變形鋅合金在檸檬酸鹽鍍鎳液中的腐蝕行為

吳浩杰，柯知勤，宋振綸，沈磊

（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201）

變形鋅合金在檸檬酸鹽鍍鎳液中的腐蝕行為

吳浩杰，柯知勤，宋振綸*，沈磊

（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201）

利用動(dòng)電位極化曲線和電化學(xué)阻抗譜研究了變形鋅合金在檸檬酸鹽電鍍鎳溶液中的腐蝕行為，通過場發(fā)射掃描電鏡(SEM–EDS)表征了腐蝕表面形貌和成分。結(jié)果表明，鋅合金在鍍液中呈活性溶解狀態(tài)，檸檬酸鈉對鋅合金有緩蝕作用；提高鍍液溫度不僅加劇鋅合金腐蝕，還會加快鎳置換反應(yīng)發(fā)生。

變形鋅合金；檸檬酸鹽鍍鎳；腐蝕行為

1 前言

變形鋅合金[1-4]是利用Zn–Al合金的超塑性來進(jìn)行變形制造加工，用來生產(chǎn)各種形狀的鋅合金。以Zn–10.20%Al–1.25%Cu–0.01%Ti(簡稱ZAT10[5])為代表的變形鋅合金在形變過程中會產(chǎn)生強(qiáng)化作用，具有更高的強(qiáng)度和更好的機(jī)械加工性，是黃銅的理想替代材料，在電子、通訊、五金、制筆、衛(wèi)浴等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。但由于變形鋅合金ZAT10的主要成分仍是鋅和鋁，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位較負(fù)[6]，因此耐蝕性較差。中性檸檬酸鹽體系[7]因能減小鋅合金基體在電鍍過程的腐蝕而被應(yīng)用于鑄造鋅合金領(lǐng)域，但中性檸檬酸鹽電鍍體系是否適合變形鋅合金尚未可知，變形鋅合金在檸檬酸鹽電鍍?nèi)芤褐械母g狀況與機(jī)理鮮見報(bào)道。

本文在前期大量變形鋅合金檸檬酸鹽電鍍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考察了鋅合金在檸檬酸鹽電鍍?nèi)芤褐械匿\合金腐蝕行為，對變形鋅合金的腐蝕狀況以及規(guī)律進(jìn)行了探究。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用的樣品為變形ZAT10鋅合金。電化學(xué)測試樣品為φ 6 mm × 5 mm的實(shí)心圓柱，浸泡實(shí)驗(yàn)樣品為22 mm × 22 mm × 5 mm的塊狀樣品，主要成分為Zn 88.54%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，Al 10.20%，Cu 1.25%，Ti 0.01%。

采用Autolab PGSTAT302電化學(xué)工作站測試動(dòng)電位極化曲線。采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，工作電極被測面積為1.13 cm2，電位掃描速率為1 mV/s。電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)也采用上述三電極體系，研究電極開路電位穩(wěn)定后進(jìn)行測試，激勵(lì)信號幅值為5 mV的正弦波，測量頻率范圍為10 kHz ～ 10 mHz。

浸泡實(shí)驗(yàn)：將未腐蝕試樣在檸檬酸鹽電鍍液中浸泡30 min，取出后用軟毛刷清除表面的腐蝕產(chǎn)物，然后用濾紙吸干即可進(jìn)行表面形貌觀察。檸檬酸鹽電鍍鎳的配方工藝為：硫酸鎳(NiSO4·6H2O)120 g/L，氯化鈉(NaCl) 12 g/L，硼酸(H3BO3)35 g/L，檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2H2O) 120 g/L，鍍液pH 6.0，鍍液溫度25 °C。

3 結(jié)果與討論

3. 1 在電鍍?nèi)芤褐械膭?dòng)電位極化曲線

圖1是ZAT10鋅合金在不同檸檬酸鈉含量(a)和不同溫度(b)的電鍍?nèi)芤褐械膭?dòng)電位極化曲線。結(jié)果表明，鋅合金在電鍍?nèi)芤褐斜憩F(xiàn)為活化金屬行為，合金在鍍液中不生成保護(hù)性鈍化膜，極化電位增大，陽極電流密度急劇增大。

圖1 ZAT10鋅合金在不同檸檬酸鈉含量和不同溫度鍍液中的動(dòng)電位極化曲線Figure 1 Potentiodynamic polarization curves for ZAT10 zinc alloy in citrate bath with different contents of sodium citrate and at various temperatures

從圖1a可以看出，改變鍍液配位劑檸檬酸鈉的含量，對陽極極化曲線有明顯影響。增大檸檬酸鈉含量，自腐蝕電位負(fù)移，自腐蝕電流減小，說明檸檬酸鈉有減緩鋅合金基體腐蝕的作用。從圖1b可以看出，鍍液溫度對鋅合金基體的腐蝕有顯著影響。提高鍍液溫度，自腐蝕電位差別不大，但自腐蝕電流卻急劇增大，最大值與最小值之間可相差3個(gè)數(shù)量級。

3. 2 電化學(xué)阻抗譜

圖2是ZAT10鋅合金在電鍍鎳溶液中的電化學(xué)阻抗譜。

圖2 ZAT10鋅合金在檸檬酸鹽鍍鎳液中的電化學(xué)阻抗譜Figure 2 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) for ZAT10 zinc alloy in citrate nickel electroplating bath

電化學(xué)阻抗譜由高頻區(qū)容抗弧和低頻區(qū)感抗弧組成，容抗弧半徑的大小代表腐蝕過程的電荷傳遞過程阻力的大小。從圖2可以看出，鍍液添加檸檬酸鈉后，容抗弧半徑增大，表明腐蝕過程阻力增大，腐蝕減緩。檸檬酸鈉含量為120 g/L時(shí)的高頻容抗弧出現(xiàn)變形，表明腐蝕反應(yīng)屬于含有吸附型阻抗的電荷傳遞控制體系，在腐蝕過程出現(xiàn)吸附反應(yīng)，可能是由鍍液中存在緩蝕劑所引起。比較鍍液溫度變化對阻抗譜圖的影響可以看出：溫度增大，腐蝕反應(yīng)加劇。3條阻抗譜圖均出現(xiàn)低頻感抗弧，表明在鋅合金表面形成了腐蝕中心，并出現(xiàn)點(diǎn)蝕反應(yīng)。

3. 3 浸泡實(shí)驗(yàn)

圖3為ZAT10鋅合金在檸檬酸鹽鍍鎳液中浸泡30 min后的表面形貌圖。從圖3可看出，鍍液浸泡30 min后，鋅合金試樣被腐蝕，出現(xiàn)大量孔蝕留下的小孔。

圖3 ZAT10鋅合金在檸檬酸鹽鍍鎳液中浸泡30 min后的表面形貌Figure 3 Surface morphology of ZAT10 zinc alloy after immersion in citrate nickel electroplating bath for 30 min

圖4為ZAT10鋅合金在不同檸檬酸鈉含量、不同溫度鍍液中浸泡30 min后的EDS分析數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn)，提高鍍液檸檬酸鈉含量，腐蝕鋅合金表面基底氧和鎳含量相差不大；而提高鍍液溫度，腐蝕鋅合金表面氧含量增大，由25 °C的3.28%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增大到45 °C的12.53%，同時(shí)伴隨明顯鎳元素的取代反應(yīng)，表面鎳含量高達(dá)15%。

圖4 ZAT10鋅合金在不同檸檬酸鈉含量、不同溫度的鍍鎳液中浸泡30 min后的能譜圖Figure 4 Energy-dispersive spectra for ZAT10 zinc alloy after immersion in citrate nickel electroplating bath with different contents of sodium citrate and at various temperatures for 30 min

4 結(jié)論

電化學(xué)方法監(jiān)測ZAT10鋅合金在電鍍?nèi)芤褐械碾娀瘜W(xué)腐蝕行為。從極化曲線上可以發(fā)現(xiàn)，合金腐蝕表現(xiàn)為活化金屬行為，不生成保護(hù)性鈍化膜；檸檬酸鈉具有緩蝕作用，而提高鍍液溫度有加劇腐蝕作用。電化學(xué)阻抗譜進(jìn)一步表明電鍍?nèi)芤褐袡幟仕徕c的緩蝕作用以及鋅合金的點(diǎn)蝕反應(yīng)。電鍍?nèi)芤旱慕輰?shí)驗(yàn)結(jié)果直觀印證了提高溫度加劇腐蝕與鎳取代反應(yīng)的作用以及鋅合金的點(diǎn)蝕腐蝕形式。

[1] SAVA?KAN T. The structure and properties of zinc-aluminium based bearing alloys [D]. Birmingham: University of Aston, 1980.

[2] 孫連超, 張承. 變形Zn–Cu–Ti鋅合金的性能及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程材料, 1992, 16 (2): 29-34.

[3] GERVAIS E, LEVERT H, BESS M. The development of a family of zinc-based foundry alloys [J]. Transactions of the American Foundrymen’s Society, 1980, 88: 183-194.

[4] 郭天立, 楊如中, 陳銳, 等. 鋅合金發(fā)展現(xiàn)狀述評[J]. 有色礦冶, 2001, 17 (5): 37-40.

[5] 寧波博威集團(tuán)有限公司. 高強(qiáng)度高韌性的鋅基合金線材或棒材的制造方法: CN, 1974811 [P]. 2007–06–06.

[6] ZHANG X G. Corrosion and Electrochemistry of Zinc [M]. New York: Plenum Press, 1996.

[7] 陳天玉. 鍍鎳工藝基礎(chǔ)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

Corrosion behavior of deformed zinc alloy in citrate nickel plating bath //

WU Hao-jie, KE Zhi-qin, SONG Zhen-lun*, SHEN Lei

The corrosion behavior of deformed zinc alloy in citrate nickel electroplating solution was studied by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The morphology and composition of the corroded surface were characterized by scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy. The results showed that the zinc alloy suffers from active dissolution in the bath and its corrosion is inhibited by sodium citrate. The corrosion of zinc alloy and the replacement reaction of Ni are accelerated with increasing bath temperature.

deformed zinc alloy; citrate nickel electroplating; corrosion behavior

Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China

TQ153.12

A

1004 – 227X (2010) 12 – 0011 – 03

2010–07–15

國家支撐計(jì)劃（2009BAE71B05）；寧波市重大科技攻關(guān)（2008B10026）

吳浩杰（1982–），男，浙江舟山人，碩士，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧系母g與防護(hù)。

宋振綸，研究員，(E-mail) songzhenlun@nimte.ac.cn。

[ 編輯：吳定彥 ]