基于非線性超聲空化效應的鋁合金熱浸鍍工藝

陳海燕，曾 越，李 藝，吳建新，許世錟，鄒燕成

(1 廣東工業大學 材料與能源學院，廣州 510006；2 謝菲爾德大學數學與統計學院，英國 謝菲爾德S3 7RH；3 惠州市惠陽廣杰五金制品有限公司，廣東 惠州 516221)

熱浸鋅鍍層致密均勻、綜合成本低，可成為鋁合金焊接前預處理的預敷焊料合金層。但由于鋁與氧具有極大的親和力，極易在表面生成致密的氧化膜，阻礙鍍層與母材之間的冶金反應而直接影響其結合力。為了提高鍍層結合力，必須徹底去除鋁合金表面的氧化膜，但經打磨和酸堿腐蝕后，在清洗過程中，鋁的表面又會迅速被氧化生成一層致密的氧化膜。因此，鋁及鋁合金的熱浸鍍與鋼鐵材料相比，難度更大，條件更為嚴苛。目前鋁合金鍍鋅一般采用電沉積后再二次熱浸鍍的方法，電沉積工藝中主要有氰化鍍鋅、堿性鋅酸鹽鍍鋅、銨鹽鍍鋅、氯化物鍍鋅和硫酸鹽鍍鋅5大類型。電鍍液中含有濃硝酸和氰化物等有毒物質，存在著排放污染和日常維護困難等難題，大部分電鍍層的厚度較小(<50 μm),在高濕熱環境中的防腐蝕性能略遜一籌[1-3]。利用超聲在合金熔體中產生的一系列非線性效應，會對金屬凝固過程和鋁合金除膜過程產生重要影響[4-5]，無須采用電沉積作為預處理工藝，可高效地一次性實現厚度達80 μm左右的鍍鋅層。然而，利用超聲波輔助熱浸鍍鋅工藝鮮見報道，對超聲作用機理也缺乏定量的研究[6-11]。本工作采用黏彈性流體模型[12]，耦合Keller-Miksis和Mettin方程，建立球形氣泡群內空化泡的生長規律和空化效應的數學模型，闡釋空化效應對鍍層合金組織和鋁合金表面氧化膜的作用調控機制，以期豐富和完善金屬熔體超聲空化效應的理論基礎，以及開拓超聲在熔鑄和熱浸鍍技術的應用。

1 實驗材料與方法

浸鍍基板材料為1050鋁合金，尺寸為50 mm×50 mm×1.2 mm，化學組成如表1所示。鋁片打磨平整后，放入質量分數為1%的NaOH溶液中浸泡10～15 min，用去離子水沖洗干凈，放置在無水乙醇中待用。

表1 1050鋁合金的化學組成(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of 1050 aluminum alloy(mass fraction/%)

將ZnAl8合金放入200 ℃的電爐內保溫5 min，以除去水蒸氣，升溫至500 ℃，將合金充分熔化后，撇去浮渣，降溫至390 ℃靜置待用。在ZnAl8熔融合金中導入充分預熱至390 ℃的超聲頭，并將待鍍的鋁片置于超聲頭正下方20 mm處施振15 min。……