徐明玉，牛宗偉*，李明哲

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

濕法超聲機(jī)械鍍鋅-鋁層的性能研究

徐明玉，牛宗偉*，李明哲

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

以 Q235鋼片為基體，采用濕法超聲機(jī)械鍍制備 Zn-Al復(fù)合鍍層。用掃描電子顯微鏡及其配備的能譜儀分析了鋅-鋁復(fù)合鍍層的表面形貌、斷面形貌和元素組成，并用測(cè)厚儀、貼濾紙法和劃格試驗(yàn)分別對(duì)鍍層的厚度、孔隙率和結(jié)合力進(jìn)行表征。結(jié)果表明，濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al復(fù)合鍍層是由鋅粉和鋁粉顆粒相互鑲嵌、填充所形成的致密堆積體，表面均勻、平整，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。鍍層主要由鋅、鋁、錫和鐵組成，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于施鍍前混合粉體中鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在考慮施鍍過程中金屬粉的損耗后，所得Zn-Al鍍層的厚度滿足預(yù)定的厚度(30 μm)要求。

鋅鋁復(fù)合鍍層；濕法機(jī)械鍍；超聲振動(dòng)；形貌；厚度；結(jié)合力

機(jī)械鍍是一種能夠?qū)崿F(xiàn)綠色加工的表面處理技術(shù)，在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。利用該方法可以在鋼鐵工件表面制備Zn、Al、Cu等金屬鍍層，對(duì)鋼鐵基體起防護(hù)作用。目前機(jī)械鍍工藝正朝著合金化方向發(fā)展，鋁由于具有優(yōu)良的自鈍化性能而在機(jī)械鍍的合金化中被視為首選元素[4-5]。王勝民等[6]在鋅粉中添加含量為 5%的鋁粉，得到的機(jī)械鍍鋅-鋁復(fù)合鍍層比機(jī)械鍍鋅層光滑、光亮，耐腐蝕性能明顯提高，并且已在一些生產(chǎn)廠家進(jìn)行了試生產(chǎn)。趙霞等[5]研究了機(jī)械鍍鋅-鋁復(fù)合鍍層的性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合鍍層的外觀、耐腐蝕性和抗沖擊破壞能力均優(yōu)于機(jī)械鍍鋅層。趙增典等[7]采用鋅-10%鋁粉混合球磨成的片狀鋅-鋁復(fù)合粉體進(jìn)行復(fù)合機(jī)械鍍，得到光亮、密實(shí)度較佳、耐蝕性較好的鋅-鋁鍍層。

本文提出一種新的表面處理技術(shù)，即濕法超聲機(jī)械鍍鋅-鋁工藝，在鋅粉中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鋁粉，利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)玻璃珠做高頻振動(dòng)[8]，將活化后的鋅粉、鋁粉撞擊、搓捻到工件表面而形成鍍層，繼而分析了其表面形貌、斷面結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及厚度，為鋅-鋁復(fù)合鍍層的性能研究打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al設(shè)備

采用自制濕法超聲機(jī)械鍍?cè)O(shè)備，該設(shè)備包括超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、振動(dòng)槽和支架[9]。振動(dòng)槽容積為200 mm × 200 mm × 100 mm，超聲換能器的功率為120 W，頻率為28 kHz。

1.2 試樣制備

試樣為外徑22 mm、內(nèi)徑10 mm、厚2 mm的Q235鋼墊片，鋅粉為800目球形鋅粉，鋁粉為325目片狀或顆粒狀鋁粉，玻璃珠尺寸為20 ~ 80目。以對(duì)30個(gè)鋼墊片鍍30 μm厚鍍層為例，需要鋅粉5.7 g，鋁粉0.3 g(占總顆粒質(zhì)量的5%)。具體工藝流程為：打開超聲波發(fā)生器并調(diào)整功率為120 W、頻率為28 kHz，對(duì)振動(dòng)槽施加超聲振動(dòng)；將除油、除銹后的鋼板放入含有玻璃珠和水的振動(dòng)槽中，加入H2SO4調(diào)整鍍液的pH為1.5 ~ 2.5，加入1.2 g鋅粉、0.06 g鋁粉、0.5 mL沉積性活化劑(含Sn2+)，在工件基體表面建立1 ~ 5 μm厚的基層；5 min后加入5 mL復(fù)合表面活性劑(由十二烷基硫酸鈉、聚乙二醇、氯化鈉、硫酸鈉、磷酸氫二銨、氯化銨組成)、2.5 mL沉積性活化劑(含 Sn2+和Fe2+)、4.5 g鋅粉和0.24 g鋁粉，使鍍層增厚。將工件從振動(dòng)槽中取出，置于電阻爐中干燥，以待檢測(cè)。

鍍層斷面試樣采用樹脂鑲嵌，金相砂紙打磨后在拋光機(jī)上短時(shí)清水拋光，采用4% HNO3+ 96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))C2H5OH配制的試劑腐蝕，以待檢測(cè)。

1.3 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鋅-鋁層的微觀表面形貌、斷面結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分。用北京時(shí)代公司生產(chǎn)的TT260涂層測(cè)厚儀測(cè)量鍍層厚度，在試樣的上、下面各選取 5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取平均值。按GB/T 17721-1999《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10 g/L鐵氰化鉀和20 g/L氯化鈉組成。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，劃出邊長為1 mm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。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層的表面形貌

圖1為 Zn-Al復(fù)合鍍層的表面形貌。圖中箭頭 1為鋅粉形成的板狀區(qū)域，箭頭 2為鋁粉形成的扁平狀堆積區(qū)域。從圖1可知，鋅-鋁復(fù)合鍍層表面較為平整、均勻，鍍層的覆蓋性好，無漏鍍、結(jié)瘤等缺陷。鋅粉顆粒和鋁粉顆粒相互鑲嵌、填充，在工件表面形成致密的鍍層。顆粒均有一定的變形，且表層顆粒發(fā)生較大的變形。

圖1 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層的表面形貌Figure 1 Surface morphology of Zn-Al coating obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.2 鍍層斷面形貌分析

圖2為濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層的斷面結(jié)構(gòu)。鍍層為鋅粉顆粒和鋁粉顆粒相互摻雜、交錯(cuò)填充形成的致密結(jié)構(gòu)體。鋅粉顆粒的形狀有所改變,有些變?yōu)闄E球形或扁平結(jié)構(gòu)，小顆粒填充在大顆?；蜃冃晤w粒之間，被擠壓后使鍍層變得致密。鋁粉顆粒較大，呈不規(guī)則排列，構(gòu)成鍍層的骨架，鋅粉顆粒較小，對(duì)鋁粉顆粒形成的間隙進(jìn)行填充，顆粒之間有一定的孔隙。

圖2 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層的斷面形貌Figure 2 Cross-section morphology of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.3 鍍層斷面的能譜分析

鍍層斷口的能譜分析表明，鍍層中含有鋅、鋁、錫、鐵，可以認(rèn)為鍍層是鋅基鋁-錫-鐵的復(fù)合鍍層。對(duì)鍍層斷面進(jìn)行EDS分析(如圖3和表1所示)時(shí)，發(fā)現(xiàn)泥膏狀區(qū)域(圖2中A處)中鋁、錫的含量較高，但無法確認(rèn)鋁的具體位置。腐蝕后活性大的部分鋅粉、鋁粉先于金屬錫腐蝕掉，這與表1中鋅粉鋁粉含量偏低，而金屬錫的相對(duì)含量偏高相符合。鐵元素的含量偏高有可能是由基體腐蝕造成，具體原因有待進(jìn)一步研究。鋁含量最低點(diǎn)出現(xiàn)在鋅粉顆粒呈扁平狀結(jié)構(gòu)附近(如圖2中B處)。

圖3 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層不同部位的EDS譜Figure 3 EDS spectra for different areas of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

表1 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層不同部位的組成Table 1 Compositions of different areas of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.4 鍍層厚度

表2為機(jī)械鍍所得Zn-Al復(fù)合鍍層的厚度。

表2 濕法超聲機(jī)械鍍Zn-Al層的厚度Table 2 Thickness of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

從表 2可知，工件表面的鍍層厚度較接近，采用該工藝可在工件表面制備鋅鋁鍍層，但實(shí)際厚度與預(yù)定厚度之間相差較大，說明在試驗(yàn)過程中金屬粉有一定的損耗。根據(jù)預(yù)定鍍層厚度，并考慮金屬粉的損耗，改投加鋅粉為6.55 g、鋁粉為0.35 g后，所得鍍層厚度均在30 μm附近，達(dá)到了預(yù)定的厚度要求。因此，在計(jì)算物料時(shí)要考慮金屬的損耗。

2.5 鍍層的孔隙率

孔隙率測(cè)試表明，鍍層表面沒有藍(lán)色斑點(diǎn)生成，說明鍍層不存在連通的孔洞，致密度高。

2.6 鍍層的結(jié)合強(qiáng)度

在工件表面進(jìn)行劃格試驗(yàn)，劃格處鍍層無脫落和剝離，說明鍍層與基體金屬之間的附著強(qiáng)度良好。

3 結(jié)論

采用濕法超聲機(jī)械鍍工藝可在工件表面獲得一定厚度的鋅-鋁復(fù)合鍍層，鋅-鋁復(fù)合鍍層光滑、白亮，覆蓋性好，表面平整，無漏鍍、結(jié)瘤等缺陷，鍍層外觀優(yōu)于機(jī)械鍍鋅層。鋅-鋁復(fù)合鍍層由鋅、鋁粉顆粒相互鑲嵌、堆積形成?？紤]施鍍過程中的金屬粉損耗后，獲得鍍層厚度與預(yù)定鍍層厚度相當(dāng)，且致密度好，與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高。

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

Study on zinc-aluminum coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

XU Ming-yu,NIU Zong-wei*, LI Ming-zhe

Zn-Al composite coating was prepared on Q235 steel substrate by ultrasonic-based wet mechanical plating.The surface morphology, cross-sectional morphology, and elemental composition of the coating were analyzed by scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy.The thickness, porosity, and adhesion strength of the coating were characterized using thickness tester,ferroxyl test, and cross-cut test, respectively.The results showed that the Zn-Al composite coating prepared by ultrasonic-based wet mechanical plating is a compact stacked layer mutually inlaid and filled by zinc and aluminum particles, with uniform and smooth surface and strong adhesion to the substrate.The Zn-Al coating consists mainly of zinc, aluminum, tin, and iron.The mass fraction of aluminum in the coating is lower than that of aluminum in the particle mixture before plating.The thickness of Zn-Al coating reaches the expected value (30 μm)after considering the loss of metal particles during the plating process.

zinc-aluminum composite coating; wet mechanical plating; ultrasonic vibration; morphology;thickness; adhesion

School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255091, China

TG174.4; TQ153.2

A

1004-227X (2014)09-0366-03

2014-01-02

2014-03-05

國家自然科學(xué)基金（51005140）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2010EQ037）；山東理工大學(xué)青年教師發(fā)展支持計(jì)劃經(jīng)費(fèi)資助。

徐明玉（1989-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械鍍鋅-鋁技術(shù)。

牛宗偉，博士，副教授，(E-mail)niuzongwei@sdut.edu.cn。

周新莉]