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        基于超聲振動(dòng)的機(jī)械鍍鋅工藝

        2014-11-25 09:21:52李廣敏牛宗偉
        電鍍與涂飾 2014年1期
        關(guān)鍵詞:鋅粉玻璃珠鍍鋅

        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。

        [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(jī)械鍍鍍層與金屬粉末相關(guān)性的研究[J].材料保護(hù),2008,41 (8):64-66.

        [3]李廣敏,牛宗偉,董海青,等.機(jī)械鍍鋅技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,26 (5):26-30.

        [4]王勝民,何明奕,劉麗,等.鑄鐵五金件的機(jī)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(jī)械鍍?cè)砑皯?yīng)用[M].北京:機(jī)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(xué).濕法超聲機(jī)械鍍裝置:CN,103205745 [P].2013–07–17.

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