弥散强化的机理_机械镀锌形层机理的研究 南京廖华

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的研究远远落后于工艺的研究。目前，机械镀锌工艺中滚桶的转速，加料量，颗粒锌粉的选择，化学药剂的选择等这些都是经验的统计，都没有明确的学科基础知识来指导，就连机械镀锌形层机理所涉及的基础理论知识在国内外都没有统一、准确的学科归属。可以说目前无论是在国内还是在国外，机械镀锌工艺在具体的生产应用中存在一定程度的盲目性，没有确切的理论指导，这严重影响了机械镀锌工艺的广泛应用和发展。2.课题研究的主要内容本论文课题从属于云南省应用科学基金:机械镀的工艺理论研究(编号:1999E0026M)，本论文研究从机械镀锌工艺出发，运用物理、化学、金属学的基础知识，结合磨矿、机械合金化(MA)中物理化学变化来分析机械镀锌镀层的形层机理。主要的研究内容包括以下三个方面:昆明理工口夕又学硕士研究生口学位论文一5-械镀锌天乡层机理的庵开究第一章l)机械镀锌形层过程中金属粉吸附一沉积现象的观测分析借助金相显微镜、体视显微镜、目测等观察镀液中金属锌粉在镀液环境中的存在状态，金属锌粉的分散聚集过程，金属锌粉(团)的沉积规律，分析了金属锌粉、冲击介质、镀件和镀液之间的相互作用，找出金属粉末的吸附沉积规律。讨论“先导金属”及表面活性剂的作用，提出理论解释。结束了以前国内外对机械镀锌形层过程简单解说的局面。2)机械镀锌动态力学性能模拟研究观测了金属锌粉的变形程度，结合金属锌的临界分切应力值，分析、讨论机械作用力和锌粉(或锌粉藻团)之间的相互作用;得出机械镀锌镀层锌粉的变形规律;归纳出镀层中锌粉颗粒的变形机制3)机械镀锌的镀层特性分析论文通过镀层耐腐蚀性、附着性的试验，并与其它镀锌层对比，就各项性能指标进行综合分析。运用金相显微镜、扫描电镜、牛津能谱分析等现代材料检测手段，对镀层中金属锌粉颗粒的形貌、相互结合、空间位置等进行观察、研究。统计分析了工件的表层，镀层的基层、中间层和镀层表层的化学组成，建立了机械镀锌的镀层结构模型。3.课题的研究意义本课题主要结合基础理论知识和实验观察手段分析金属锌粉在镀液环境中富集、沉积及其和其它介质的碰撞规律，揭示机械镀锌镀层的形貌结构，阐明机械镀锌镀层的形成机理，建立镀层形层过程的宏观模型，完善机械镀锌工艺基本理论。理论来自于实践，理论要指导实践。本课题中机械镀锌形层机理的研究结果同样如此，它要指导于机械镀锌的实际生产。希望本课题的研究工作够对进一步完善机械镀锌工艺，优化镀

镀层结构进而提高镀层的耐蚀性能，对促进机械镀锌工艺的广泛推广应用和云南省地方经济的发展具有极其重要的意义。昆明理里口二大学不页d二戈开究生学位论文一6-钱锌刃乡层机理的研究第二二章第二章机械镀锌形层过程中吸附、沉积现象的观测分析2.1机械镀锌过程中的吸附、沉积现象1.试验条件:观察试验中所用仪器:挥发皿、烧杯、XTL一n型照相体视显微镜(北京电子光学设备厂)、玻璃棒、试三牌精密试纸(上海试剂三厂生产)、5倍普通放大镜。化工药品:C液(含有Snz+)、浓硫酸、硫酸亚锡。其它物品:自来水、锌粉、工件(垫片、螺母、材质均为AZ钢)。2.试验现象:挥发皿中加入HZO，在加入少量的锌粉，锌粉密堆分布于挥发皿的底部，用玻璃棒轻微搅拌，发现锌粉层如泥膏状。加入几滴H2504，反应剧烈，挥发皿底部产生大量气泡，密堆锌粉团上浮，重新组合成比较松散的粉团，同时很多气泡上浮逸出。锌粉团堆积松散呈藻状，较为蓬松。玻璃棒搅拌后观察，小的藻团变成大的藻团，体视镜下发现藻团是锌粉颗粒的集结体;此时，检测溶液的pH值，pH尧1.4一1.5。两分钟后，发现挥发皿底部几乎没有锌粉，即使有也是数量很少的尺寸很小的藻团。加入几滴C液，溶液中反应剧烈，溶液产生更多的气泡，藻团周围出现许多枝状物，并且枝状物在不断长大，藻团和藻团有明显相互吸引的趋势，在两个藻团相互接近的地方，，相邻藻团的枝状物会交错生长成为一体，用玻璃棒轻轻移动其中一个藻团，另一个藻团会紧紧跟着移动。离垫片近的藻团的枝状物在和其它藻团聚集的过程中有向着垫片移动的倾向，直到最后它的枝状物依附在垫片表面上生长。吸附在垫片上的藻团没有和垫片相接触的部分产生的枝状物又会和其它的藻团周围的枝状物吸引，并且相互交错生长在一起，这样大部分藻团吸引到垫片上。玻璃棒搅拌，垫片上吸引的藻团的枝状物或变形、或折断，不再有规则的形状。随着搅拌的进行，垫片上的藻团已分辨不清，垫片表面好象包敷着一层金属箔(其实这层物质的主要成分是锌)。此时用较细的玻璃棒将热片翻过来，发现垫片一直与挥发皿接触的那一面也有金属箔，只不过量相对要少1些。将垫片取出晾干，用手指尖在垫片表面上滑动，金属锌虽能滑掉，但是手指要施加一定的力量。从以上的试验观察及分析可以得出，打底阶段的吸附、沉积过程是:聚集一一吸附—沉积—成形，如图2一1。是明理二几大学不近d二不开究生学位论文一7-械镀锌形层机理的笼汗究第二二章曦“沙一…沉积基体(

铁)打底健锌层图2一1机械镀锌打底阶段吸附、沉积模型3.试验结果分析1)滚筒浆料中的电化学反应机械镀锌过程打底阶段滚筒中浆料内发生的化学反应有:Zn十sn4+分Zn2++SnZ十Fe+ZH十丹FeZ‘+H，Zn十ZH十斗肋2十十H、Zn+SnZ十分ZnZ+十如(2一1)(2一2)(2一3)(2一4)其中，从化学反应的优先级来考虑，式(2一l)会最先反应;从化学反应动力学来考虑，式(2一3)、(2一2)、(2一4)反应是体系中的主导反应。在主导反应中，从化学热力学考虑，式(2一3)和(2一4)优先于式(2一一2)。式(2一3)和(2一越)的优先级基本相同，但是，式(2一3)反应的产物HZ，大部分会吸附在锌粉(或锌粉团)表面上，阻止了反应的进一步进行;而式(2一刁)的反应产物Zn扮会很快地分散到浆液中去，有利于反应的进一步进行，所以式(2一4)比式(2-we3)反应要激烈。这一分析结果正好同观察试验中的现象相一致，打底过程中气泡的产生是因为式(2一2)和(2一3)的反应所致，枝状物的出现是式(2一1)、(2一4)的反应所致。2)金属锌粉的聚集状态金属锌粉在滚筒内的聚集状态主要受以下作用力的影响。昆明厌里二二大学周万二七遥开究生学位论文一8-镀锌开乡层机理的研究第二二章A分子间作用力锌粉在空气中的聚团效果并不明显，锌粉颗粒在中性水溶液中时分子间作用力比它在空气中更弱，所以锌粉颗粒在中性水溶液中因分子间相互吸引而聚团的效果就更加不明显，分子间作用力对锌粉颗粒的聚团作用微弱。B双电层作用力机械镀锌的浆料环境中锌粉颗粒表面同样会形成双电层，且颗粒与颗粒之间恒为排斥力，所以双电层作用力阻碍锌粉颗粒的团聚。C溶剂化膜作用力溶剂化膜作用力从数量上看比分子作用力及双电层作用力约大1一2个数量级，但它们的作用距离远比二者小，一般仅当颗粒互相接近到10一20纳米时才开始起作用。但是机械镀锌过程中锌粉颗粒在不受外力的情况下颗粒之间的距离很难达到10一20纳米，所以溶剂化膜作用对锌粉颗粒聚团的影响甚微。即使在外力作用下锌粉颗粒之间的距离在ro一20纳米的范围内，此时外力将会远远大于溶剂化膜作用力，后者可以忽略不计。D静电力「7，对于颗粒半径为1oum的各类颗粒，经测量在空气中的电荷约在600一1100单位[(9.6X0.18)X10一[7C1范围之内。据此可算得镜象力为(2一3)Xlo一1加。可见在一般情况下，颗粒与物体之间的镜象力可以忽略不计。E液桥作用力〔川水溶液中锌粉颗粒之间因产生液桥而大大增强了粘结力，经实验数据可得出液桥粘结力比分子作用力约大1一2个数量级。所以机械镀锌的浆料中锌粉颗粒之

间的液桥是引起锌粉颗粒聚集的一个重要原因。F气泡团聚力锌粉表面、锌粉藻团表面粘附的微气泡。按能态稳定原理微气泡有自动拱抬、聚合的趋势，所以会促使锌粉聚团。G表面张力的影响锌粉颗粒表面因为表面张力存在较高的表面能，颗粒的聚合可以减少锌粉的总表面积，降低锌粉颗粒总的表面能，这是体系字自趋稳定的一种形式。H滚筒内动力场的影响机械镀锌滚筒内是一运动的流体场，水和玻璃珠介质时刻和锌粉(或锌粉藻团)相互作用，控制着锌粉藻团的团聚尺寸。综合以上分析，打底阶段锌粉在浆液中主要受双电层作用力、液桥作用力、昆明理口二大学硕士币开究生学位论文一9-械镀锌形层机理的研究第二二章气泡团聚力、表面张力、滚筒内动力场的影响。这些影响因素的结果使得锌粉颗粒团聚成藻状，并且藻团尺寸维持在一定的范围之内，平均1一2~。3)锌粉和工件之间的吸附动力锌粉藻团吸附到工件表面上受锌粉颗粒表面、工件表面、溶液中的电解质、浆料中气体等的影响。A“先导金属”的影响锌粉藻团周围的枝状锡就会拖着锌粉藻团向工件表面移动而吸附到工件上。在这里“先导金属”Sn相当于一种载体，起着携带作用。B浆料中气体的影响如同气体促进锌粉颗粒的聚团一样，工件表面依附的氢气泡和锌粉藻团(或锌粉)表面上的气泡有互相聚集变大而降低表面张力的趋势，这有利于锌粉在工件表面上的吸附。C锌粉颗粒表面和工件表面电荷作用力的影响机械镀锌的打底阶段工件表面带弱负电性，锌粉颗粒(或藻团)表面呈弱的正电性。这样在工件表面和锌粉(或藻团)表面呈相反的电性，产生库仑吸引力，这是锌粉(或藻团)吸附到工件表面上重要原因。D温度的影响机械镀锌滚筒内浆料受强酸和介质摩擦影响，温度比外界环境温度高8一1OOC，这可以加速锌粉(或藻团)的吸附、沉积过程。E介质碰撞的影响工件和介质相对锌粉(或藻团)的尺寸较大，三者的位置关系如同两个平面之间夹着一个很小的球体，是很容易受到两个面的压缩而粘附到其中一个面上。综合以上分析，上面五个因素都有助于锌粉(或锌粉藻团)吸附、沉积到工件表面_上。这其中不仅有物理作用，也有化学作用;所以，以前在机械镀锌的定义中只提到化学作用，或只提到物理作用都是不妥的。2.2机械镀锌镀层增厚过程中的吸附、沉积试验条件:观察试验中所用仪器:挥发皿、烧杯、xTL一H型照相体视显微镜(北京试三牌精密试纸(上海试剂三J一生产)、5倍普通电子光学设备厂)、玻璃棒、放大镜。化工药品:浓硫酸、A

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