李廣敏，牛宗偉*

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

機(jī)械鍍鋅工藝能耗低、金屬利用率高、生產(chǎn)環(huán)境安全、生產(chǎn)過程無污染，是一種環(huán)境友好型的表面處理工藝。機(jī)械鍍鋅工藝的理論研究日趨成熟，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(jī)械鍍鋅是應(yīng)用最多的機(jī)械鍍鋅工藝之一[5]。但滾筒式機(jī)械鍍鋅設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，沖擊介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不易控制，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中噪音較大；滾筒一端開口，相對(duì)封閉，只能對(duì)小尺寸零件進(jìn)行機(jī)械鍍。為改善操作方式，實(shí)現(xiàn)較大尺寸零件的機(jī)械鍍鋅，本文提出了一種濕法超聲機(jī)械鍍鋅工藝，以玻璃珠為沖擊介質(zhì)，利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)代替滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)為玻璃珠提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)玻璃珠做高頻振動(dòng)[6]，并分析了濕法超聲機(jī)械鍍鋅所得鍍層的表面形貌和斷面結(jié)構(gòu)，以期為研究鍍層的其他性能打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 濕法超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)備

濕法超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)備為本課題組研究所得[7]，具體裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 濕法超聲機(jī)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(dòng)槽由超聲振動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)，槽內(nèi)的金屬粉在超聲振動(dòng)作用下做復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)和彈跳運(yùn)動(dòng)：一是超聲振動(dòng)部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的鍍粉彈跳；二是聲流帶動(dòng)鍍粉在鍍腔內(nèi)做渦流運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)槽中盛放待鍍工件，容量可以根據(jù)工件形狀和加工量設(shè)計(jì)，但需要改變換能器和變幅桿的參數(shù)并進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)。整個(gè)濕法超聲機(jī)械鍍鋅過程中，超聲波發(fā)生器輸出高頻電信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌晸Q能器的機(jī)械振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)玻璃珠做小振幅高頻震蕩，在玻璃珠的碰撞和化學(xué)試劑的共同作用下，金屬粉被撞擊到工件表面而實(shí)現(xiàn)機(jī)械鍍鋅，整個(gè)過程類似于噴丸。另外，振動(dòng)槽中交變的液壓沖擊作用在玻璃珠上，可使其產(chǎn)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(jī)械鍍鋅設(shè)備，WT-2500 超聲波發(fā)生器(濟(jì)寧萬通超聲設(shè)備廠)功率為0～2 500 W可調(diào)，8SH-5028超聲換能器(南京市江寧區(qū)國(guó)功機(jī)電設(shè)備廠)的功率為100 W，頻率為28 kHz。待鍍工件為外徑20 mm、內(nèi)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(jī)械鍍鋅加料過程相似，為分批加入。以30 個(gè)Q235 鋼墊片分別鍍35 μm 厚的鋅層為例，計(jì)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(diào)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(jīng)脫脂、除銹的工件置于振動(dòng)槽內(nèi)，加入H2SO4調(diào)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(fù)合沉積劑(含Sn2+、Fe2+等)，使鍍層增厚；重復(fù)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(dòng)，3 min后即可獲得致密、光滑的鍍層。將工件從振動(dòng)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(cè)。

1.3 性能檢測(cè)

用北京時(shí)代公司生產(chǎn)的TT260 涂層測(cè)厚儀測(cè)量鍍鋅層厚度，在試樣前后表面各選取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(jié)構(gòu)，分析鍍鋅層表面鋅粉團(tuán)的聚集狀態(tài)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。按GB/T 5270–1985《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1 mm×1 mm 的正方形格子，劃線時(shí)應(yīng)一次劃破鍍層直達(dá)金屬基體。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍鋅層厚度

鍍層厚度是檢驗(yàn)該工藝是否達(dá)到預(yù)期要求的指標(biāo)之一，也是工件耐腐蝕性好壞的重要指標(biāo)之一。隨機(jī)取5 個(gè)濕法超聲機(jī)械鍍鋅工件，測(cè)其表面的鋅層厚度，結(jié)果見表1。

表1 濕法超聲機(jī)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(yù)定的鍍層厚度稍薄，說明在鍍鋅試驗(yàn)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(yù)期的范圍內(nèi)。所以根據(jù)預(yù)定的鍍層厚度計(jì)料時(shí)，要考慮鍍鋅時(shí)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(jī)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(jī)械鍍鋅工件表面細(xì)膩、均勻、平整，無麻點(diǎn)、脫皮、鼓泡、漏鍍等缺陷；比普通機(jī)械鍍鋅層平整，表面無凹凸不平結(jié)構(gòu)。

圖2為濕法超聲機(jī)械鍍鋅工件的表面形貌照片。

圖2 濕法超聲機(jī)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(tuán)相互鑲嵌填充，鋅粉團(tuán)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(jī)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(tuán)并沉積到工件表面，經(jīng)玻璃珠碰撞形成鍍層。在超聲振動(dòng)式機(jī)械鍍鋅工藝中，玻璃珠介質(zhì)對(duì)鋅粉的碰撞主要為沖擊作用，搓捻作用相對(duì)微弱，所以鍍鋅層中的鋅粉團(tuán)較細(xì)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(jī)械鍍鋅工件的截面形貌。

圖3 濕法超聲機(jī)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(jié)晶產(chǎn)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(jié)構(gòu)。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(jié)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(tái)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(dòng)和填充，被擠壓后使鍍層變得致密。

2.4 鍍層的結(jié)合強(qiáng)度

對(duì)濕法超聲機(jī)械鍍鋅工件進(jìn)行劃格試驗(yàn)，結(jié)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(qiáng)度良好。

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

3 結(jié)論

(1)采用濕法超聲振動(dòng)系統(tǒng)為沖擊介質(zhì)提供動(dòng)力進(jìn)行機(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)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(xì)致、均勻、平整，無凹凸不平結(jié)構(gòu)，與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較好。

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