邵珠恒，牛宗偉，孫　鵬，房友飛

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255000)

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影響濕法超聲機(jī)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255000)

摘要：濕法超聲機(jī)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(hào)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行機(jī)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(jī)械鍍鍍鋅層性能的因素，從鋅粉粒徑、沖擊介質(zhì)以及強(qiáng)化時(shí)間三因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)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(qiáng)化時(shí)間的增加，鍍層表面質(zhì)量提高，耐腐蝕性好。

關(guān)鍵詞:鋅粉粒度；沖擊介質(zhì)；強(qiáng)化時(shí)間；耐腐蝕性；表面形貌

引言

機(jī)械鍍通常在常溫下進(jìn)行，具有能耗低、污染小的優(yōu)點(diǎn)，在表面處理方面應(yīng)用廣泛[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械鍍是在滾筒中進(jìn)行，只能進(jìn)行較小尺寸工件防腐處理，限制了工件的種類。為實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的加工，采用超聲機(jī)械鍍工藝[2]，該工藝改變了傳統(tǒng)靠機(jī)械振動(dòng)驅(qū)使玻璃珠運(yùn)動(dòng)的機(jī)械方式,通過引入超聲波技術(shù)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(zhì)和強(qiáng)化時(shí)間對(duì)鍍鋅層性能的影響，完善基于超聲振動(dòng)的機(jī)械鍍工藝。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

采用的超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)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(nèi)外徑分別為φ10mm和φ20mm，厚度為2mm的Q235鋼墊片，實(shí)驗(yàn)中的超聲功率為100W。

實(shí)驗(yàn)步驟：將經(jīng)過脫脂、除銹的工件和玻璃珠放入振動(dòng)槽內(nèi)，加入適量的水，用硫酸調(diào)節(jié)pH到1.5～2.5。加入鋅粉以及沉積活化劑，啟動(dòng)超聲設(shè)備，通過超聲振動(dòng)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(fù)加料獲得需要的鍍層厚度。最后取出工件清洗、烘干，檢測(cè)。

圖1　超聲機(jī)械鍍鋅設(shè)備

1.2測(cè)試

采用TT260涂層測(cè)厚儀，在試樣表面選取多點(diǎn)測(cè)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(jié)構(gòu)。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10125-1997進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，記錄試樣在5%氯化鈉溶液中出現(xiàn)紅、白、銹的時(shí)間，箱內(nèi)恒溫35℃。采用質(zhì)量稱量法測(cè)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(zhì)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(zhì)量，這是由于機(jī)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(xì)膩。

圖2　超聲機(jī)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(tuán)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(xì)致光滑，鋅粉團(tuán)尺寸較小，粉團(tuán)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(tuán)鑲嵌連接形成，顆粒結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生一定的連接間隙，較小尺寸的顆粒可以對(duì)間隙進(jìn)行填充，使形成的鍍層組織結(jié)構(gòu)相對(duì)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(jī)械鍍鋅層表面形貌照片

表1是對(duì)不同粒徑鋅粉的鋅鍍層進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。中性鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)白、紅銹的時(shí)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?yàn)殡m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(huì)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?yàn)樾☆w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(yīng)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(yàn)結(jié)果

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

2.2沖擊介質(zhì)的影響

沖擊介質(zhì)的作用是提供鋅粉形成鍍層的動(dòng)力，使沉積到工件表面的粉團(tuán)形成致密的鍍層[5]。超聲機(jī)械鍍采用玻璃珠作為沖擊介質(zhì)，在超聲振動(dòng)的作用下，槽內(nèi)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(zhì)尺寸對(duì)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(zhì)進(jìn)行鍍鋅，然后置于金相顯微鏡下，觀測(cè)鍍鋅層表面形貌，結(jié)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(zhì)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(jī)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(zhì)對(duì)鋅粉或鋅粉團(tuán)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(zhì)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(jī)械鍍鋅工藝中，一般采用尺寸相對(duì)較小的玻璃珠。為探究大尺寸玻璃珠對(duì)鍍層的影響，用D=0.5mm玻璃珠進(jìn)行鍍鋅時(shí)，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(gè)較深的凹坑，這是因?yàn)椴Ａе榱皆黾訒?huì)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(qiáng)化時(shí)間的影響

機(jī)械鍍工藝中的強(qiáng)化是為改善鍍層外觀，提高鍍層致密度，在機(jī)械鍍完成后繼續(xù)振動(dòng)一定時(shí)間的一個(gè)重要工序[7]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定了4種時(shí)間來分析強(qiáng)化時(shí)長對(duì)超聲機(jī)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(qiáng)化時(shí)間不同時(shí)，鍍層表面的平整度和光滑度不同。圖6(a)未進(jìn)行強(qiáng)化，鍍層表面鋅粉團(tuán)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(qiáng)化T為5min，鍍鋅層表面粉團(tuán)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(jié)構(gòu)仍較明顯；圖6(c)強(qiáng)化T為10min，鍍層表面鋅粉團(tuán)沉積均勻，隆起狀尺寸減小，鍍層表面凹凸不平結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小，平整度提高；圖6(d)為強(qiáng)化15min的鍍鋅層表面形貌，鍍層表面粉團(tuán)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(shí)長內(nèi)，隨著強(qiáng)化時(shí)間的增加，鍍層表面鋅粉團(tuán)分布更均勻，隆起狀減小，凹凸不平結(jié)構(gòu)減小，表面質(zhì)量更好。

圖6　不同強(qiáng)化時(shí)間鍍鋅層表面形貌照片

隨著強(qiáng)化時(shí)間的增加，鍍層表面受到?jīng)_擊介質(zhì)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(shí)均勻。對(duì)四種不同強(qiáng)化時(shí)間的鍍鋅層進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)表明，隨著強(qiáng)化時(shí)間的增加，耐腐蝕性能依次提高。由此說明適當(dāng)增加強(qiáng)化時(shí)間，有助于提高鍍層的耐蝕性。

不同強(qiáng)化時(shí)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(qiáng)化時(shí)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(dòng)并填充，使間隙位置縮小[8]。但由于前期的振動(dòng)使得大多數(shù)鋅粉顆粒變得緊實(shí)并處于相對(duì)固定的位置，而增加強(qiáng)化時(shí)間就會(huì)使鍍層再次受到長時(shí)間的沖擊，在反復(fù)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(qiáng)化時(shí)間的變化

3結(jié)論

超聲機(jī)械鍍技術(shù)能獲得性能優(yōu)異的鍍層，是一種綠色鍍鋅技術(shù)。影響鍍鋅層的因素很多，本文重點(diǎn)探究鋅粉粒徑、沖擊介質(zhì)和強(qiáng)化時(shí)間對(duì)鍍鋅層的影響，結(jié)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(zhì)，而在施鍍后適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化可有效地提高鍍層的致密性。

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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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)51005140)、山東省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)2015ZRB01917)和山東理工大學(xué)青年教師發(fā)展支持計(jì)劃經(jīng)費(fèi)資助

中圖分類號(hào)：TQ153.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A