堿性脈沖電鍍Zn?納米SiC復合鍍層工藝條件的優化

陸雄波，鄧型深，姜吉瓊

（廣西礦冶與環境科學實驗中心，桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西 桂林 541004）

納米SiC化學性能穩定，導熱系數高，熱膨脹系數小，耐磨性優良[1-5]。將納米SiC添加到基礎鍍液中與金屬離子共沉積可形成性能優良的復合鍍層。Zn?SiC復合鍍層以其優良性質而受到廣泛關注[6-11]，但脈沖電鍍Zn?SiC復合鍍層尚未見報道。本文采用脈沖電沉積方法在Q235鋼片表面制備了Zn?納米SiC復合鍍層，并對其表面形貌及耐蝕性進行了測試。

1 實驗

1.1 材料及設備

以50 mm × 30 mm × 5 mm的市售鋅為陽極，50 mm × 30 mm × 5 mm的Q235鋼片為陰極，用石家莊恒威電源科技開發有限公司生產的SMC-5S脈沖電源施鍍，用鞏義市予華儀器有限公司生產的DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器攪拌鍍液。

1.2 工藝流程

打磨(600號至2000號砂紙)→水洗→除銹(5 g/L鹽酸 + 120 g/L硫酸，常溫，5 min)→水洗→除油(13 g/L氫氧化鈉 + 60 g/L磷酸三鈉 + 8 g/L硅酸鈉 + 25 g/L碳酸鈉，80 ～ 90 °C，8 min)→水洗→活化(鹽酸50 g/L，常溫，2 min)→水洗→脈沖電鍍→水洗→性能測試。

1.3 復合鍍工藝

鍍液組成[6]：氧化鋅30 g/L，氫氧化鈉180 g/L，香草醛2.8 g/L，硫脲4 g/L，三乙烯四胺4 g/L，99%甲醛1 mL/L，SiC顆粒(粒徑約40 nm)0.15 g/L。電鍍工藝條件：平均電流密度0.5 ～ 5.0 A/dm2，占空比10% ～ 50%，溫度20 ～ 40 °C，時間10 ～ 30 min，頻率125 Hz，攪拌速率250 r/min。

1.4 鍍層性能測試

采用上海辰華CHI660E電化學工作站在室溫進行，以所制復合鍍層為工作電極(裸露面積1 cm2)，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極，電解液為3.5%的NaCl溶液。塔菲爾(Tafel)曲線的掃描速率為10 mV/s，通過電化學工作站自帶的分析程序擬合得到鍍層的腐蝕電流密度。在開路電位下進行電化學阻抗譜(EIS)測量，頻率從100 kHz到0.01 Hz，振幅5 mV。

采用日立SU5000掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的表面形貌，采用M302653能譜儀(EDS)分析鍍層中Si的含量，再換算為SiC的質量分數。

2 結果與討論

2.1 工藝條件對Zn?納米SiC復合鍍層耐蝕性的影響

2.1.1 平均電流密度

在占空比30%、溫度25 °C、平均電流密度0.5 ～ 5 A/dm2的條件下電鍍15 min得到的Zn?納米SiC復合鍍層的腐蝕電流密度見圖1。腐蝕電流密度隨平均電流密度的增加先逐漸減小再逐漸增加，在2.0 A/dm2時腐蝕電流密度最低。所以平均電流密度為2.0 A/dm2較佳。

2.1.2 占空比

在平均電流密度2 A/dm2、溫度25 °C、占空比10% ～ 50%的條件下電鍍15 min得到的Zn?納米SiC復合鍍層的腐蝕電流密度見圖2。腐蝕電流密度隨占空比的增加先減小后增大，其中占空比為30%時腐蝕電流密度最小。所以占空比30%較佳。

圖1 平均電流密度對Zn?納米SiC復合鍍層腐蝕電流密度的影響Figure 1 Effect of average current density on corrosion current density of Zn–nano-SiC composite coating

圖2 占空比對Zn?納米SiC復合鍍層腐蝕電流密度的影響Figure 2 Effect of duty cycle on corrosion current density of Zn–nano-SiC composite coating

2.1.3 鍍液溫度

在平均電流密度2.0 A/dm2、占空比30%、溫度20 ～ 40 °C的條件下，脈沖電鍍15 min所得Zn?納米SiC復合鍍層的腐蝕電流密度見圖3。在20 ～ 30 °C范圍內，復合鍍層的腐蝕電流密度變化不大，其中在25 °C時腐蝕電流密度最小，當溫度高于30 °C時，復合鍍層的腐蝕電流密度隨溫度的升高而迅速增大。故脈沖電鍍溫度控制在20 ～ 30 °C范圍內較佳。后續實驗選擇25 °C作為最佳條件。

2.1.4 電鍍時間

在平均電流密度2.0 A/dm2、溫度25 °C、占空比30%的條件下，電鍍不同時間得到的Zn?SiC復合鍍層的腐蝕電流密度見圖4。施鍍時間對腐蝕電流密度影響不大，在20 ～ 25 min內腐蝕電流密度幾乎無變化，所以此時間范圍內電鍍較佳。后續實驗選擇20 min。

綜上所述，堿性脈沖電鍍Zn?納米SiC復合鍍層的較佳工藝條件為：平均電流密2.0 A/dm2，占空比30%，鍍液溫度20 ～ 30 °C，電鍍時間20 ～ 25 min。

圖3 鍍液溫度對Zn?納米SiC復合鍍層腐蝕電流密度的影響Figure 3 Effect of bath temperature on corrosion current density of Zn–nano-SiC composite coating

圖4 電鍍時間對Zn?納米SiC復合鍍層腐蝕電流密度的影響Figure 4 Effect of electroplating time on corrosion current density of Zn–nano-SiC composite coating

2.2 最佳條件下堿性脈沖電鍍所得Zn?納米SiC復合鍍層的性能

2.2.1 表面形貌及SiC含量

由圖5可知，Zn?納米SiC復合鍍層的表面結晶比純鋅鍍層更細小、更致密，這說明SiC的加入能使鍍層晶粒變小，表面變得更細膩、平整。EDS分析表明鍍層中含SiC 1.67%，說明SiC已復合到鍍層中。

圖5 純鋅鍍層(a)和Zn?納米SiC復合鍍層(b)的表面形貌Figure 5 Surface morphologies of pure zinc coating (a) and Zn–nano-SiC composite coating (b)

2.2.2 電化學性能

對圖6a的極化曲線擬合分析得出，純鋅鍍層和Zn?納米SiC復合鍍層的腐蝕電位分別為?1.2 V和?1.07 V，腐蝕電流密度分別為19.64 μA和2.446 μA，所以脈沖電鍍得到的Zn?納米SiC復合鍍層的耐蝕性優于純鋅鍍層。由圖6b可以看出，Zn?納米SiC復合鍍層的容抗弧半徑遠大于純鋅鍍層，這也說明Zn?納米SiC復合鍍層的耐蝕性更優。

圖6 脈沖電鍍Zn?納米SiC復合鍍層和純鋅鍍層的塔菲爾曲線(a)和EIS譜圖(b)Figure 6 Tafel curves (a) and EIS plots (b) for Zn–nano-SiC composite coating and pure zinc coating prepared by pulsed electroplating

3 結論

堿性脈沖電鍍Zn?納米SiC復合鍍層的較佳工藝條件為：平均電流密2.0 A/dm2，占空比30%，鍍液溫度20 ～ 30 °C，電鍍時間15 ～ 25 min。由此所得的復合鍍層含SiC 1.67%(質量分數)，表面平整，結晶細膩，有比純鋅鍍層更好的耐蝕性。