超声振动对机械镀锌层的性能影响

牛宗伟， 徐明玉， 孙 鹏

(山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049)

引 言

机械镀锌技术是金属腐蚀防护的主要方法之一，其产品已涉及到小五金、汽车制造业、建筑、一般工业及日常生活等领域［1］。机械镀锌是金属锌粉在机械碰撞和化学药剂的共同作用下沉积在工件表面的过程［2］，而湿法超声机械镀锌［3］是将机械镀技术和超声喷丸技术结合起来，利用超声振动系统为玻璃珠提供动力，驱动玻璃珠做高频振动，使其产生很大的加速度［4］，将经过活化剂处理的金属粉末高速喷打到工件表面上，获得一定厚度的镀层。本文利用机械镀锌设备和湿法超声机械镀锌设备分别获得镀层，采用扫描电子显微镜、能谱仪分析镀层的结构形貌及化学组成，利用中性盐雾试验对比了两种镀层的耐腐蚀性能，目的是推动环保型镀锌技术发展，寻求更环保、性能更好的新工艺。

1 实验

1.1 试样制备

试样为Q235钢垫片(外径22mm，内径10mm，厚2mm)，原料为球形颗粒状锌粉。采用自制的可调转速滚筒式机械镀锌机［5］。镀锌工艺流程为:V(工件)∶V(玻璃珠)按1∶1.2的比例装入滚桶中，加入硫酸和水，调整镀液的pH为1～3之间，调整转速为60r/min。建立基层，向镀筒中加入适量的硫酸亚锡和锌粉。镀层增厚，加入适量的保持性活化剂、沉积性活化剂和锌粉。根据需要的镀层厚度每隔3～5min加料一次。

采用自制湿法超声机械镀锌设备［6］，包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆、振动槽和支架。振动槽位于支架上部，用于盛放镀液、金属粉、玻璃珠和待镀工件，变幅杆上部和下部分别与容器槽底部和换能器连接，超声波发生器与换能器接线端导线连接，如图1所示。具体操作步骤为:将垫片试样放入含有玻璃珠和水的振动槽中，调整镀液的pH为1～2，加入锌粉、沉积性活化剂，打开控制系统，调整超声波发生器的频率为28KHz，施加超声振动。根据镀层厚度要求，分批加入复合表面活性剂、沉积性活化剂和锌粉。

图1 湿法超声机械镀装置示意图

1.2 性能检测

用FEI Sirion2000多功能扫描电子显微镜及其配备的能谱仪分析镀层的微观表面形貌、断面结构以及化学成分。

采用HV-1000型显微硬度计测定涂层的显微硬度，施加载荷0.29N(压力为3N)，加载时间15s，取5次测量数据，以便比较。

按GB/T17721-1999《金属覆盖层孔隙率试验铁试剂试验》检测镀层的孔隙率，试剂由10g/L铁氰化钾和20g/L氯化钠组成。

按GB/T5270-1985《金属基体上的金属覆盖层(电沉积层和化学沉积层)附着强度试验方法》，采用划格法测定镀层的附着强度，用30°锐角的硬质合金划刀，施以足够的压力，划出边长为1mm的正方形格子，划线时使划刀一次划破镀层直达金属基体。

按照GB/T10125-1997《人造气氛中的腐蚀试验-盐雾试验》的要求，采用JK-60盐雾试验箱进行中性盐雾腐蚀试验。试样在5%氯化钠溶液中θ为(35±2)℃进行连续喷雾试验。以垫片试样5%面积出现白锈、红锈的时间为试验结果。

2 结果与分析

2.1 镀层形貌分析

镀锌层的微观表面形貌如图2所示。试件表面形成一层相对平整的镀锌层，锌粉颗粒或锌粉团相互连接形成一体。机械镀锌层［图2(a)］的锌粉颗粒之间的空隙比较大，可以清晰的辨别出球形痕迹，由于锌粉受到的撞击力不均匀，使镀层表面存在局部的离散锌粉颗粒，这些锌粉颗粒容易脱落，因而降低了镀层表面质量。湿法超声机械镀锌层［图2(b)］表面是由锌粉颗粒或锌粉团变形之后相互交错、层层叠加而成，锌粉颗粒或锌粉团之间的孔隙被压缩，因而镀层表面连续性较好［7］。

镀锌层的断面结构，如图2(c)、图2(d)所示，镀层中没有电结晶产物，也没有类似冶金反应生成的合金相，镀层为锌粉颗粒以特定方式聚合形成堆积体，没有明显的排列规律，小尺寸颗粒填充在大尺寸颗粒之间，被挤压后使镀层变得致密。机械镀锌层中锌粉在酸性环境中会发生腐蚀，使颗粒发生形貌变化。湿法超声机械镀锌层断面中无明显的颗粒形貌，但有明显的塑性变形后的滑移台阶。

图2 镀层形貌照片

2.2 镀层成分分析

对两种镀锌层进行能谱分析，结果见图3、表1。从表1中可以看出，机械镀锌层［图3(a)］主要含有金属Zn、Sn和Fe，其中微量元素检测不到;湿法超声机械镀锌层图［3(b)］并不是纯锌层，而是由少量的Sn，Fe和大量的Zn构成的金属复合镀层，且镀层中含有C、O元素，经检测杂质元素来自CaCO3和SiO2，并且该物质的含量很低，可以忽略不计。

图3 镀层的能谱分析谱图

表1 镀层中元素质量分数

2.3 镀层的耐腐蚀性能分析

盐雾试验结果见表2。从表2中可以看出，对比镀层厚度相近的两种镀层(每种镀层均选3个试样)，湿法超声机械镀锌层要比机械镀锌层的耐腐蚀性能优异。由机械镀锌原理可知，镀层是由锌粉颗粒按散乱球体堆垛理论形成，颗粒间存在一定的间隙，镀层的腐蚀速度增加。根据湿法超声机械镀锌层的形成原理可知，在镀层形成过程中，超声波在液体介质中产生液压冲击，这一冲击作用在玻璃珠上，使其产生很大的加速度将锌粉高速撞击到工件表面，形成致密的镀锌层。此外，在工件表面形成的层层叠加的镀层有助于阻挡腐蚀介质渗透，致使镀层的耐腐蚀性能优异。

表2 两种机械镀锌层腐蚀试验结果

2.4 镀层的孔隙率

孔隙率测试表明，机械镀锌和湿法超声机械镀锌试样镀层表面均没有蓝色斑点生成，说明镀层不存在连通的孔洞，致密度高。

2.5 镀层的结合强度

在工件表面进行划格试验，机械镀锌和湿法超声机械镀锌试样划格处镀层均无脱落和剥离，说明镀层与基体金属之间的附着强度良好。

2.6 镀层的表面硬度

镀层表面硬度测试结果见表3。从表3可以看出，湿法超声机械镀锌层表面的硬度高于机械镀锌层，并且镀层表面硬度的均匀性优于机械镀锌层。这是因为湿法超声机械镀锌层是呈板状层层覆盖在工件表面，表面硬度检测时压针压在板状区域，并且超声震动可以使镀层组织细化，致密度提高，所以湿法超声机械镀锌层表面硬度大。

表3 镀层表面硬度

3 结论

1)两种镀层表面均匀细致，平滑度较好，镀层与基体结合强度良好，不存在连通的孔洞，致密度高，湿法超声机械镀锌层的表面硬度高于机械镀锌层。

2)湿法超声机械振动系统改变了锌粉颗粒的聚积效果，改善了镀层表面质量，提高了镀层的耐腐蚀性能，在实际生产中具有一定推广价值。

3)超声振动对镀层的成分有一定的影响，但微量元素的存在对镀层的整体性能影响并不大。

［1］ 刘琦，吴勇.低能耗机械镀锌技术及应用［J］.能源研究与管理，2011，(2):54-56.

［2］ 刘丽，赵晓军，赵霞，等.无结晶形成Zn-Al-Re机械镀合金镀层研究［J］.稀土，2009，30(2):51-56.

［3］ 李广敏，牛宗伟，董海青，等.湿法超声机械镀锌技术研究［J］.表面技术，2014，43(1):63-66.

［4］ Komarov S V，Son S H，Hayashi N.Development of a novel method for mechanical plating using ultrasonic vibrations［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2007，(201):6999-7006.

［5］ 李广敏，牛宗伟，董海青.锌粉粒度对机械镀锌层耐腐蚀性能的影响［J］.表面技术，2013，42(5):5-7.

［6］ 山东理工大学.湿法超声机械镀装置:CN，103205745［P］.2013-07-17.

［7］ 李广敏，牛宗伟.基于超声振动的机械镀锌工艺［J］.电镀与涂饰，2014，33(1):21-23.