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机械镀锌工艺实验研究轴套

文章来源:中侨五金网  |  2022-07-30

机械镀锌工艺实验研究

机械镀锌工艺实验研究 2011年12月04日 来源: 摘 要:经理论分析与实验研究,初步研制成功了机械镀锌的关键技术-镀液促进剂工艺配方,为进一步完善该配方的研究提供了基础。关键词:机械镀锌;镀层;配方引 言机械镀锌工艺及其镀层与电镀、热浸镀相比,具有自身的特点:1) 镀层无氢脆;2)节约电能达80%;3)镀液配方无毒,废液处理简便;4)投资少,工艺简单便于掌握;5)镀层厚度范围大(<10-100μ)易控制,可代替电镀与热浸镀的镀层厚度获得各种耐蚀要求。主要缺点是受镀件的外形、尺寸及重量的限制。[2]由于机械镀锌的节能和环保优势,今天更被人们所关注。机械镀锌的机理与传统的电镀、热浸镀有本质的区别,它是依靠机械冲击能量和伴随镀液的物理化学作用,将锌粉冷压到被镀的钢铁工件表面,形成锌镀层。除了机械冲击作用外,保证工件表面镀层形成的镀液配方是该工艺的关键技术。关于镀液配方的研制有不少的报道,但配方的实质性内容大都未公开,本文对机械镀锌进行了分析研究,初步研制出得到实验验证的的镀液配方,为机械镀锌生产准备了条件。1 机械镀锌工艺配方的机理研究分析1.1 机械镀锌镀层形成的必要条件任何固体物质都具有不同于内部基体性质的表面及表面能,若使两种金属固体能够以近程力相结合,除了两种固体的本身性质是决定因素外,还必须具备下列必要条件:

图1 固体表面的双电层及电位分布

1)两固体表面必须始终保持清洁活化状态,不允许有污染膜和其它膜层存在。2)金属固体在液体中的界面产生表面电荷的规律分布,形成所谓的霍尔姆兹(Helmoholts)双电层,是一般能量的固体粒子难以越过的阻挡层.如图1.只有当微粒获取很大的单位质量能即能量密度,才有可能越过该一个分子厚度的阻挡层。机械镀过程即满足以上条件,在复杂的物理化学作用的同时,实现镀层沉积。1.2 机械镀配方及物料的分析1.2.1 锌粉粒度的考虑机械镀锌可获近于10 μ的薄镀层[3],决定了锌粉直径不超过该尺寸。另外,为让锌粉能获取足够的能量密度,粉粒平均直径应在μ级范围内。1.2.2 机械镀液的主要性能要求1) 能除去工件和锌粉表面的氧化污染物,使其在施镀过程中始终处于清洁活化状态。2)对锌粉具有湿润、分散作用。3)镀液应有对酸碱作用的缓冲性,以保证整个工作过程中镀液性能的稳定。4)镀液呈酸性[4]。1.3 镀液配方的组成及其功用根据以上镀液的性能要求,主要成分(因素)设计为某种有机酸、该有机酸的盐及某非离子活性剂的水溶液。1.3.1 有机酸的作用对锌粉和工件表面具活化作用的有机酸,在冲击作用时,能使工件、锌粉表面的氧化膜溶解除去。施镀前后溶液的有机酸的消耗,pH值的增大,证明物料中唯一能与酸反应的锌氧化物确实受到有机酸的作用:

X- 某金属元素1.3.2 有机酸盐的作用同一种有机酸及其盐,因同离子效应组成酸性的缓冲溶液,保证在工作中溶液的pH值不发生过大的改变,使溶液性能维持稳定,该有机酸的盐也是一种可溶的分散剂,增强镀液的分散能力[5]。1.3.3 非离子活性剂的作用非离子活性剂在水溶液中不离解,因此稳定性高,不受酸碱盐所影响,且相容性、耐硬水性强。更重要的是它能进一步提高溶液的分散、乳化、湿润、增溶、洗涤清洁作用[6]。上述的作用可列表1如下:

表1 获各种必须功能的措施○-措施单独具有的功能 ◎-与其它措施配合具有的或得以加强的功能

2 机械镀锌的工艺路线根据资料[1]机械镀锌工艺路线为:

3 实验验证3.1 实验条件3.1.1 机械镀溶液及物料溶液组成见表2.

表2 溶液配方

1)被镀试件:尺寸Φ10×30圆柱体;材料45钢;表面粗糙度Ra 12.5 ,重量0.5 kg; 2)锌粉:粒度800目以上,外观灰色;重量5 g;3)玻璃珠: 直径Φ3-Φ6, 总体积与试件体积相当;3.1.2 溶液配制1)将有机酸及其盐各3 g和活性剂0.2 g的组合准备两份,分别溶于100 ml水中,使其充分溶解,将其中一份注水至260 ml,另外一份注水至130 ml,分别为水平不同的A,B溶液。2)A溶液为环境室温10℃,B溶液保持通常室温18℃,测量pH值为4.3.2 试验过程及操作1)将0.5 kg试件放入计量容器,估计装载体积;2)取与试件装载体积相当的冲击物料Φ3-Φ6玻璃珠;3)试件与冲击物料装入 容积为4 L的倾斜三段式六角滚筒内,加入A溶液。溶液淹没固体物料较多。启动滚筒电机转速为60 r/min.滚筒装置如图2.

1-机架;2-可调支承;3-活动板;4-支承轮;5-滚桶6-物料;7-无级变速减速器;8-电机图2 滚筒装置简图

4)旋转过程中定时分次放入先准备好的5 g锌粉,定时分次取出试件观察,并测量温度。具体定时值见表3.

5)B溶液镀锌操作过程和条件与A相比,仅溶液浓度、温度及与固体物料体积比减少较多(溶液刚淹没固体)外,其余均相同.见表3.3.3 实验结果3.3.1 A溶液镀锌试验结果分次取出的所有试件表面,未见镀层沉积,仍保持原表面的闪镀铜颜色,色泽稍有变浅。3.3.2 B溶液的试验结果1)施镀第14 min取出的第一个试件,观察到断续点状的镀层在其粗糙表面突起处形成。2)第24 min取出的三个试件,其表面镀层连续,在较光滑的端面处,灰白色膜层十分完整,在特别粗糙面的波谷处镀层呈间断状。3)第35 min取出的全部试件,其镀层状态与24 min取出的试件基本相同。3.4 结果分析3.4.1 A溶液试验结果分析用A溶液不能形成镀层的主要原因为;1) 溶液浓度不足,有机酸盐和活性剂在溶液中的分数较小,相应的清洁、活化、湿润及分散功能均达不到成膜要求。2) 因溶液的质量和体积较大,相同量的锌粉在溶液中的分数也较小,导致锌粉接受冲击物料向试件表面冲击的概率大大减小。3) 较低的室温使施镀过程中应有的化学、物理反应变得相当微弱 (在滚筒开口处嗅不到异样气味)也可能是镀层不能形成的原因之一。3.4.2 B溶液镀锌试验结果分析因溶液体积适当、温度稍高克服了B溶液的缺陷,形成镀层。施镀时能在滚筒开口处嗅到轻微的刺激气味,可见物理化学作用较强。经对试件镀层的观察,1)表面较粗糙的凹处镀层不连续,主要是较大直径d的玻璃珠对小曲率半径r的凹轮廓处不能接触形成冲击。如图3所示,只有d/2<r才能保证冲击过程正常进行。本实验玻璃珠最小直径是3 mm,当r<1.5 mm时将无法形成镀层。2) 经表3试验结果证明,锌粉量恒定,施镀时间超过30 min 后镀层不再增厚,这与资料[6 ]的结论相同.如图4.

图3 冲击料的最小直径和试件轮廓间的关系 图4 镀层厚度和时间的关系

3) 施镀完毕的残液中有一些粒度较大的粉粒,可见粉粒直径越大越不易被利用成膜。其原因是被冲击的能量密度较小所致。但极小直径的超细微粉,市购困难。本实验用800目的锌粉,未达到较高的90%的利用率。4 结 语1) 经过实验验证,本文研制的机械镀溶液组成具有机械镀锌所需的性能。本溶液为缓冲剂,能在整个过程中维持酸性的稳定,保证过程的正常进行。2) 锌粉的直径的选用应小于10 μ,否则将降低利用率,甚至不能形成镀层。3) 当锌粉量一定时,镀层的最大厚度与时间无关,即厚度受锌粉量控制,因此,生产中镀层厚度控制易于实现。4) 冲击物料的直径尺寸与工件表面的不平度及粗糙度相适应,否则将使镀层质量恶化。5) 配制镀液浓度可参照B溶液执行,镀液体积应与固体物料相匹配。工作温度不可太低,最好取20℃左右的室温。6)本配方简单,易行。参考文献:[1] O′Coone.Mechnical Galvanizing Challenges HotDip [J]. Plat and Surf fin 1980,(9): 56-57.[2] 曾华良,等. 电镀工艺手册[M]. 北京:机械工业出版社,1989.649.[3] 主沉浮,等. 空冷器翅片机械镀锌工艺研究[J].表面技术, 1998,27(1): 10.[4] 吴展.机械镀锌工艺性能介绍 1[R]. 天津:金盟科技开发公司,1992.[5] 沈宁一,等. 表面处理工艺手册[M].上海:上海科学技术出版社,1991.57.[6] 夏纪鼎,等. 表面活性剂和洗涤剂化学与工艺学[M ].北京:中国轻工业出版社,1997.369.(end)

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