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《昆明理工大学》 2010年
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机械镀锌无结晶形层的研究

王胜民  
【摘要】:机械镀锌层的形成过程,金属锌粉仅发生固—固变化,没有明显的结晶现象。传统的镀层形成结晶理论难以解释机械镀锌的形成过程,而国外的“冷焊”(cold welding)理论也不能从根本上解释机械镀锌层的形成过程。尤其是近几年来,随着欧盟在电子电器领域RoHS指令的执行,机械镀工艺在表面处理领域发展迅速,但因其形层机理发展缓慢,大大制约了机械镀工艺的发展及应用。本文以目前国内普遍应用的机械镀锌少锡盐沉积工艺为研究对象,制备了机械镀锌层、锌—铝层、锌——RE层、锌—镍层试样;以机械镀锌镀液环境、镀层结构及结合界面、镀层物理化学性能为主要研究内容;采用ICP-AES、XRD、体视显微镜等分析了镀层形成时锌粉的吸附、沉积过程,采用OM、SEM、EDS、XRD、XPS等分析了镀层的组织结构及镀层—基体界面间的结合机理,通过孔隙率实验、致密度计算、拉力实验、中性盐雾试验、电化学极化等方法分析了镀层的物化特征;结果表明: 机械镀锌层形成过程不发生电沉积结晶和高温液态金属结晶,镀层是由锌粉颗粒、锡、金属M(如Mn、Fe、Cd等)、空隙构成的多相混合体系,镀层的结合强度为2-3MPa,镀层的结合机制主要为机械咬合。基层建立阶段所添加Sn2+参与的Zn+Sn2+→Zn2+Sn↓反应和镀层增厚时所添加Fe2+参与的Zn+Fe2+→Zn2+Fe↓反应是机械镀锌形层过程的主要反应;形层过程需要的能量较低,为电镀锌形层能耗的1/10-1/20,热浸镀锌形层能耗的1/2-1/5。锌粉形成镀层的致密化过程主要包括锌粉颗粒和空隙的位移及变形。致密化过程锌粉颗粒发生了位移、转动、变形,导致空隙发生位移、体积压缩、小尺寸锌粉颗粒在空隙的填充,致使镀层致密度提高,锌粉形层过程不产生固溶体或化合物,机械镀锌层的形成是有置换沉积存在下的无结晶过程。 锡盐和铁盐可分别在基层建立阶段和镀层增厚阶段作为先导金属,它们的作用机制分别是置换反应Zn+Sn2+→Zn2+Sn↓和Zn+Fe2+→Zn2+Fe↓。镀层形成后,先导金属残留在镀层中,或分布在空隙中,或分布在锌粉颗粒的接触界面部位。 机械镀锌基复合镀层的结构与机械镀锌层相似,复合镀层形成过程没有因结晶而产生固溶体、化合物等相,但锌—镍复合镀层中存在Ni3Sn4合金相。采用片状锌粉制备的机械镀锌层中锌粉颗粒呈片状层叠排列,镀层由片状锌粉、空隙和夹杂构成,形层过程锌粉颗粒没有发现明显塑性变形,也没有产生化合物或固溶体等新相。 机械镀锌形层过程产生的锡和铁不影响镀层内锌粉颗粒之间的结合。机械镀锌过程添加非锌微粉、稀土等不影响镀层/基体间、镀层内锌粉颗粒间的结合机制。镀后加热至100℃-300℃不改变镀层/基体间、镀层内锌粉颗粒间的结合机制。强化0 min—60 min不改变镀层/基体间、镀层内锌粉颗粒间的结合机制,延长强化时间时镀层/基体界面及镀层内不会发生扩散、冶金反应等合金化现象。镀层的拉伸破坏发生在镀层/基体界面,镀层越厚,结合强度越低,镀层厚度由20μm增加至60μm时,镀层结合强度由2.68 MPa降至2.31 MPa。 机械镀锌层的密度约为5.67g/cm3,厚度对镀层的致密度影响不明显。锌粉粒径越小,镀层的致密度越高,当锌粉粒径为-800目、-1000目和-1200目时,镀层的致密度分别为34.73%、60.08%和77.85%。强化时间越长,镀层的致密度越高,当强化时间由0 min延长至60min时,镀层的致密度由76%提高到94.5%。分别采用球状和片状锌粉制备的镀层中均不存在连通空隙。添加非锌微粉或其它金属盐制备锌基复合镀层(锌—铝、锌—镍、锌—RE等)对镀层的孔隙率没有影响。 机械镀锌层对钢基体可提供牺牲阳极保护,在35g/L的NaCl溶液中呈活性溶解特征,当镀层厚度达到60 gm时可耐中性盐雾腐蚀600小时。强化时间长短(0 min至60min)和镀后干燥加热温度高低(100℃至300℃)对镀层的耐腐蚀性能没有影响。片状锌粉制备的镀层与球状锌粉制备的镀层相比自腐蚀电位正移2.9 mV,腐蚀电流密度前者不到后者的1/3,前者的耐电化学腐蚀性能优于后者。铝、镍、RE的添加均提高了镀层的耐盐雾腐蚀性能,使镀层的自腐蚀电位正移,极化电阻增大,腐蚀电流密度减小,提高了镀层的耐腐蚀性能。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG174.44

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