影響濕法超聲機械鍍鋅層性能的因素

邵珠恒，牛宗偉，孫　鵬，房友飛

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博　255000)

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影響濕法超聲機械鍍鋅層性能的因素

邵珠恒，牛宗偉，孫鵬，房友飛

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博255000)

摘要：濕法超聲機械鍍是一種基于超聲加工的特種加工方法，該方法利用超聲頻電振蕩信號產(chǎn)生的機械振動進行機械鍍，可獲得優(yōu)良的鍍層，鍍層的耐腐蝕性較好。為了探究影響濕法超聲機械鍍鍍鋅層性能的因素，從鋅粉粒徑、沖擊介質以及強化時間三因素進行實驗研究。結果表明,隨著鋅粉粒徑的減小，鍍鋅層的致密性、耐腐蝕性顯著增加；隨著玻璃珠尺寸的減小，鍍鋅層表面的粗糙度降低，致密性比較好；隨著強化時間的增加，鍍層表面質量提高，耐腐蝕性好。

關鍵詞:鋅粉粒度；沖擊介質；強化時間；耐腐蝕性；表面形貌

引言

機械鍍通常在常溫下進行，具有能耗低、污染小的優(yōu)點，在表面處理方面應用廣泛[1]。傳統(tǒng)的機械鍍是在滾筒中進行，只能進行較小尺寸工件防腐處理，限制了工件的種類。為實現(xiàn)大尺寸零件的加工，采用超聲機械鍍工藝[2]，該工藝改變了傳統(tǒng)靠機械振動驅使玻璃珠運動的機械方式,通過引入超聲波技術將經(jīng)過活化處理的鋅粉高速噴打在工件表面上，以此獲得所需的鍍層[3]。本文通過探究鋅粉粒徑、沖擊介質和強化時間對鍍鋅層性能的影響，完善基于超聲振動的機械鍍工藝。

1實驗方法

1.1實驗設備及試樣制備

采用的超聲機械鍍鋅設備如圖1所示。WT-2500超聲波發(fā)生器，采用壓電式換能器，功率100W、頻率28kHz。試樣為內外徑分別為φ10mm和φ20mm，厚度為2mm的Q235鋼墊片，實驗中的超聲功率為100W。

實驗步驟：將經(jīng)過脫脂、除銹的工件和玻璃珠放入振動槽內，加入適量的水，用硫酸調節(jié)pH到1.5～2.5。加入鋅粉以及沉積活化劑，啟動超聲設備，通過超聲振動在工件表面獲得一定的基層。2min后加入5mL活化劑(由檸檬酸銨、聚乙二醇、硫酸鈉、氯化鈉、氯化銨及磷酸氫二胺等組成)和2mL沉積活化劑(Sn2+和Fe2+的金屬鹽)以及鋅粉，使鍍層厚度增加，如此重復加料獲得需要的鍍層厚度。最后取出工件清洗、烘干，檢測。

圖1　超聲機械鍍鋅設備

1.2測試

采用TT260涂層測厚儀，在試樣表面選取多點測量鍍層厚度。采用FEI Sirion2000電子顯微鏡及能譜儀觀察鍍層的表面形貌和斷面結構。參照標準GB/T10125-1997進行中性鹽霧腐蝕試驗，記錄試樣在5%氯化鈉溶液中出現(xiàn)紅、白、銹的時間，箱內恒溫35℃。采用質量稱量法測定鍍鋅層的致密度。將鍍層退鍍，在500mL濃鹽酸中加入3.5g甲基四胺，再加500mL蒸餾水稀釋，放入試樣，直至鍍層完全溶解不再冒泡為止。稱量試樣質量。

2鍍層性能的影響因素

2.1鋅粉粒度的影響

鋅粉粒度直接影響鍍層的質量，這是由于機械鍍鋅層是由鋅粉顆粒散亂密堆積形成的[4]。采用不同粒徑的鋅粉獲得的鍍鋅層如圖2所示。由圖2可以看出，鍍件表面均呈銀灰色，表面光潔，無起皮、漏鍍等缺陷，粒徑D=15μm鋅粉的鍍層表面更光滑細膩。

圖2　超聲機械鍍鋅層表面形貌

圖3為不同粒徑鋅粉所得鍍鋅層的表面形貌。從圖3可以看出，D=45μm鋅粉的鋅鍍層表面鋅粉團尺寸較大，鋪展不均，表面凹凸不平；D=15μm鋅粉的鋅鍍層表面細致光滑，鋅粉團尺寸較小，粉團之間連接緊密，間隙較少且小，鍍層表面較平整。這是由于鍍層由鋅粉顆?；蜾\粉團鑲嵌連接形成，顆粒結合處會產(chǎn)生一定的連接間隙，較小尺寸的顆?？梢詫﹂g隙進行填充，使形成的鍍層組織結構相對致密。由此可見，小粒徑鋅粉可使鍍層的致密度提高，使鍍層表面更光滑。

圖3　濕法超聲機械鍍鋅層表面形貌照片

表1是對不同粒徑鋅粉的鋅鍍層進行腐蝕試驗結果。中性鹽霧試驗中出現(xiàn)白、紅銹的時間越晚，表明鍍鋅層的耐蝕性越好。從表1可看出，D=15μm鋅粉鍍層的耐腐蝕性要好一些。這是因為雖然鍍層是由鋅粉顆粒散亂密堆積形成，但顆粒間存在一定的間隙，而間隙的存在會加快鍍層的腐蝕。小粒徑的鋅粉鍍層的耐腐蝕性能較好是因為小顆粒鋅粉能夠填充使間隙縮小，減小腐蝕液的滲透能力，耐腐蝕性能相應提高。由此可見，鋅粉粒徑越小，鍍層的耐蝕性能越好。

表1鍍鋅層腐蝕試驗結果

d(鋅粉)/μmδ(鍍鋅層)/μmt(白銹)/ht(紅銹)/h4527822312984235298423515269426628962722999275

2.2沖擊介質的影響

沖擊介質的作用是提供鋅粉形成鍍層的動力，使沉積到工件表面的粉團形成致密的鍍層[5]。超聲機械鍍采用玻璃珠作為沖擊介質，在超聲振動的作用下，槽內的玻璃珠做小振幅高頻振蕩，將活化后的鋅粉撞擊到基體表面，形成致密的鍍鋅層。

為研究介質尺寸對鍍層性能的影響，用規(guī)格分別為0.8、0.5和0.2mm的玻璃珠作為介質進行鍍鋅，然后置于金相顯微鏡下，觀測鍍鋅層表面形貌，結果如圖4所示。

圖4(a)為0.8mm玻璃珠所得鍍鋅層表面形貌，鍍層表面的凹坑尺寸較大，深度較深，沖擊面較大，但沖擊面不連接，之間的模糊邊緣區(qū)域較多，凹凸不平較明顯。圖4(b)為0.5mm玻璃珠為沖擊介質的鍍鋅層表面形貌，表面的凹坑尺寸變小、深度變淺，沖擊面邊緣區(qū)域減小，連通的面積增多，鍍層的平滑度提高。圖4(c)為0.2mm玻璃珠所得鍍鋅層表面形貌，鍍層中凹坑尺寸最小，深度最淺，沖擊面成片連接，在同一面上的區(qū)域最多，凹凸不平不明顯。分析可得，隨著玻璃珠尺寸減小，超聲機械鍍獲得的鍍層表面更光潔、致密。

圖4　不同玻璃珠所得鍍鋅層表面形貌照片

由于玻璃珠介質對鋅粉或鋅粉團的作用主要表現(xiàn)為沖擊碰撞，只有有效的碰撞才能把鋅粉顆粒碰撞到工件表面。小尺寸沖擊介質的有效碰撞行為更多，且出現(xiàn)在鍍層各位置上的幾率相同，這樣就能使鋅粉均勻連續(xù)沉積成層[6]。

在濕法超聲機械鍍鋅工藝中，一般采用尺寸相對較小的玻璃珠。為探究大尺寸玻璃珠對鍍層的影響，用D=0.5mm玻璃珠進行鍍鋅時，摻雜一顆D=1.5mm玻璃珠，其鍍鋅層表面形貌如圖5所示。從圖5中可以看出，鍍層表面存在一個較深的凹坑，這是因為玻璃珠粒徑增加會減小玻璃珠的振幅，不利于基體表面鍍層的形成。

圖5　摻雜1.5mm玻璃珠鍍層表面形貌照片

2.3強化時間的影響

機械鍍工藝中的強化是為改善鍍層外觀，提高鍍層致密度，在機械鍍完成后繼續(xù)振動一定時間的一個重要工序[7]。

實驗設定了4種時間來分析強化時長對超聲機械鍍鍍層性能的影響，分別為0、5、10和15min。鍍鋅層的表面形貌如圖6所示。由圖6可以看出，鍍層表面均獲得一定厚度、覆蓋較完整的鍍鋅層，強化時間不同時，鍍層表面的平整度和光滑度不同。圖6(a)未進行強化，鍍層表面鋅粉團未連成片，并有微小的隆起，鍍層組織較疏松，易脫落；圖6(b)強化T為5min，鍍鋅層表面粉團沉積較均勻，隆起狀減小，鍍層組織比圖6(a)略微緊密，但鍍層表面凹凸不平結構仍較明顯；圖6(c)強化T為10min，鍍層表面鋅粉團沉積均勻，隆起狀尺寸減小，鍍層表面凹凸不平結構進一步減小，平整度提高；圖6(d)為強化15min的鍍鋅層表面形貌，鍍層表面粉團緊密連接，隆起狀基本消除，鍍層表面平整度好。由此可知，一定時長內，隨著強化時間的增加，鍍層表面鋅粉團分布更均勻，隆起狀減小，凹凸不平結構減小，表面質量更好。

圖6　不同強化時間鍍鋅層表面形貌照片

隨著強化時間的增加，鍍層表面受到?jīng)_擊介質的碰撞次數(shù)增加，使形成的鍍層在沖擊力的作用下壓縮變形更加緊實均勻。對四種不同強化時間的鍍鋅層進行耐腐蝕性能試驗表明，隨著強化時間的增加，耐腐蝕性能依次提高。由此說明適當增加強化時間，有助于提高鍍層的耐蝕性。

不同強化時間的鍍鋅層密度如圖7所示。由圖7可以看出，鍍鋅層的密度隨著強化時間的增加而增加，并逐漸接近鋅的密度7.14g/cm3，因此鍍鋅層更加致密。在形成鍍層的漸變過程中，伴隨有小顆粒鋅粉向間隙移動并填充，使間隙位置縮小[8]。但由于前期的振動使得大多數(shù)鋅粉顆粒變得緊實并處于相對固定的位置，而增加強化時間就會使鍍層再次受到長時間的沖擊，在反復沖擊下，鋅粉顆粒發(fā)生變形，顆粒排列密集，相互間的間隙縮小，形成致密性的鍍層。

圖7　鍍層密度隨強化時間的變化

3結論

超聲機械鍍技術能獲得性能優(yōu)異的鍍層，是一種綠色鍍鋅技術。影響鍍鋅層的因素很多，本文重點探究鋅粉粒徑、沖擊介質和強化時間對鍍鋅層的影響，結果表明：為獲得致密性和耐蝕性好的鍍層可以采用小粒徑的鋅粉以及小尺寸的沖擊介質，而在施鍍后適當?shù)膹娀捎行У靥岣咤儗拥闹旅苄浴?/p>

參考文獻

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Influencing Factors of the Performance of Wet Ultrasonic Mechanical Zinc Coating

SHAO Zhuheng，NIU Zongwei，SUN Peng，F(xiàn)ANG Youfei

(College of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China)

Abstract:Wet ultrasonic mechanical plating is a special processing method based on ultrasonic machining.In this method, mechanical vibration produced by electrical oscillation signal of ultrasonic frequency is used for the mechanical plating,thus，coatings with excellent performance and high corrosion resistance can be obtained.In order to study the influencing factors of the performance of zinc coatings obtained by wet ultrasonic mechanical plating experiments and study are carried out from three factors(zinc powder particle size,impacting media and strengthening time).Results showed that: with the decrease of zinc powder particle size,the coating density and corrosion resistance would increase, while significantly;with the decrease of glass bead size,the coating surface smoothness would increase, while the coating compactness would become better;with the increase of strengthen time,the coating surface quality would improve,and the corrosion resistance was good.

Keyword:zinc powder particle size; impacting media; strengthening time; corrosion resistance; surface morphology

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.05.001

收稿日期：2015-11-23修回日期：2016-01-05通訊作者：牛宗偉

基金項目：國家自然科學基金(項目編號51005140)、山東省自然科學基金(項目編號2015ZRB01917)和山東理工大學青年教師發(fā)展支持計劃經(jīng)費資助

中圖分類號：TQ153.2

文獻標識碼：A