鑄鋼件表面鍍鋅層的質量評價

鄭 凱， 韓玉華， 胡曉輝， 仲光亮， 曹 鵬， 張海云

(南京工程學院環(huán)境工程系，江蘇南京 211167)

鑄鋼件表面鍍鋅層的質量評價

鄭 凱， 韓玉華， 胡曉輝， 仲光亮， 曹 鵬， 張海云

(南京工程學院環(huán)境工程系，江蘇南京 211167)

采用覆蓋能力和分散能力好的電鍍液對鑄鋼件進行電鍍鋅。按照國家相關標準對鍍層進行質量檢測，結果表明該鍍層附著力強、光澤度好。通過電子掃描電鏡對鍍層表面形貌進行分析，結果表明該鍍層厚度均勻、致密度好，鍍層向基體金屬方向呈現鋅減少、鐵增多的趨勢。

鍍鋅;厚度;致密度;鑄鋼件

引 言

鑄造碳鋼具有較高的強度和較好的塑性，鑄造性能和焊接性能良好，可切削性差，可用作軋鋼機機架、軸承座、連桿、箱體、曲拐及缸體等［1-3］。由于鑄鋼件具有優(yōu)良的機械加工性能，能壓鑄成幾何形狀復雜的工件，而且價格便宜，所以在機械制造領域應用廣泛。鑄鋼件通常需要進行鍍鋅處理，在電鍍過程中，氫易于析出，造成嚴重析氫，不利于金屬離子在工件表面沉積，鍍層容易脫皮、起泡、粗造度差，質量達不到國家規(guī)定的有關標準［4-6］。采用通常的方法對鑄鋼件表面電鍍，電鍍時間較長，鍍層厚度的均勻性難以保證，同時色澤會變得灰暗;若增大電流密度，會導致鍍層部分燒焦［7-9］。針對存在的問題，本文采用一種對鑄鋼件表面覆蓋能力和分散能力良好的電鍍液及工藝，對表面積為2 dm2的ZG270-500鑄鋼件鍍鋅。并采用掃描電鏡、能譜儀等對鍍層的厚度與成分進行分析，并對鍍層的外觀、鍍層與基體的附著力進行試驗。

1 實驗部分

1.1 基材成分及前處理

鑄鋼件的尺寸為13 cm×4.5 cm×0.8 cm。

試驗基材為ZG270-500鑄鋼件，其成分(均為質量分數)為:0.40%C、0.50%Si、0.90%Mn、0.04%P 與 S、98.16%Fe。

鑄鋼件在12% ～15%NaOH、5%碳酸鈉、7%磷酸鈉、0.5%乳化劑(OP-10)溶液中，θ為60～65℃，t為20 min脫脂處理后，水洗，再經10% ～20%鹽酸、0.3%六次甲基亞胺、0.2%乳化劑(OP-10)溶液中，θ為20～25℃，t為15 min酸洗，然后放入3% ～8%的鹽酸溶液活化2～8 s，水洗后電鍍鋅。

1.2 電鍍溶液

鍍鋅溶液配方如下:

分別采用亞芐基丙酮、鄰硝基苯甲醛及香草醛作為主光亮劑對鑄件鍍鋅，通過對鍍鋅層的比較表明，亞芐基丙酮適用于此種鑄件的鋅鍍層制備。

1.3 電鍍工藝過程

將鑄鋼件放入制備好的掛鉤上鍍鋅，維持Jκ為0.5 A/dm2，預鍍 5 min;然后在 Jκ為 1 A/dm2，加入預先配好的主光亮劑與柔軟劑混合溶液;不斷調整電流密度，維持鍍鋅液的 pH在1.8～2.4，電鍍20～30 min，鑄鋼件表面形成均勻的鋅鍍層。

1.4 電鍍后處理

1)鈍化。鈍化液成分:1 g/L硫酸，0.2 g/L硝酸，60 g/L鉻酐;將鍍鋅的鑄鋼件放入鈍化液中8 s，熱水洗滌10 s;

2)干燥。將鈍化后的鑄鋼件放入60℃的干燥箱干燥10 min。

1.5 電鍍層質量測試

1)附著力。按照GB/T5270-2005金屬基體上的金屬覆蓋層電沉積和化學沉積層附著強度試驗方法評述標準，對鍍鋅層附著強度進行檢測試驗;

2)厚度與致密度。JSM-6360LV掃描電子顯微鏡檢測;

3)外觀。按照GB/T9799-1997金屬覆蓋層鋼鐵上的鋅電鍍層標準，對鋅鍍層的外觀與厚度進行檢測;

4)鍍層成分分析。采用 Genesis2000XM60S EDAX(Energy Dispersive Analysis System of X-ray)能譜儀對電鍍層化學成分進行分析;

5)耐腐蝕性試驗。鹽霧試驗(GB/T10125-1997)。

2 實驗結果與討論

2.1 鍍層鋅鐵含量分布

圖1為從掃描電鏡(SEM)中選定待測金屬含量的鍍層區(qū)域，圖1中虛線表示的為檢測選定的區(qū)域，采用Genesis2000XM60S EDAX(Energy Dispersive Analysis System of X-ray)能譜儀對選定區(qū)域的電鍍層進行化學成分分析。圖2為鍍層成分分析，表1為鍍層中元素化學成分。

圖1 選擇測定鍍層成分的區(qū)域

圖2 鍍鋅層成分分析能譜圖

表1 電鍍層元素化學成分

從圖2及表1可以看出，鍍層的鋅合金中，鋅、鐵的質量分數分別為95.25%、4.75%，其中鋅、鐵的原子數分數分別為94.84%、5.52%。表明鍍層中主要成分為鋅，有極少部分為鐵，圖3分析了沿著電鍍層向基體方向的金屬分布曲線，從圖3可以看出，沿著基體金屬向鍍層方向，鋅的質量分數在遞增，鐵在遞減，這是由于電鍍過程起始階段，基體金屬上的鐵原子與鋅形成合金，隨著電鍍進程的深入，鍍層主要以鋅與高分子配合物形成高分子配合物為主，基體金屬被鋅層所覆蓋，因而距離基體金屬較遠處的鍍層，主要是鋅，這也加強了基體的防腐性能。

圖3 電鍍鑄鋼件斷面SEM照片

2.2 鍍層致密度檢測

圖4表示電鍍層在放大5 000倍時的表面形貌，照片中下面部分表示基體金屬，中部為鍍鋅層，最上面為SEM測試時鑲嵌的組織，從圖4可以看出，電鍍層致密度良好，確保了鍍層附著力與NSS試驗的良好防腐性能。

圖4 電鍍層SEM照片(5 000×)

2.3 鍍鋅層的厚度檢測

圖5為采用SEM測量的鍍鋅層厚度。

從圖5可以看出，測量鍍鋅層不同部位的δ為6～7 μm，達到國家規(guī)定的標準，而且厚度均勻。

2.4 電鍍層的附著力試驗

1)剝離試驗。將25 mm的3M纖維膠帶，用2 kg的輥子把膠帶的粘附面貼于試驗的覆蓋層上，排除所有的氣泡，間隔10 s后，在帶上一個垂直于覆蓋層表面的穩(wěn)定拉力，把膠帶拉去，未發(fā)現覆蓋層從基體剝落，表明覆蓋層與基體的結合力較強。

圖5 鍍鋅層厚度的SEM照片

2)劃痕試驗。采用30。銳刃的硬質鋼劃刀，相約2 mm劃6根平行線，在劃平行線時，以足夠的壓力一次刻線即穿過覆蓋層切割到基體金屬，未發(fā)現覆蓋層從基體上脫落現象，表明覆蓋層與基體結合緊密。

2.5 鍍層的外觀檢測

將鍍件放在光線充足或等同60瓦日光燈，不超過1 m距離相當照明條件下，距離30 cm，進行觀察，未發(fā)現鍍層有起泡、孔隙、粗糙、裂紋或局部無鍍層現象，但是鋼鑄件本來表面不平整的現象依然存在，這屬于基體金屬缺陷。

2.6 鍍層鹽霧試驗

NSS試驗96 h沒有出現腐蝕點。表明鑄件表面的鍍鋅層比較致密，厚度均勻，有效發(fā)揮了防止腐蝕的功能。

3 結論

利用SEM和能譜儀對鑄鋼件的鍍鋅層厚度及成分進行了分析，結果表明，鍍鋅層最薄處δ達到7～8 μm，鍍層厚度均勻，鍍鋅層結合緊密，無孔隙。

對鑄鋼件表面的鍍鋅層進行附著檢驗與外觀檢驗，結果表明，鍍鋅層與基體結合緊密，外觀無起泡、孔隙、粗糙、裂紋或局部無鍍層現象。

通過對鑄鋼件鍍鋅層的檢測表明，鍍鋅層與基體結合緊密，鍍鋅層金屬含量分布合理，外觀檢驗符合國家規(guī)定的相關標準。該電鍍工藝效果良好，具有極大的使用與推廣價值。

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Quality Evaluation of Galvanization Layer on Cast Steel Surface

ZHENG Kai，HAN Yu-hua，HU Xiao-hui，ZHONG Guang-liang，CAO Peng，ZHANG Hai-yun
(Department of Environmental Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing，211167，China)

Zinc eletroplating on cast steel surface was done by a plating bath with good permeating power and throwing power.Coating qualities were tested according to National Standards.The results showed that adhesion and glossiness of the coating were fine.Coating surface morphology was analyzed by SEM.The results showed that coating thickness was even and the compactness was good，meanwhile，zinc content was decreased and iron content was increased along the direction from coating to matrix metal within the coating.

zinc plating;thickness;compactness;cast steel

TQ153.15

A

1001-3849(2011)11-0008-03

2011-04-02

2011-05-03

2010年江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃(166201100021);南京工程學院科研基金項目(KXJ08086)