湿法超声机械镀锌-铝层的性能研究

徐明玉，牛宗伟*，李明哲

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

湿法超声机械镀锌-铝层的性能研究

徐明玉，牛宗伟*，李明哲

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

以 Q235钢片为基体，采用湿法超声机械镀制备 Zn-Al复合镀层。用扫描电子显微镜及其配备的能谱仪分析了锌-铝复合镀层的表面形貌、断面形貌和元素组成，并用测厚仪、贴滤纸法和划格试验分别对镀层的厚度、孔隙率和结合力进行表征。结果表明，湿法超声机械镀Zn-Al复合镀层是由锌粉和铝粉颗粒相互镶嵌、填充所形成的致密堆积体，表面均匀、平整，与基体的结合强度高。镀层主要由锌、铝、锡和铁组成，铝的质量分数低于施镀前混合粉体中铝粉的质量分数。在考虑施镀过程中金属粉的损耗后，所得Zn-Al镀层的厚度满足预定的厚度(30 μm)要求。

锌铝复合镀层；湿法机械镀；超声振动；形貌；厚度；结合力

机械镀是一种能够实现绿色加工的表面处理技术，在工业中的应用越来越广泛[1-3]。利用该方法可以在钢铁工件表面制备Zn、Al、Cu等金属镀层，对钢铁基体起防护作用。目前机械镀工艺正朝着合金化方向发展，铝由于具有优良的自钝化性能而在机械镀的合金化中被视为首选元素[4-5]。王胜民等[6]在锌粉中添加含量为 5%的铝粉，得到的机械镀锌-铝复合镀层比机械镀锌层光滑、光亮，耐腐蚀性能明显提高，并且已在一些生产厂家进行了试生产。赵霞等[5]研究了机械镀锌-铝复合镀层的性能，发现复合镀层的外观、耐腐蚀性和抗冲击破坏能力均优于机械镀锌层。赵增典等[7]采用锌-10%铝粉混合球磨成的片状锌-铝复合粉体进行复合机械镀，得到光亮、密实度较佳、耐蚀性较好的锌-铝镀层。

本文提出一种新的表面处理技术，即湿法超声机械镀锌-铝工艺，在锌粉中添加质量分数为5%的铝粉，利用超声振动系统驱动玻璃珠做高频振动[8]，将活化后的锌粉、铝粉撞击、搓捻到工件表面而形成镀层，继而分析了其表面形貌、断面结构、化学成分以及厚度，为锌-铝复合镀层的性能研究打下基础。

1 实验

1.1 湿法超声机械镀Zn-Al设备

采用自制湿法超声机械镀设备，该设备包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、振动槽和支架[9]。振动槽容积为200 mm × 200 mm × 100 mm，超声换能器的功率为120 W，频率为28 kHz。

1.2 试样制备

试样为外径22 mm、内径10 mm、厚2 mm的Q235钢垫片，锌粉为800目球形锌粉，铝粉为325目片状或颗粒状铝粉，玻璃珠尺寸为20 ~ 80目。以对30个钢垫片镀30 μm厚镀层为例，需要锌粉5.7 g，铝粉0.3 g(占总颗粒质量的5%)。具体工艺流程为：打开超声波发生器并调整功率为120 W、频率为28 kHz，对振动槽施加超声振动；将除油、除锈后的钢板放入含有玻璃珠和水的振动槽中，加入H2SO4调整镀液的pH为1.5 ~ 2.5，加入1.2 g锌粉、0.06 g铝粉、0.5 mL沉积性活化剂(含Sn2+)，在工件基体表面建立1 ~ 5 μm厚的基层；5 min后加入5 mL复合表面活性剂(由十二烷基硫酸钠、聚乙二醇、氯化钠、硫酸钠、磷酸氢二铵、氯化铵组成)、2.5 mL沉积性活化剂(含 Sn2+和Fe2+)、4.5 g锌粉和0.24 g铝粉，使镀层增厚。将工件从振动槽中取出，置于电阻炉中干燥，以待检测。

镀层断面试样采用树脂镶嵌，金相砂纸打磨后在抛光机上短时清水抛光，采用4% HNO3+ 96%(质量分数)C2H5OH配制的试剂腐蚀，以待检测。

1.3 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锌-铝层的微观表面形貌、断面结构以及化学成分。用北京时代公司生产的TT260涂层测厚仪测量镀层厚度，在试样的上、下面各选取 5个点进行测量，取平均值。按GB/T 17721-1999《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10 g/L铁氰化钾和20 g/L氯化钠组成。按GB/T 5270-1985《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1 mm的正方形格子，划线时使划刀一次划破镀层直达金属基体。

2 结果与分析

2.1 镀层的表面形貌

图1为 Zn-Al复合镀层的表面形貌。图中箭头 1为锌粉形成的板状区域，箭头 2为铝粉形成的扁平状堆积区域。从图1可知，锌-铝复合镀层表面较为平整、均匀，镀层的覆盖性好，无漏镀、结瘤等缺陷。锌粉颗粒和铝粉颗粒相互镶嵌、填充，在工件表面形成致密的镀层。颗粒均有一定的变形，且表层颗粒发生较大的变形。

图1 湿法超声机械镀Zn-Al层的表面形貌Figure 1 Surface morphology of Zn-Al coating obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.2 镀层断面形貌分析

图2为湿法超声机械镀Zn-Al层的断面结构。镀层为锌粉颗粒和铝粉颗粒相互掺杂、交错填充形成的致密结构体。锌粉颗粒的形状有所改变,有些变为椭球形或扁平结构，小颗粒填充在大颗粒或变形颗粒之间，被挤压后使镀层变得致密。铝粉颗粒较大，呈不规则排列，构成镀层的骨架，锌粉颗粒较小，对铝粉颗粒形成的间隙进行填充，颗粒之间有一定的孔隙。

图2 湿法超声机械镀Zn-Al层的断面形貌Figure 2 Cross-section morphology of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.3 镀层断面的能谱分析

镀层断口的能谱分析表明，镀层中含有锌、铝、锡、铁，可以认为镀层是锌基铝-锡-铁的复合镀层。对镀层断面进行EDS分析(如图3和表1所示)时，发现泥膏状区域(图2中A处)中铝、锡的含量较高，但无法确认铝的具体位置。腐蚀后活性大的部分锌粉、铝粉先于金属锡腐蚀掉，这与表1中锌粉铝粉含量偏低，而金属锡的相对含量偏高相符合。铁元素的含量偏高有可能是由基体腐蚀造成，具体原因有待进一步研究。铝含量最低点出现在锌粉颗粒呈扁平状结构附近(如图2中B处)。

图3 湿法超声机械镀Zn-Al层不同部位的EDS谱Figure 3 EDS spectra for different areas of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

表1 湿法超声机械镀Zn-Al层不同部位的组成Table 1 Compositions of different areas of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

2.4 镀层厚度

表2为机械镀所得Zn-Al复合镀层的厚度。

表2 湿法超声机械镀Zn-Al层的厚度Table 2 Thickness of Zn-Al coatings obtained by ultrasonic-based wet mechanical plating

从表 2可知，工件表面的镀层厚度较接近，采用该工艺可在工件表面制备锌铝镀层，但实际厚度与预定厚度之间相差较大，说明在试验过程中金属粉有一定的损耗。根据预定镀层厚度，并考虑金属粉的损耗，改投加锌粉为6.55 g、铝粉为0.35 g后，所得镀层厚度均在30 μm附近，达到了预定的厚度要求。因此，在计算物料时要考虑金属的损耗。

2.5 镀层的孔隙率

孔隙率测试表明，镀层表面没有蓝色斑点生成，说明镀层不存在连通的孔洞，致密度高。

2.6 镀层的结合强度

在工件表面进行划格试验，划格处镀层无脱落和剥离，说明镀层与基体金属之间的附着强度良好。

3 结论

采用湿法超声机械镀工艺可在工件表面获得一定厚度的锌-铝复合镀层，锌-铝复合镀层光滑、白亮，覆盖性好，表面平整，无漏镀、结瘤等缺陷，镀层外观优于机械镀锌层。锌-铝复合镀层由锌、铝粉颗粒相互镶嵌、堆积形成。考虑施镀过程中的金属粉损耗后，获得镀层厚度与预定镀层厚度相当，且致密度好，与基体之间的结合强度高。

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[1]李广敏, 牛宗伟, 董海青, 等.机械镀锌技术研究进展及展望[J].山东理工大学学报(自然科学版), 2012, 26 (5): 26-30.

[2]陈菡.镀锌防腐工艺[J].钢铁, 2007, 42 (7): 38-42.

[3]王胜民, 何明奕, 刘丽, 等.铸铁五金件的机械镀锌[J].电镀与涂饰,2006, 25 (9): 32-34.

[4]常发, 彭增华, 何明奕, 等.机械镀 Zn-2%RE-Al复合镀层的性能[J].钢铁研究, 2011, 39 (2): 33-37.

[5]赵霞, 何明奕, 王胜民, 等.机械镀Zn-Al复合镀层的性能[J].腐蚀与防护, 2006, 27 (12): 608-610.

[6]王胜民, 何明奕, 章全奎.机械镀锌-铝复合镀层的结构分析[J].电镀与涂饰, 2005, 24 (11): 5-7.

[7]赵增典, 陈磊, 李德刚, 等.机械镀镀层与金属粉末相关性的研究[J].材料保护, 2008, 41 (8): 64-66.

[8]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.

[9]山东理工大学.湿法超声机械镀装置: 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

国家自然科学基金（51005140）；山东省自然科学基金（ZR2010EQ037）；山东理工大学青年教师发展支持计划经费资助。

徐明玉（1989-），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为机械镀锌-铝技术。

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

周新莉]