位于支架上部，用于盛放鍍液、金屬粉、玻璃珠和待鍍工件，變幅桿上部和下部分別與容器槽底部和換能器連接，超聲波發(fā)生器與換能器接線端導(dǎo)線連接，如圖1所示。具體操作步驟為:將墊片試樣放入含有玻璃珠和水的振動(dòng)槽中，調(diào)整鍍液的pH為1～2，加入鋅粉、沉積性活化劑，打開控制系統(tǒng)，調(diào)整超聲波發(fā)生器的頻率為28KHz，施加超聲振動(dòng)。根據(jù)鍍層厚度要求，分批加入復(fù)合表面活性劑、沉積性活化劑和鋅粉。

圖1 濕法超聲機(jī)械鍍裝置示意圖

1.2 性能檢測(cè)

用FEI Sirion2000多功能掃描電子顯微鏡及其配備的能譜儀分析鍍層的微觀表面形貌、斷面結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分。

采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定涂層的顯微硬度，施加載荷0.29N(壓力為3N)，加載時(shí)間15s，取5次測(cè)量數(shù)據(jù)，以便比較。

按GB/T17721-1999《金屬覆蓋層孔隙率試驗(yàn)鐵試劑試驗(yàn)》檢測(cè)鍍層的孔隙率，試劑由10g/L鐵氰化鉀和20g/L氯化鈉組成。

按GB/T5270-1985《金屬基體上的金屬覆蓋層(電沉積層和化學(xué)沉積層)附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用劃格法測(cè)定鍍層的附著強(qiáng)度，用30°銳角的硬質(zhì)合金劃刀，施以足夠的壓力，劃出邊長(zhǎng)為1mm的正方形格子，劃線時(shí)使劃刀一次劃破鍍層直達(dá)金屬基體。

按照GB/T10125-1997《人造氣氛中的腐蝕試驗(yàn)-鹽霧試驗(yàn)》的要求，采用JK-60鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)。試樣在5%氯化鈉溶液中θ為(35±2)℃進(jìn)行連續(xù)噴霧試驗(yàn)。以墊片試樣5%面積出現(xiàn)白銹、紅銹的時(shí)間為試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層形貌分析

鍍鋅層的微觀表面形貌如圖2所示。試件表面形成一層相對(duì)平整的鍍鋅層，鋅粉顆粒或鋅粉團(tuán)相互連接形成一體。機(jī)械鍍鋅層［圖2(a)］的鋅粉顆粒之間的空隙比較大，可以清晰的辨別出球形痕跡，由于鋅粉受到的撞擊力不均勻，使鍍層表面存在局部的離散鋅粉顆粒，這些鋅粉顆粒容易脫落，因而降低了鍍層表面質(zhì)量。濕法超聲機(jī)械鍍鋅層［圖2(b)］表面是由鋅粉顆粒或鋅粉團(tuán)變形之后相互交錯(cuò)、層層疊加而成，鋅粉顆粒或鋅粉團(tuán)之間的孔隙被壓縮，因而鍍層表面連續(xù)性較好［7］。

鍍鋅層的斷面結(jié)構(gòu)，如圖2(c)、圖2(d)所示，鍍層中沒(méi)有電結(jié)晶產(chǎn)物，也沒(méi)有類似冶金反應(yīng)生成的合金相，鍍層為鋅粉顆粒以特定方式聚合形成堆積體，沒(méi)有明顯的排列規(guī)律，小尺寸顆粒填充在大尺寸顆粒之間，被擠壓后使鍍層變得致密。機(jī)械鍍鋅層中鋅粉在酸性環(huán)境中會(huì)發(fā)生腐蝕，使顆粒發(fā)生形貌變化。濕法超聲機(jī)械鍍鋅層斷面中無(wú)明顯的顆粒形貌，但有明顯的塑性變形后的滑移臺(tái)階。

圖2 鍍層形貌照片

2.2 鍍層成分分析

對(duì)兩種鍍鋅層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖3、表1。從表1中可以看出，機(jī)械鍍鋅層［圖3(a)］主要含有金屬Zn、Sn和Fe，其中微量元素檢測(cè)不到;濕法超聲機(jī)械鍍鋅層圖［3(b)］并不是純鋅層，而是由少量的Sn，F(xiàn)e和大量的Zn構(gòu)成的金屬?gòu)?fù)合鍍層，且鍍層中含有C、O元素，經(jīng)檢測(cè)雜質(zhì)元素來(lái)自CaCO3和SiO2，并且該物質(zhì)的含量很低，可以忽略不計(jì)。

圖3 鍍層的能譜分析譜圖

表1 鍍層中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 鍍層的耐腐蝕性能分析

鹽霧試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，對(duì)比鍍層厚度相近的兩種鍍層(每種鍍層均選3個(gè)試樣)，濕法超聲機(jī)械鍍鋅層要比機(jī)械鍍鋅層的耐腐蝕性能優(yōu)異。由機(jī)械鍍鋅原理可知，鍍層是由鋅粉顆粒按散亂球體堆垛理論形成，顆粒間存在一定的間隙，鍍層的腐蝕速度增加。根據(jù)濕法超聲機(jī)械鍍鋅層的形成原理可知，在鍍層形成過(guò)程中，超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生液壓沖擊，這一沖擊作用在玻璃珠上，使其產(chǎn)生很大的加速度將鋅粉高速撞擊到工件表面，形成致密的鍍鋅層。此外，在工件表面形成的層層疊加的鍍層有助于阻擋腐蝕介質(zhì)滲透，致使鍍層的耐腐蝕性能優(yōu)異。

表2 兩種機(jī)械鍍鋅層腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.4 鍍層的孔隙率

孔隙率測(cè)試表明，機(jī)械鍍鋅和濕法超聲機(jī)械鍍鋅試樣鍍層表面均沒(méi)有藍(lán)色斑點(diǎn)生成，說(shuō)明鍍層不存在連通的孔洞，致密度高。

2.5 鍍層的結(jié)合強(qiáng)度

在工件表面進(jìn)行劃格試驗(yàn)，機(jī)械鍍鋅和濕法超聲機(jī)械鍍鋅試樣劃格處鍍層均無(wú)脫落和剝離，說(shuō)明鍍層與基體金屬之間的附著強(qiáng)度良好。

2.6 鍍層的表面硬度

鍍層表面硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，濕法超聲機(jī)械鍍鋅層表面的硬度高于機(jī)械鍍鋅層，并且鍍層表面硬度的均勻性優(yōu)于機(jī)械鍍鋅層。這是因?yàn)闈穹ǔ暀C(jī)械鍍鋅層是呈板狀層層覆蓋在工件表面，表面硬度檢測(cè)時(shí)壓針壓在板狀區(qū)域，并且超聲震動(dòng)可以使鍍層組織細(xì)化，致密度提高，所以濕法超聲機(jī)械鍍鋅層表面硬度大。

表3 鍍層表面硬度

3 結(jié)論

1)兩種鍍層表面均勻細(xì)致，平滑度較好，鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度良好，不存在連通的孔洞，致密度高，濕法超聲機(jī)械鍍鋅層的表面硬度高于機(jī)械鍍鋅層。

2)濕法超聲機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)改變了鋅粉顆粒的聚積效果，改善了鍍層表面質(zhì)量，提高了鍍層的耐腐蝕性能，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定推廣價(jià)值。

3)超聲振動(dòng)對(duì)鍍層的成分有一定的影響，但微量元素的存在對(duì)鍍層的整體性能影響并不大。

［1］ 劉琦，吳勇.低能耗機(jī)械鍍鋅技術(shù)及應(yīng)用［J］.能源研究與管理，2011，(2):54-56.

［2］ 劉麗，趙曉軍，趙霞，等.無(wú)結(jié)晶形成Zn-Al-Re機(jī)械鍍合金鍍層研究［J］.稀土，2009，30(2):51-56.

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［4］ Komarov S V，Son S H，Hayashi N.Development of a novel method for mechanical plating using ultrasonic vibrations［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2007，(201):6999-7006.

［5］ 李廣敏，牛宗偉，董海青.鋅粉粒度對(duì)機(jī)械鍍鋅層耐腐蝕性能的影響［J］.表面技術(shù)，2013，42(5):5-7.

［6］ 山東理工大學(xué).濕法超聲機(jī)械鍍裝置:CN，103205745［P］.2013-07-17.

［7］ 李廣敏，牛宗偉.基于超聲振動(dòng)的機(jī)械鍍鋅工藝［J］.電鍍與涂飾，2014，33(1):21-23.