鍍液溫度對脈沖電鍍Zn-Ni-Mn合金鍍層的影響

劉海鵬，　楊海麗，　王心悅，　張志桐，　李運剛

(華北理工大學 現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山　063009)

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鍍液溫度對脈沖電鍍Zn-Ni-Mn合金鍍層的影響

劉海鵬，楊海麗，王心悅，張志桐，李運剛

(華北理工大學 現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山063009)

采用脈沖電鍍法在Q235鋼表面制備了Zn-Ni-Mn合金鍍層。研究了鍍液溫度(25～40℃)對合金鍍層成分、沉積速率、表面形貌和耐蝕性的影響。結果表明，隨鍍液溫度升高，Zn-Ni-Mn合金鍍層中錳的質量分數降低，鋅和鎳的質量分數升高；沉積速率增大；鍍液θ為30℃時制備的Zn-Ni-Mn合金鍍層晶粒大小均勻，表面平整致密，耐蝕性最好。

鍍液溫度； 脈沖電鍍； Zn-Ni-Mn合金鍍層

引　言

Q235鋼是應用最為廣泛的結構鋼，在實際使用過程中，Q235鋼常因耐蝕性不夠而失效，造成經濟損失[1]。在Q235鋼表面電鍍鋅-鎳合金鍍層是提高其耐蝕性的有效手段，電鍍鋅-鎳合金鍍層常用硫酸鋅和硫酸鎳做主鹽，成本較高，若用硫酸錳代替部分硫酸鋅和硫酸鎳可降低鍍液成本，且錳元素的加入可改善鍍層耐蝕性[2-6]。目前有關脈沖電鍍Zn-Ni-Mn合金鍍層的研究還鮮有報道。鍍液溫度是脈沖電鍍中一個極其重要的工藝參數，甚至可以決定能否施鍍。因此，本文重點研究在Q235鋼表面脈沖電鍍制備Zn-Ni-Mn合金鍍層時，鍍液溫度對合金鍍層元素含量、沉積速率、表面形貌和耐蝕性的影響。

1　實驗部分

1.1實驗方法

脈沖電沉積Zn-Ni-Mn合金鍍液配方為：176.5g/L Na3C6H5O7·2H2O，43.1g/L ZnSO4·7H2O，59.2g/L MnSO4·H2O，26.3g/L NiSO4·6H2O，30g/L NH4Cl，30g/L H3BO3，0.1g/L十二烷基硫酸鈉。

以20mm×18mm×1mm的Q235鋼試片作陰極，鎳板為陽極，采用SMD-30P型智能多組換向脈沖電鍍電源。工藝流程為：打磨(依次采用320#、500#、800#和1000#砂紙打磨至無明顯劃痕)→蒸餾水洗→除油(10%NaOH浸泡10min)→蒸餾水洗→酸洗(15%HCl浸泡30s)→蒸餾水洗→電刷鍍。

電刷鍍Zn-Ni-Mn合金工藝參數為：工作電壓1.87V，電流密度3A/dm2，施鍍t為20min，占空比20%，周期1ms，pH 5.0，電刷鍍θ分別為25、30、35和40℃。

1.2性能測試

采用Spectruma GDA750型輝光放電光譜儀(德國斯派克分析儀器公司)檢測鍍層成分及厚度，將厚度除以施鍍時間得到鍍層的沉積速率(μm/h)；S-4800型場發射掃描電鏡(日本日立公司)表征鍍層的表面形貌；IM6eX型電化學工作站(德國ZAHNER公司)，采用三電極體系，以密封試樣(10mm×10mm)為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，檢測合金鍍層在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性，其中Tafel曲線掃描速率為2mV/s，交流阻抗擾動信號為10mV正弦波交流信號，測試頻率范圍為10mHz～100kHz，所得數據由Zview軟件擬合分析。

2　結果及分析

2.1鍍液溫度對鍍層中各元素的影響

鍍液溫度對Zn-Ni-Mn合金鍍層中各元素的影響如圖1所示。由圖1可以看出，溫度升高，鍍層中錳質量分數降低，鋅、鎳質量分數升高。升高溫度有利于減小陰極極化，因而有利于還原電位較正的金屬的析出，即升溫更有利于鋅、鎳的析出。

圖1　鍍液溫度對鍍層中各元素的影響

2.2鍍液溫度對鍍層沉積速率的影響

圖2為鍍液溫度對鍍層沉積速率的影響。由圖2可知，隨著鍍液溫度的升高，Zn-Ni-Mn合金鍍層沉積速率增大。由于鍍液溫度升高，鍍液中離子的擴散、遷移速度加快，金屬離子電沉積時的陰極極化程度減弱，金屬離子的沉積反應速率增大[7]。

圖2　鍍液溫度對沉積速率的影響

2.3鍍液溫度對鍍層表面形貌的影響

圖3為不同鍍液溫度所得Zn-Ni-Mn合金鍍層的表面形貌。由圖3可以看出，鍍液θ為25℃時，可見鍍層表面明顯的劃痕；θ升至30℃時，鍍層晶粒大小均勻，表面平整致密；隨著鍍液溫度繼續增加，鍍層晶粒也隨之增大，表面變得疏松。這是因為溫度升高，陰極極化電勢增大，陰極電流也增大，離子擴散速率加快，增大了鍍層的沉積速率，降低了極化，導致晶粒增大[8]。當鍍液θ達到40℃時，由于鍍層沉積速率過快，晶粒增長較快，鍍層表面粗糙。

圖3　Zn-Ni-Mn合金鍍層的表面形貌照片

2.4鍍液溫度對耐蝕性的影響

圖4為Zn-Ni-Mn合金鍍層的Tafel曲線，由Tafel曲線擬合得到的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度如表1所示。自腐蝕電位越正，腐蝕傾向越小，自腐蝕電流密度越小，腐蝕速率越小[9]。由表1可知，鍍液θ為30℃時制備的合金鍍層的自腐蝕電位最大，自腐蝕電流密度最小，由此可知，30℃時制備的合金鍍層在3.5%NaCl溶液中腐蝕傾向和腐蝕速率最小，耐蝕性最好。

圖4　Zn-Ni-Mn合金鍍層的Tafel曲線

表1Zn-Ni-Mn合金鍍層自腐蝕電位與自腐蝕電流密度

θ/℃25303540φcorr/V-0．815-0．663-0．683-0．745Jcorr/(mA·m-2)11．807．428．9011．20

圖5為Zn-Ni-Mn合金鍍層的交流阻抗譜圖，其對應的等效電路如圖6所示，圖6中元件R1、R2、CPE1、C1和R3分別表示溶液電阻、膜電阻、膜電容、雙電層電容和電荷轉移電阻，其值如表2所示，n1為CPE1的彌散指數。由表2可知，鍍液θ為30℃時制備的Zn-Ni-Mn合金鍍層電荷轉移電阻最大為1200Ω。由此可知，鍍液θ為30℃時制備的合金鍍層耐蝕性最好，結果與Tafel曲線分析結果一致。

圖5　Zn-Ni-Mn合金鍍層的交流阻抗譜圖

圖6　交流阻抗譜等效電路

表2等效電路元件值

θ/℃25303540R1/Ω53．2751．852．3653．19R2/Ω270．30．27852．232302．9CPE1/μF654．611631010618．1n10．810．800．790．80C1/μF1057123111．51215R3/Ω115．81200738．3145．2

3　結　論

1)鍍液溫度升高，Zn-Ni-Mn合金鍍層中錳質量分數降低，鋅、鎳質量分數升高。

2)鍍液溫度的升高，Zn-Ni-Mn合金鍍層沉積速率增大。

3)鍍液θ為25℃時，鍍層表面存在明顯的劃痕；θ升至30℃時，鍍層晶粒大小均勻，表面平整致密；隨著鍍液溫度繼續增加，鍍層晶粒也隨之增大，表面變得疏松。鍍液θ為30℃時制備的Zn-Ni-Mn合金鍍層耐蝕性最好。

[1]Qi Bao,Dun Zhang,Dandan LV,et al.Effects of two main metabolites of sulphate-reducing bacteria on the corrosion of Q235 steels in 3.5wt.% NaCl media[J].Corrosion Science,2012,65:405-413.

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[8]朱玲玲,彭成章,張曉菲.工藝因素對脈沖電沉積Ni-P合金鍍層組織及性能的影響[J].湖南科技大學學報,2011,26(2):27-30.

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Effect of Bath Temperature on Zn-Ni-Mn Alloy Coating Prepared by Pulse Electroplating

LIU Haipeng, YANG Haili, WANG Xinyue, ZHANG Zhitong, LI Yungang

(Key Laboratory of the Ministry of Education for Modern Metallurgy Technology,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

Zn-Ni-Mn alloy coatings were prepared on the surface of Q235 steel by pulse electroplating.The effects of bath temperature on coating composition,deposition rate,surface morphology and corrosion resistance were investigated.The results revealed that manganese mass fraction in Zn-Ni-Mn alloy coating decreased while that of zinc and nickel increased with the increase of bath temperature,and the deposition rate also increased.The coating prepared at 30℃ showed uniform grains,smooth and compact surface and the best corrosion resistance.

bath temperature; pulse electroplating; Zn-Ni-Mn alloy coating

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.10.004

2016-04-11

2016-05-30

國家自然科學基金資助項目(51274082)

TQ153.2

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