超声波清洗在组合件镀锌工艺中的应用
关键词：镀锌、超声波、清洗
Ultrasonic Cleaning Process Application in Zinc-Plating for Assembly
HUI Yan1，HU Jian-wen2
（1. AVIC GA Huanan，Zhuhai 519000,China ; 2.Hebei University of Science & Technology, Shijiazhuang 050018,China）
ABSTRACT：We choose reasonable process and cleaning medium. We use the ultrasonic cleaning in zinc-plating .The ultrasonic generates effect produced shock wave, micro jet impact on the surface, especially on the parts of the gap .This method makes the residual liquid cleaning up.The process of zinc-plating by ultrasonic cleaning in place of the traditional washing , return acid corrosion phenomenon, has greatly improved the surface quality and improve the qualified rate of zinc-plating.
KEYWORDS:Zinc-Plating Ultrasonic Cleaning
1 前言
金属表面处理技术伴随着人类文明，已经历了数千年的发展。它不仅是产品的“美容术”，也是产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。表面处理技术细分种类很多，性能各异。其中，电镀技术就是一种常用的表面处理技术。电镀是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。[1]目前，在钢铁零件上主要使用的防护性镀层是电镀锌层，镀锌层作为阳极性镀层对基体起到电化学保护的作用。[2]
同步带轮部件—挡圈与同步带轮通常是压装在一起后再进行电镀白锌，镀白锌后常常会出现挡圈与带轮齿间缝隙颜色发黑、有褐色或略带绿色的齿印痕现象，严重影响了带轮部件整体电镀后的表面质量。经分析发现，此种现象的发生和镀锌后的返酸有关。超声波清洗利用了超声空化效应产生的冲击波、微射流等冲击工件表面、对零件表面特别是对零件缝隙之间的残液的彻底清理具有显出效果[3]。为此本研究通过大量工艺实验，研究对比部件在镀锌前及镀锌后的清洗方法和工艺，对镀件后期的间隙返酸以及最终的表面质量的影响，探索减轻或消除镀锌返酸的方法，提高带轮部件的电镀白锌表面质量。
2 实验
2.1原因分析
图1为带轮部件及出现外观变色的镀白锌件，电镀白锌后出现了在挡圈靠齿一侧的表面上出现暗色（颜色发黑或带褐色），有的零件呈现偏黑的绿色或者暗黄色。变色区域形状有近齿形形状的，也有呈不规则带状的。个别零件在齿面上和齿槽也出现变色现象，在挡圈远离齿的一面变色较少。其原有的带轮加工及电镀工序如图2所示。带轮与挡圈先分别加工好后进行压装组合，再进行电镀白锌。
经对加工工序及镀锌过程中所接触的溶液成分进行分析，在压装及以前的工序生产过程中，没有带入任何的化学介质，不会引起产品表面的变色。而产品出现变色一定是有化学物质的存在，导致与金属发生化学反应引起的。考虑到这种变色情况多发生在海洋运输过程中，结合海上运输的湿热环境，产品出现批量的变色现象一定是存在化学物质的析出。结合电镀锌的工艺流程，我们认为挡圈与带轮镀锌后齿间缝隙出现的颜色变化是由于镀锌后返酸产生的。酸性介质处于缝隙之中，表现出滞留状态，在遇到海洋性气候时就会表现出腐蚀现象。
2.2工艺改进及实验结果
2.2.1工序改变
为解决带轮部件在镀锌后返酸问题首先进行了工序改变，如图3所示。将带轮与挡圈先分别镀锌，然后再压装。
然后按照上述工序分别镀锌后，在压装工序中又出现了新的问题，由于镀锌后，带轮的装挡圈外圆与挡圈的内孔尺寸发生了变化出现压装过程中锌层被挤压剥落的现象，一部分挡圈因尺寸变化导致压装过程中挡圈变形报废，这样大大增加了加工时间及废品率。众所周知，锌膜的保护主要是靠完整的表面膜层起作用，锌层的剥落破坏了膜层的完整性，如果没有其他的防护措施，破损处会作为腐蚀中心在暴露的Fe基体周围，镀锌层开始发生原电池反应，使镀锌层被腐蚀，失去锌的金属特性，镀锌层及零件表面慢慢变黑。因此，组合件分开镀锌后压装组合的工序是行不通的。
2.2.2镀锌工艺的改进
对图2中带轮部件压装后的镀锌工艺进行了改进，镀锌主要流程如图4所示，并重点对镀锌前后的清洗工序进行了设计，如表1所示。电镀锌工艺实验中共设计了5组实验。在此清洗工艺安排中，超声清洗采用的是定制的超波清洗机。每组选择10件零件作为试样进行实验，结果如表2所示。由表可见，镀锌前、镀锌后使用超声波清洗的镀锌件的表面质量最好，所有水洗工序都用超声波清洗的镀锌件的产品表面质量次之，只在镀锌前使用超声波清洗的表面质量出人意料的差强人意。不使用超声波清洗的镀锌件小部分外观合格，但是在盐雾环境下，合格的试件依然出现变色现象。
我们每组选择了10件试样，其中5组按照图4流程进行电镀锌，在该过程中，不使用超声波清洗，全部按照传统工艺执行。在压缩空气吹干后，有4件在晾干两分钟后就出现了黑色痕迹。经分析，出现的黑色印痕应该就是夹缝中的返酸造成的，因此消除返酸就必须在酸洗后的水洗工序上下功夫。
3 结果与讨论
经过工艺试验及工艺摸索，超声波清洗以其优异的清洗性能成为首选。
3.1超声波清洗的优点超声波清洗是近年发展起来的清洗技术，超声波清洗主要是利用超声空化效应产生的冲击波，微射流等冲击表面，形成了剪切作用，使附着在零件表面的污物逐层去除。超声空化在固体与液体界面上产生的高速微射流能增强搅拌作用，加速可溶性污垢的溶解，直到基体完全清洗干净为止。与其他清洗方法比较，超声波清洗的剩余残留物仅为0.5%，而常规的浸润式清洗，剩余残留物高达70%。[4]~[9]
3.2超声波清洗机的定做
结合产品的批量和生产进度要求，我们定做了1.2m× 1m×0.8m（长×宽×高）的超声波清洗机，该超波清洗机主要由超声波清洗槽和超声波发生器以及控制器三部分构成。超声波清洗槽用坚固弹性好、耐腐蚀的优质不锈钢制成，四个侧面安装有超声波换能器振子；超声波发生器产生高频高压，通过电缆联结线传导给换能器，换能器与振动板一起产生高频共振，从而使清洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净。在振子的排布上按以下布局：
大侧面密排6列X4行共24个振子，小侧面2列X4行共8个振子。同时为了可能需要的加热需求，槽底加装了加热管，为了生产中的排液方便，槽底侧面加装了排水阀。
3.3超声波清洗介质的选择
采用超声波清洗，一般有两类清洗剂：有机清洗剂和水基清洗剂。[9]我们选择了3种介质进行了不同清洗介质的清洗实验，实验结果见表3。为了操作的方便和镀锌前的清洗不带入其他的离子，我们最终选择了低成本的冷水清洗，并使用流动冷水清洗增加清洗的效果。在清洗后以表面形成水膜连续为清洗合格的依据。
3.4超声波清洗在生产线上的应用
在生产前，使用准备好的40件同材料（均为45#）、同规格的同步带轮，分为4组，每组各10件。在镀锌前首先用有机溶剂（稀料）浸泡10min，更好的去除零件表面的工序间防锈油，然后再进行化学/电化学除油按照生产线上开始进行常规工序进行。四组进行的实验分别按下列工序进行。
1组：只在镀锌前的清洗换成超声波清洗，镀锌后的清洗依旧使用普通的水洗。
2组：只在镀锌后的水洗换成超声波水洗，镀锌前的清洗依旧使用普通的水洗。
3组：镀锌前、镀锌后的水洗均用超声波水洗，其余的水洗依旧使用普通水洗。
4组：所有的水洗序都用超声波水洗。
经过4组的实验后，检查所有工件的外观，如表2所示。操作过程中值得注意的是，清洗过程中工件要做到不触底，不露出水面，同时压装缝隙朝向超声震源方向。在清洗1分钟后要90~120度倒换一次悬挂位置。
4 结论
从超声波的清洗原理我们不难理解，它的清洗效率和效果都比较出色，在电镀设备中运用带来的最大好处就是使电镀后产品表面药液残留问题得到改善。[10]～[14]造成带轮部件镀白锌后表面暗色印痕是挡圈和带轮本体之间的缝隙在镀锌后的返酸所致。在部件镀锌前后采用超声波清洗代替传统的水洗方法，对镀锌后的表面质量，尤其是清洗接缝区域的残存酸的清洗效果明显，减少了镀锌后的零件接缝的返酸腐蚀现象，大大提高了带轮部件的电镀合格率。
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