基于超声振动的机械镀锌工艺

李广敏，牛宗伟*

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255091）

机械镀锌工艺能耗低、金属利用率高、生产环境安全、生产过程无污染，是一种环境友好型的表面处理工艺。机械镀锌工艺的理论研究日趋成熟，在工业生产中的应用也越来越广泛，但该工艺主要用于螺栓、螺母、垫片、弹簧、射钉等小尺寸零件的防腐处理[1-4]。滚筒式机械镀锌是应用最多的机械镀锌工艺之一[5]。但滚筒式机械镀锌设备的传动系统较复杂，冲击介质的运动不易控制，转动过程中噪音较大；滚筒一端开口，相对封闭，只能对小尺寸零件进行机械镀。为改善操作方式，实现较大尺寸零件的机械镀锌，本文提出了一种湿法超声机械镀锌工艺，以玻璃珠为冲击介质，利用超声振动系统代替滚筒转动为玻璃珠提供动力，驱动玻璃珠做高频振动[6]，并分析了湿法超声机械镀锌所得镀层的表面形貌和断面结构，以期为研究镀层的其他性能打下基础。

1 实验

1.1 湿法超声机械镀锌设备

湿法超声机械镀锌设备为本课题组研究所得[7]，具体装置结构见图1。

图1 湿法超声机械镀锌装置示意图Figure 1 Schematic diagram of the equipment for mechanical zinc plating by the wet process using ultrasonic vibration

振动槽由超声振动部件驱动，槽内的金属粉在超声振动作用下做复杂的旋转和弹跳运动：一是超声振动部件的机械运动引起的镀粉弹跳；二是声流带动镀粉在镀腔内做涡流运动。振动槽中盛放待镀工件，容量可以根据工件形状和加工量设计，但需要改变换能器和变幅杆的参数并进行匹配调节。整个湿法超声机械镀锌过程中，超声波发生器输出高频电信号，转变为超声换能器的机械振动，驱动玻璃珠做小振幅高频震荡，在玻璃珠的碰撞和化学试剂的共同作用下，金属粉被撞击到工件表面而实现机械镀锌，整个过程类似于喷丸。另外，振动槽中交变的液压冲击作用在玻璃珠上，可使其产生很大的加速度，有望增大镀层的致密度，提高镀层的耐腐蚀性能。

本文自制了容积较小(200 mm×200 mm×100 mm)的湿法超声机械镀锌设备，WT-2500 超声波发生器(济宁万通超声设备厂)功率为0～2 500 W可调，8SH-5028超声换能器(南京市江宁区国功机电设备厂)的功率为100 W，频率为28 kHz。待镀工件为外径20 mm、内径11 mm、厚2 mm 的Q235 钢垫片。锌粉为800 目球形锌粉，玻璃珠尺寸为40～80 目。

1.2 试样制备

加料过程与机械镀锌加料过程相似，为分批加入。以30 个Q235 钢垫片分别镀35 μm 厚的锌层为例，计算所需锌粉约为6.7 g。具体步骤为：打开超声波发生器，调整超声波发生器的功率、频率分别为100 W和28 kHz；将玻璃珠、水和经脱脂、除锈的工件置于振动槽内，加入H2SO4调节溶液pH为1.5～2.5，加入0.7 g 锌粉和1.0 mL 沉积性活化剂(含Sn2+)，在工件表面得到3～5 μm 厚的锌锡基层；3 min 后，加入2 g 锌粉、1.2 mL 由十二烷基硫酸钠和聚乙二醇组成的保持性活化剂和3 mL 复合沉积剂(含Sn2+、Fe2+等)，使镀层增厚；重复上述加料过程2 次使镀层继续增厚，每次增厚10 μm；加料完毕后，加少量水保持振动，3 min后即可获得致密、光滑的镀层。将工件从振动槽中取出，置于101A 干燥箱(龙口市节能电炉厂)中干燥，以待检测。

1.3 性能检测

用北京时代公司生产的TT260 涂层测厚仪测量镀锌层厚度，在试样前后表面各选取5 个点进行测量，取平均值。用普通放大镜直接观察镀锌垫片的表面，分析镀锌层的宏观形貌。用FEI Sirion 2000 多功能扫描电子显微镜观察镀锌垫片的微观表面形貌和断面结构，分析镀锌层表面锌粉团的聚集状态和内部组织结构。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1 mm×1 mm 的正方形格子，划线时应一次划破镀层直达金属基体。

2 结果与讨论

2.1 镀锌层厚度

镀层厚度是检验该工艺是否达到预期要求的指标之一，也是工件耐腐蚀性好坏的重要指标之一。随机取5 个湿法超声机械镀锌工件，测其表面的锌层厚度，结果见表1。

表1 湿法超声机械镀锌层的厚度Table 1 Thickness of zinc coating plated mechanically by the wet process using ultrasonic vibration

从表1 可知，不同部位的锌层厚度较接近，说明采用该工艺可在工件表面镀锌且效果较好。从表1 还可以发现，所有工件镀层厚度比预定的镀层厚度稍薄，说明在镀锌试验过程中，锌粉没有完全沉积形成镀层，有一定的损耗，但损耗量较小，这也在预期的范围内。所以根据预定的镀层厚度计料时，要考虑镀锌时的锌粉损耗。

2.2 镀锌层表面形貌

在自然反射光下观察湿法超声机械镀锌工件发现，镀层为半光亮的银白色；与电镀锌层相比，亮度稍暗、粗糙度稍差；与热浸镀锌层相比，表面稍亮、粗糙度稍好。此外，湿法超声机械镀锌工件表面细腻、均匀、平整，无麻点、脱皮、鼓泡、漏镀等缺陷；比普通机械镀锌层平整，表面无凹凸不平结构。

图2为湿法超声机械镀锌工件的表面形貌照片。

图2 湿法超声机械镀锌层的表面形貌Figure 2 Surface morphology of zinc coating plated mechanically by the wet process using ultrasonic vibration

从图2 可知，镀层表面由尺寸不等的锌粉团相互镶嵌填充，锌粉团之间连成一体，覆盖在工件表面而形成镀锌层；镀层中锌粒随机排列，无明显规律；镀层中锌粒尺寸大于其原始尺寸，说明在镀层形成的过程中，锌粒在活化剂作用下聚集成团并沉积到工件表面，经玻璃珠碰撞形成镀层。在超声振动式机械镀锌工艺中，玻璃珠介质对锌粉的碰撞主要为冲击作用，搓捻作用相对微弱，所以镀锌层中的锌粉团较细致，锌粒之间的填充更紧密，无铺展不均匀引起的凹凸不平现象。

2.3 镀锌层断面形貌

图3为湿法超声机械镀锌工件的截面形貌。

图3 湿法超声机械镀锌层的截面形貌Figure 3 Cross-section morphology of zinc coating mechanically plated by the wet process using ultrasonic vibration

从图3 可知，镀层中没有电镀层的电结晶产物，也没有热浸镀层的合金相，镀层整体为锌粉颗粒以密集方式聚合形成的堆积体，由基体表面至锌粉层外表面均为锌粉粒，镀层中无其他相结构。不同粒径的锌粒散乱分布，相互填充，形成由锌粉颗粒组成的球体堆积、镶嵌体。颗粒结合处形成一定的间隙，颗粒越小，间隙就越小。锌粒在镀层形成过程中发生了塑性变形，部分锌粒变为椭球形或扁平状，镀层存在明显塑性变形后的滑移台阶。变形的颗粒一般为尺寸偏大的颗粒，大颗粒之间的小颗粒向间隙移动和填充，被挤压后使镀层变得致密。

2.4 镀层的结合强度

对湿法超声机械镀锌工件进行划格试验，结果见图4。从图4 可以看出，划格处镀层无脱落和剥离，说明镀层与基体金属的附着强度良好。

图4 湿法超声机械镀锌层的划格试验结果(×50)Figure 4 Cross-cut test result of zinc coating mechanically plated by the wet process using ultrasonic vibration (×50)

3 结论

(1)采用湿法超声振动系统为冲击介质提供动力进行机械镀锌，可在工件表面获得一定厚度的镀锌层。

(2)湿法超声机械镀锌所得镀锌层，是由锌粒相互镶嵌、填充所形成的致密结构体，镀层中部分锌粒发生塑性变形，呈椭球状或扁平状。镀层表面细致、均匀、平整，无凹凸不平结构，与基体之间的结合强度较好。

[1]陈菡.镀锌防腐工艺[J].钢铁,2007,42 (7):38-42.

[2]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.

[3]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.

[4]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.

[5]何明奕,刘丽,王胜民,等.机械镀原理及应用[M].北京:机械工业出版社,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]山东理工大学.湿法超声机械镀装置:CN,103205745 [P].2013–07–17.