鋯鋁復(fù)合珠在機(jī)械鍍鋅中的運(yùn)用及分析

劉希敏，陳 釗，王樹(shù)強(qiáng)，陳昊雷

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

機(jī)械鍍鋅是在常溫常壓條件下利用物理碰撞和化學(xué)吸附沉積，使金屬鋅粉在工件表面形成鍍膜的一種表面處理工藝[1-3].典型的機(jī)械鍍鋅工藝是把預(yù)處理過(guò)的工件加入正多邊形的鍍筒中，加入水、鋅粉、表面活性劑和沖擊介質(zhì)，形成一種碰撞和搓碾的流態(tài)環(huán)境[4].鍍層形成過(guò)程可以簡(jiǎn)化為“聚集→吸附→沉積→鑲嵌→致密化”[5].在對(duì)機(jī)械鍍鋅進(jìn)行大量試驗(yàn)與分析后，得出酸性環(huán)境下的活性劑吸附和鍍筒內(nèi)沖擊介質(zhì)的沖擊作用力為鍍層形成的主要原因[6].在機(jī)械鍍鋅中沖擊介質(zhì)起著重要作用，沖擊介質(zhì)的尺寸、數(shù)量和表面光滑度和耐磨性對(duì)鍍層的表面光滑度、耐腐蝕性和附著力有著重要影響.

鋯鋁復(fù)合珠已在非金屬礦、油漆、涂料和制藥等研磨領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7].同時(shí)，鋯鋁復(fù)合珠具備的高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕性、耐磨性和耐沖擊的特點(diǎn)，使得鋯鋁復(fù)合珠也適用于機(jī)械鍍的酸性環(huán)境.筆者通過(guò)對(duì)不同沖擊介質(zhì)制備的鍍層進(jìn)行對(duì)比，得出以鋯鋁復(fù)合珠為新型介質(zhì)制備的鍍層質(zhì)量更佳，為機(jī)械鍍工藝提供了一種新型的沖擊介質(zhì).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試件基體材料為外徑30 mm、內(nèi)徑16 mm、厚2 mm的圓形墊片，材質(zhì)為Q235鋼.所用鋅粉(1000目)為圓球狀，金屬鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96.0%.活性劑采用復(fù)合型陰離子活性劑.機(jī)械鍍鋅設(shè)備采用自主研發(fā)的DX-50L型鍍鋅機(jī)，轉(zhuǎn)速為50 r/min.沖擊介質(zhì)選用玻璃珠和鋯鋁復(fù)合珠，直徑范圍為2～5 mm，玻璃珠與鋯鋁復(fù)合珠的物理性能對(duì)比如表1所示.

表1 沖擊介質(zhì)物理性能Table 1 Physical properties of impact medium

1.2 試件制備

預(yù)處理：將適量試件、玻璃珠和鋯鋁復(fù)合珠分別在除脂劑中浸泡5 min，取出后清水沖洗1 min，再放入除銹劑中浸泡3 min，取出后清水沖洗1 min.

基層建立：以試件與玻璃珠為A組，試件與鋯鋁復(fù)合珠為B 組，將2組分別加入鍍鋅機(jī)中，加入稀硫酸調(diào)節(jié)pH到1.5，加入8 g鋅粉，鍍筒轉(zhuǎn)速調(diào)至50 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，在基體材料表面生成2～3 μm的基層.

鍍層增厚：按照30 μm的預(yù)鍍厚度，在鍍筒內(nèi)循環(huán)加入鋅粉和活性劑，每次加入15 g鋅粉和20 mL活性劑，每次間隔5 min，共加入6次.

下游處理：鍍層增厚結(jié)束后，在鍍筒內(nèi)加入適量清水，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，將試件與玻璃珠、鋯鋁復(fù)合珠和鍍鋅廢液分離，清水沖洗1 min，最后在150 ℃烘干箱內(nèi)干燥30 min.

1.3 試驗(yàn)測(cè)試與分析方法

采用JSM-6360LV高低真空掃描電鏡觀察分析鍍層表面與截面形貌，電壓20 kV.采用劃格法測(cè)試試件鍍層的附著力等級(jí)，并按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 2409:2020執(zhí)行;對(duì)劃痕處采用DM750光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，放大倍數(shù)為50倍.采用HV-1000IS 型維氏顯微硬度儀測(cè)量不同鍍層的表面硬度，加載載荷為100 g，加載時(shí)間為15 s.采用CH1660B型電化學(xué)綜合分析儀測(cè)試鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液(25 ℃)中的腐蝕性能，極化電位為-2.0～-0.5 V，掃描速度為2 mV/s.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鍍層形貌分析

圖1為不同沖擊介質(zhì)下制備的試件.由圖1可以看出：B組(鋯鋁復(fù)合珠)比A組(玻璃珠)制備的試件表面平整光滑.這是由于鋯鋁復(fù)合珠比玻璃珠具有更高的密度和硬度，在相同轉(zhuǎn)速下，鋯鋁復(fù)合珠可以獲得更大的沖擊力，促使鍍層中的鋅粉相互間結(jié)合更緊密，進(jìn)而使試件表面變得平整光滑.

圖1 不同沖擊介質(zhì)下制備的試件Fig.1 Specimen under different impact media

圖2為A組(玻璃珠)與B組(鋯鋁復(fù)合珠)制備的鍍層表面和截面SEM形貌.

圖2 試件表面和截面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of specimen surface and cross section

從圖2可以看出:在鍍層表面中，B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的致密區(qū)域比A組(玻璃珠)鍍層的致密區(qū)域分布更廣；在鍍層截面中，B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層比A組(玻璃珠)鍍層具有更少的孔隙，致密化程度更高.由此可以得出：在加入相同質(zhì)量的鋅粉和相同鍍覆面積的條件下，以鋯鋁復(fù)合珠作為沖擊介質(zhì)得到的鍍層致密區(qū)域更廣，致密化程度更高.

2.2 鍍層結(jié)合強(qiáng)度

圖3為試件鍍層劃格試驗(yàn)顯微觀測(cè)結(jié)果.由圖3可以看出:A組(玻璃珠)試件表面劃痕間出現(xiàn)剝落，鍍層附著力為1級(jí)；B組(鋯鋁復(fù)合珠)試件表面劃痕處無(wú)剝落，鍍層附著力等級(jí)在0級(jí).由此可以得出：機(jī)械鍍鋅工藝中更換沖擊介質(zhì)對(duì)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著影響，以鋯鋁復(fù)合珠為沖擊介質(zhì)獲得的鍍層結(jié)合強(qiáng)度提升最顯著，結(jié)合強(qiáng)度提升1個(gè)等級(jí).

圖3 不同沖擊介質(zhì)下的試件表面劃痕Fig.3 Scratches on the specimen surface under different impact media

2.3 鍍層硬度分析

在鍍層表面隨機(jī)抽取5個(gè)位置并對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2與圖4所示.由試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值分布可以看出:在使用顯微硬度法測(cè)量鍍層硬度時(shí)，測(cè)試區(qū)域的選擇會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，隨著測(cè)量區(qū)域的不同而發(fā)生相應(yīng)變化，為減少顯微硬度測(cè)量誤差，可在同一試件上多次測(cè)量后計(jì)算出顯微硬度的平均值.

從表2和圖4可以看出:在采用相同工藝條件下，A組(玻璃珠)與B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的平均硬度分別為48 HV、61.2 HV，B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層平均硬度值高出A組(玻璃珠)13.2 HV，且B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層表面的硬度值變化幅度比A組(玻璃珠)的小.在相同的工藝條件下，以鋯鋁復(fù)合珠為沖擊介質(zhì)可提高鍍層的表面硬度值和硬度分布的均勻性.

圖4 不同鍍層的硬度變化Fig.4 Hardness changes of different coatings

2.4 鍍層耐腐蝕性分析

基體材料、A組(玻璃珠)鍍層和B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的極化曲線與塔菲爾外推法得到擬合結(jié)果如圖5和表3所示.由圖5和表3可以看出:在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中，基體、A組(玻璃珠)鍍層和B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的自腐蝕電位分別為-589 mV、-1196 mV和-1120 mV;A組(玻璃珠)鍍層與B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的鈍化區(qū)范圍為分別為90 mV、160 mV.這說(shuō)明制備的鍍層為陽(yáng)極保護(hù)鍍層，鋯鋁復(fù)合珠作為新型沖擊介質(zhì)獲得的試件鍍層鈍化膜性能更好.

圖5 不同鍍層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of different plating layers

表3 電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

腐蝕電流密度(J)可以用來(lái)判定鍍層在NaCl環(huán)境中的耐腐蝕性能，腐蝕電流密度越小，表明鍍層腐蝕速率越慢，耐腐蝕性能越好.A組(玻璃珠)鍍層與B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層的腐蝕電流密度分別為0.459 A/m2、0.047 A/m2，A組(玻璃珠)鍍層的腐蝕電流密度是B組(鋯鋁復(fù)合珠)鍍層腐蝕電流密度的10倍.其原因是沖擊介質(zhì)為玻璃珠時(shí)，獲得的鍍層致密度較低，腐蝕介質(zhì)容易聚集在鍍層表面缺陷處，并沿著缺陷處快速滲入到鍍層內(nèi)部，從而引起鍍層的腐蝕電流密度增大；沖擊介質(zhì)為鋯鋁復(fù)合珠時(shí)，鍍層的致密度提高，極大地阻擋腐蝕介質(zhì)滲透到鍍層內(nèi)部，顯著提高了鍍層的耐腐蝕性能.

綜上可以得出：機(jī)械鍍鋅工藝中以鋯鋁復(fù)合珠作為沖擊介質(zhì)可以降低鍍層腐蝕速率，提高鍍層的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)鍍層的防護(hù)壽命.

3 結(jié) 論

在機(jī)械鍍鋅工藝中，新型沖擊介質(zhì)(鋯鋁復(fù)合珠)制備的鍍層表面平整，孔隙少，表面致密區(qū)增大，劃痕處無(wú)脫落現(xiàn)象且結(jié)合強(qiáng)度提高了1個(gè)等級(jí)，表面硬度提高了13.2 HV且均勻性增加，在電化學(xué)測(cè)試中鍍層鈍化區(qū)范圍增大，腐蝕電流密度減小，耐腐蝕性能提高.