基于超聲振動的機械鍍鋅工藝

李廣敏，牛宗偉*

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255091）

機械鍍鋅工藝能耗低、金屬利用率高、生產環(huán)境安全、生產過程無污染，是一種環(huán)境友好型的表面處理工藝。機械鍍鋅工藝的理論研究日趨成熟，在工業(yè)生產中的應用也越來越廣泛，但該工藝主要用于螺栓、螺母、墊片、彈簧、射釘?shù)刃〕叽缌慵姆栏幚韀1-4]。滾筒式機械鍍鋅是應用最多的機械鍍鋅工藝之一[5]。但滾筒式機械鍍鋅設備的傳動系統(tǒng)較復雜，沖擊介質的運動不易控制，轉動過程中噪音較大；滾筒一端開口，相對封閉，只能對小尺寸零件進行機械鍍。為改善操作方式，實現(xiàn)較大尺寸零件的機械鍍鋅，本文提出了一種濕法超聲機械鍍鋅工藝，以玻璃珠為沖擊介質，利用超聲振動系統(tǒng)代替滾筒轉動為玻璃珠提供動力，驅動玻璃珠做高頻振動[6]，并分析了濕法超聲機械鍍鋅所得鍍層的表面形貌和斷面結構，以期為研究鍍層的其他性能打下基礎。

1 實驗

1.1 濕法超聲機械鍍鋅設備

濕法超聲機械鍍鋅設備為本課題組研究所得[7]，具體裝置結構見圖1。

圖1 濕法超聲機械鍍鋅裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the equipment for mechanical zinc plating by the wet process using ultrasonic vibration

振動槽由超聲振動部件驅動，槽內的金屬粉在超聲振動作用下做復雜的旋轉和彈跳運動：一是超聲振動部件的機械運動引起的鍍粉彈跳；二是聲流帶動鍍粉在鍍腔內做渦流運動。振動槽中盛放待鍍工件，容量可以根據(jù)工件形狀和加工量設計，但需要改變換能器和變幅桿的參數(shù)并進行匹配調節(jié)。整個濕法超聲機械鍍鋅過程中，超聲波發(fā)生器輸出高頻電信號，轉變?yōu)槌晸Q能器的機械振動，驅動玻璃珠做小振幅高頻震蕩，在玻璃珠的碰撞和化學試劑的共同作用下，金屬粉被撞擊到工件表面而實現(xiàn)機械鍍鋅，整個過程類似于噴丸。另外，振動槽中交變的液壓沖擊作用在玻璃珠上，可使其產生很大的加速度，有望增大鍍層的致密度，提高鍍層的耐腐蝕性能。

本文自制了容積較小(200 mm×200 mm×100 mm)的濕法超聲機械鍍鋅設備，WT-2500 超聲波發(fā)生器(濟寧萬通超聲設備廠)功率為0～2 500 W可調，8SH-5028超聲換能器(南京市江寧區(qū)國功機電設備廠)的功率為100 W，頻率為28 kHz。待鍍工件為外徑20 mm、內徑11 mm、厚2 mm 的Q235 鋼墊片。鋅粉為800 目球形鋅粉，玻璃珠尺寸為40～80 目。

1.2 試樣制備

加料過程與機械鍍鋅加料過程相似，為分批加入。以30 個Q235 鋼墊片分別鍍35 μm 厚的鋅層為例，計算所需鋅粉約為6.7 g。具體步驟為：打開超聲波發(fā)生器，調整超聲波發(fā)生器的功率、頻率分別為100 W和28 kHz；將玻璃珠、水和經脫脂、除銹的工件置于振動槽內，加入H2SO4調節(jié)溶液pH為1.5～2.5，加入0.7 g 鋅粉和1.0 mL 沉積性活化劑(含Sn2+)，在工件表面得到3～5 μm 厚的鋅錫基層；3 min 后，加入2 g 鋅粉、1.2 mL 由十二烷基硫酸鈉和聚乙二醇組成的保持性活化劑和3 mL 復合沉積劑(含Sn2+、Fe2+等)，使鍍層增厚；重復上述加料過程2 次使鍍層繼續(xù)增厚，每次增厚10 μm；加料完畢后，加少量水保持振動，3 min后即可獲得致密、光滑的鍍層。將工件從振動槽中取出，置于101A 干燥箱(龍口市節(jié)能電爐廠)中干燥，以待檢測。

1.3 性能檢測

用北京時代公司生產的TT260 涂層測厚儀測量鍍鋅層厚度，在試樣前后表面各選取5 個點進行測量，取平均值。用普通放大鏡直接觀察鍍鋅墊片的表面，分析鍍鋅層的宏觀形貌。用FEI Sirion 2000 多功能掃描電子顯微鏡觀察鍍鋅墊片的微觀表面形貌和斷面結構，分析鍍鋅層表面鋅粉團的聚集狀態(tài)和內部組織結構。按GB/T 5270–1985《金屬基體上的金屬覆蓋層(電沉積層和化學沉積層)附著強度試驗方法》，采用劃格法測定鍍層的附著強度，用30°銳角的硬質合金劃刀，施以足夠的壓力，劃出1 mm×1 mm 的正方形格子，劃線時應一次劃破鍍層直達金屬基體。

2 結果與討論

2.1 鍍鋅層厚度

鍍層厚度是檢驗該工藝是否達到預期要求的指標之一，也是工件耐腐蝕性好壞的重要指標之一。隨機取5 個濕法超聲機械鍍鋅工件，測其表面的鋅層厚度，結果見表1。

表1 濕法超聲機械鍍鋅層的厚度Table 1 Thickness of zinc coating plated mechanically by the wet process using ultrasonic vibration

從表1 可知，不同部位的鋅層厚度較接近，說明采用該工藝可在工件表面鍍鋅且效果較好。從表1 還可以發(fā)現(xiàn)，所有工件鍍層厚度比預定的鍍層厚度稍薄，說明在鍍鋅試驗過程中，鋅粉沒有完全沉積形成鍍層，有一定的損耗，但損耗量較小，這也在預期的范圍內。所以根據(jù)預定的鍍層厚度計料時，要考慮鍍鋅時的鋅粉損耗。

2.2 鍍鋅層表面形貌

在自然反射光下觀察濕法超聲機械鍍鋅工件發(fā)現(xiàn)，鍍層為半光亮的銀白色；與電鍍鋅層相比，亮度稍暗、粗糙度稍差；與熱浸鍍鋅層相比，表面稍亮、粗糙度稍好。此外，濕法超聲機械鍍鋅工件表面細膩、均勻、平整，無麻點、脫皮、鼓泡、漏鍍等缺陷；比普通機械鍍鋅層平整，表面無凹凸不平結構。

圖2為濕法超聲機械鍍鋅工件的表面形貌照片。

圖2 濕法超聲機械鍍鋅層的表面形貌Figure 2 Surface morphology of zinc coating plated mechanically by the wet process using ultrasonic vibration

從圖2 可知，鍍層表面由尺寸不等的鋅粉團相互鑲嵌填充，鋅粉團之間連成一體，覆蓋在工件表面而形成鍍鋅層；鍍層中鋅粒隨機排列，無明顯規(guī)律；鍍層中鋅粒尺寸大于其原始尺寸，說明在鍍層形成的過程中，鋅粒在活化劑作用下聚集成團并沉積到工件表面，經玻璃珠碰撞形成鍍層。在超聲振動式機械鍍鋅工藝中，玻璃珠介質對鋅粉的碰撞主要為沖擊作用，搓捻作用相對微弱，所以鍍鋅層中的鋅粉團較細致，鋅粒之間的填充更緊密，無鋪展不均勻引起的凹凸不平現(xiàn)象。

2.3 鍍鋅層斷面形貌

圖3為濕法超聲機械鍍鋅工件的截面形貌。

圖3 濕法超聲機械鍍鋅層的截面形貌Figure 3 Cross-section morphology of zinc coating mechanically plated by the wet process using ultrasonic vibration

從圖3 可知，鍍層中沒有電鍍層的電結晶產物，也沒有熱浸鍍層的合金相，鍍層整體為鋅粉顆粒以密集方式聚合形成的堆積體，由基體表面至鋅粉層外表面均為鋅粉粒，鍍層中無其他相結構。不同粒徑的鋅粒散亂分布，相互填充，形成由鋅粉顆粒組成的球體堆積、鑲嵌體。顆粒結合處形成一定的間隙，顆粒越小，間隙就越小。鋅粒在鍍層形成過程中發(fā)生了塑性變形，部分鋅粒變?yōu)闄E球形或扁平狀，鍍層存在明顯塑性變形后的滑移臺階。變形的顆粒一般為尺寸偏大的顆粒，大顆粒之間的小顆粒向間隙移動和填充，被擠壓后使鍍層變得致密。

2.4 鍍層的結合強度

對濕法超聲機械鍍鋅工件進行劃格試驗，結果見圖4。從圖4 可以看出，劃格處鍍層無脫落和剝離，說明鍍層與基體金屬的附著強度良好。

圖4 濕法超聲機械鍍鋅層的劃格試驗結果(×50)Figure 4 Cross-cut test result of zinc coating mechanically plated by the wet process using ultrasonic vibration (×50)

3 結論

(1)采用濕法超聲振動系統(tǒng)為沖擊介質提供動力進行機械鍍鋅，可在工件表面獲得一定厚度的鍍鋅層。

(2)濕法超聲機械鍍鋅所得鍍鋅層，是由鋅粒相互鑲嵌、填充所形成的致密結構體，鍍層中部分鋅粒發(fā)生塑性變形，呈橢球狀或扁平狀。鍍層表面細致、均勻、平整，無凹凸不平結構，與基體之間的結合強度較好。

[1]陳菡.鍍鋅防腐工藝[J].鋼鐵,2007,42 (7):38-42.

[2]趙增典,陳磊,李德剛,等.機械鍍鍍層與金屬粉末相關性的研究[J].材料保護,2008,41 (8):64-66.

[3]李廣敏,牛宗偉,董海青,等.機械鍍鋅技術研究進展及展望[J].山東理工大學學報(自然科學版),2012,26 (5):26-30.

[4]王勝民,何明奕,劉麗,等.鑄鐵五金件的機械鍍鋅[J].電鍍與涂飾,2006,25 (9):32-34.

[5]何明奕,劉麗,王勝民,等.機械鍍原理及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:114-120.

[6]KOMAROV S V,SON S H,HAYASHI N,et al.Development of a novel method for mechanical plating using ultrasonic vibrations [J].Surface and Coatings Technology,2007,201 (16/17):6999-7006.

[7]山東理工大學.濕法超聲機械鍍裝置:CN,103205745 [P].2013–07–17.