脈沖電流密度對鎳錳復合鍍層結構及性能的影響

王守龍，楊胡坤，魏 磊，劉 耀，程天才

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

由于鎳鍍層具有較好的耐蝕性、耐磨性等,而被廣泛應用在汽車、各種器械、儀表、外科醫具、日用工業品等方面作為防護—裝飾性鍍層[1-3]。鍍鎳層對鐵來說是屬于陰極性鍍層,因此,盡可能減少鍍層的孔隙,以更好地保護基體金屬。另外,適當添加一些耐蝕性的元素能得到結構致密的鎳合金鍍層[4-6]。由于金屬錳具有良好的耐腐蝕性，在鎳基礎鍍液中加入錳有助于獲得致密、細致、高耐蝕性的鎳錳合金鍍層[7]，因此本文對電沉積鎳錳鍍層進行了實驗探究，整個實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意

1 電沉積電極反應動力學的模型建立

研究表明電極電勢對其表面上發生的化學反應會產生強烈的影響，從化學反應動力學可知，反應離子需要吸收一定的能量，激發到一種不穩定的過渡狀態—活化態，才有可能發生向反應產物方向的轉化。電化學反應也是如此，在鍍液被充分攪拌，并且反應順利進行的情況下，電極上的反應遵循Butler-Volmer公式[8-10]：

其中η為過電位，i0為交換電流密度，Ci為i組分的摩爾濃度，Ciref為i組分的參考摩爾濃度，r為濃度指數，對于陽極r=0.5,對于陰極r=1,a和c分別代表陽極和陰極。

巴特勒—伏爾默方程指明了電化學極化時過電勢(可稱為：電化學過電勢)的大小取決于外電流密度和交換電流密度的相對大小。當外電流密度一定時，交換電流越大的電極反應，其過電勢越小，這表明反應越容易進行。而相對于一定的交換電流密度來說，外電流密度越大時，其過電勢也越大，即要使電極反應的速度更快，就需要有更大的推動力。

2 實驗部分

2.1 實驗試樣

本實驗用經預處理長50 mm，寬20 mm，厚度3 mm的Q235碳鋼試片為基體，用純度為99.99%的鎳板為陽極。

2.2 鍍液配方及工藝條件

實驗試劑：六水硫酸鎳 300 g/L，六水氯化鎳40 g/L，四水氯化錳20 g/L,十二烷基硫酸鈉 0.1 g/L，硼酸40 g/L，糖精鈉40 g/L，均用去離子水配制。

工藝條件：pH值為4.2，溫度為52℃，正向脈沖占空比30%，脈沖頻率1 000 Hz，脈沖電流密度1.25～6.25 A/dm2，極板間距10 mm，電鍍時間為30 min，藥品均為分析純。

2.3 實驗儀器

脈沖電源，電子天平，數控超聲波清洗器，Quanta FEG 450 場發射環境掃描電子顯微鏡，材料表面綜合試驗儀，電熱恒溫干燥箱，高精密實驗室pH計，實驗室電動攪拌機，恒溫水浴鍋。

2.4 測試方法

通過Quanta FEG 450 場發射環境掃描電子顯微鏡對鍍層表面結構形貌進行觀測，通過3.5%的氯化鈉水溶液進行耐腐蝕性能檢測。

3 結果與討論

3.1 試片質量隨電流密度的變化情況

鍍前試片經過前處理后質量為22.25 g，通過不同電流密度電沉積之后，試片質量變化曲線如圖2所示。

由圖2可知：鍍層質量隨著電流密度的增大而不斷增大，并且變化相對較均勻。隨著電流密度的增大，相同時間內在陰極附近釋放的電子會越多，從而使到達陰極的鎳離子、錳離子更容易得到電子變為原子，并且在適當增大電流密度的情況下生成原子的效率會更高，本實驗中離子電沉積到陰極表面符合相關方程對電沉積的描述規律。

圖2 鍍層質量隨電流密度的變化

3.2 電流密度對鍍層表面形貌的影響

通過Quanta FEG 450 場發射環境掃描電子顯微鏡對鍍層表面形貌進行了觀察。圖3a、b、c、d、e分別為脈沖電流密度1.25，2.50，3.75，5.00，6.25 A/dm2得到的鍍層表面形貌圖。

從圖3中可以看出當電流密度小于3.75 A/dm2時晶粒較小，但得到的鍍層并不平整致密，而當電流密度為3.75 A/dm2時獲得的鍍層較均勻致密，隨著電流密度的增大晶粒尺寸越來越大，鍍層變的越來越粗糙。主要原因可能是由于電流密度較大，離子得到電子較快，形成了大量原子，新生成的原子并沒有及時形成新的晶核，導致原晶核繼續長大。

圖3 不同脈沖電流密度下得到的鍍層表面形貌

3.3 電流密度對鍍層耐腐蝕性的影響

將試片放于3.5%的氯化鈉水溶液經過30 d浸泡，取出經洗滌、干燥處理后稱其質量，經計算得出了腐蝕速率曲線如圖4所示。

腐蝕速率計算公式：V=(w0-w1)/At

其中w0為試樣腐蝕前質量，g；w1為試樣腐蝕后質量，g；A為試樣面積，dm2；t為時間，d。

由圖4中數據分析可知當電流密度為3.75 A/dm2時腐蝕速率最小。主要是由于在電流密度為3.75 A/dm2時離子通過擴散層到達霍爾莫茲層得到電子形成原子，在新形成的原子一部分誘導原晶核繼續生長而有的部分形成新的晶核，在此電流密度下原晶核和新晶核占用了相對合理的空間，在基體表面形成了致密的復合鍍層，獲得了耐蝕性較好的鍍層從而保護了基體。

圖4 腐蝕速率曲線

4 結 論

隨著脈沖電流密度的增大鍍層變的越來越均勻、致密，在脈沖電流密度為3.75 A/dm2時所獲得的鍍層最致密。當電流密度在1.25～6.25 A/dm2范圍內時利用脈沖電沉積方法可以在Q235碳鋼試片表面形成致密、平整的鎳錳鍍層。隨著脈沖電流密度的增大試片在3.5%的氯化鈉水溶液耐腐蝕性增強，當電流密度為3.75 A/dm2時所獲得的鍍層耐

腐蝕性最好。