机械镀锌工艺是近些年来兴起的一项绿色环保的表面处理工艺,因其具有工艺操作简便、无污染,且所制镀层无氢脆、镀层组织均匀等优点,故而广受工业发达国家的重视。但在机械镀锌层形成过程中影响因素较多,而镀筒的截面形状、镀筒转速、冲击介质粒径等外部条件对镀层的形成以及镀层的致密性、外观质量等起着关键性的作用。而当前所用机械镀设备存在许多局限性,不能够对机械镀锌层形成过程中镀筒内物料的碰撞、受力、传能等进行直接的观察和分析,只能够在镀层成型后通过观察表面质量,测量镀层结合强度和孔隙率以及用扫描电子显微镜表征镀层的表面和截面形貌等方法来判断所形成镀层质量的优劣。因此,本文选题以此为切入点,基于离散单元法与计算流体动力学法,对机械镀锌工艺过程进行仿真模拟,从颗粒相的碰撞次数,碰撞频率,碰撞能量,碰撞接触力以及流体相的速度云图等角度,分析不同工艺参数下镀筒内物料的运动过程,并制备相应的镀锌层试样,采用扫描电子显微镜、电子探针X射线显微分析仪、X射线衍射仪以及高帧率工业相机等检测方法表征镀锌层的组织形貌及物相组成,以期为机械镀工艺的进一步完善提供可靠性依据:(1)镀筒转速为50 rpm、60 rpm时镀筒内物料(冲击介质与基体)运动的惰性区较小;镀筒转速为40 rpm、50 rpm时,筒内冲击介质与基体的碰撞次数变化较规律,冲击介质提供的小载荷冲击更利于镀层的形层与增厚;镀筒转速为60 rpm时,冲击介质带来的冲击碰撞力(正碰和摩擦)过大,易使得镀层表面出现划痕;通过分析流体相速度云图,表明镀筒转速为40 rpm、50 rpm时,筒内流体域的运动区域及运动速度与固体颗粒相相吻合。(2)在镀筒内物料运动的EDEM仿真过程中镀筒截面形状为八边形和圆形时筒内物料的有效碰撞频率较高,EDEM-Fluent耦合仿真过程中镀筒截面形状为六边形与八边形时物料的有效碰撞频率较高;八边形镀筒内冲击介质与基体的碰撞接触力波动均匀,无异常增大的接触力;对比镀筒截面形状为四边形、六边形、八边形、圆形时物料的速度云图可得出八边形镀筒内流体相的运动速度较高,且流体相的运动区域与固体颗粒相较相吻合。(3)冲击介质粒径为4 mm、5 mm、6 mm时镀筒内物料运动的惰性区较小;粒径为2 mm、3 mm、4 mm时物料的有效碰撞频率较高;为3 mm、4 mm、5 mm时物料间的碰撞动能波动较均匀;为5 mm时流体相的运动速度较高,且运动区域主要集中在右下侧部位,使之能够进行固体相与液体相的两相耦合;为4 mm、5 mm时物料的碰撞接触力变化较规律,且接触力强度高于锌屈服强度;所得出的粒径配比(第二组)为:2 mm 23%,3 mm 23%,4 mm 23%,5 mm 27%,6 mm 4%,与(第一组)五种粒径均占20%的混合冲击介质对比,第二组混合粒径的模拟试验中物料间的碰撞频率较高且碰撞规律性强,物料间的碰撞接触力异常增大次数较少,且第二组模拟试验中5 mm冲击介质的规律化均匀化带动作用使得流体场的运动速度更加稳定均匀。(4)制备出不同镀筒转速及两组混合粒径下的镀锌试样,通过对比分析,发现镀筒转速为50 rpm时所制备出的镀锌层平均厚度与相对密度较高,镀层平均偏差较小,且镀层中大部分锌粉颗粒已产生挤压塑性变形,呈互相搭嵌状,颗粒与颗粒之间堆积致密;以此粒径配比(第二组):2 mm 23%,3 mm 23%,4 mm23%,5 mm 27%,6 mm 4%为基础制得的镀锌试样,平均厚度与相对密度相较第一组(五种粒径均占20%)镀锌试样高,且第二组镀锌层表面有大片的致密化板结区域,锌粉颗粒之间存在微小的空隙,大部分锌粉颗粒都已产生塑性变形,在玻璃珠的冲击作用和摩擦作用之下沉积在基体表面,并且镀层逐渐由疏松趋向紧实。
暂无评论