循環(huán)伏安法研究鋅-鈷合金的電沉積過程

王方剛

(北京青云航空儀表有限公司，北京 100086)

循環(huán)伏安法研究鋅-鈷合金的電沉積過程

王方剛

(北京青云航空儀表有限公司，北京 100086)

采用循環(huán)伏安法研究了氯化物體系中鋅-鈷合金電鍍的電沉積過程，采用X-射線厚度和成分分析儀測(cè)量了鋅-鈷合金鍍層的厚度和鈷金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)表明，在氯化鉀鋅-鈷合金電鍍槽液可以電鍍鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%的鋅-鈷合金，鈷添加劑的加入，能夠使氫的析出電位負(fù)移，擴(kuò)大了鋅-鈷合金沉積的電位區(qū)間范圍。

鋅-鈷合金;電鍍;循環(huán)伏安法

引 言

鋅合金電鍍是航空工業(yè)重要的防護(hù)性功能鍍層，在航空航天和民用工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。鋅-鈷合金是鋅合金中具有較好抗腐蝕性能的鍍種，特別是鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%就能表現(xiàn)出杰出的抗腐蝕性能，相比鋅-鎳合金必須含有11%左右的鎳才具有良好的耐腐蝕性能，具有較低的合金成本和同樣明顯的耐腐蝕性能。歐盟上世紀(jì)90年代的試驗(yàn)證明，雖然鋅-鈷合金的耐鹽霧試驗(yàn)水平略低于鋅-鎳合金，但在實(shí)際使用過程中證明比鋅-鎳合金的耐腐蝕性能還要好［1，3-5］。我國學(xué)者也對(duì)鋅-鈷合金進(jìn)行了大量的研究，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位都進(jìn)行了許多研究工作，發(fā)表了一些論文［2，6］。但是，對(duì)于氯化物體系的鋅-鈷合金的電化學(xué)過程，還有許多工作要做，特別是新型的添加劑對(duì)于鋅和鈷的還原過程的影響，還沒有得到深入的探討。本文采用循環(huán)伏安法對(duì)鋅-鈷合金

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣準(zhǔn)備

試樣材料45鋼，規(guī)格為100 mm×50 mm×2mm的薄片，用400#水砂紙對(duì)平面及邊緣進(jìn)行打磨，使表面均勻、光亮。

1.2 前處理及施鍍工藝

工藝流程如下:

200#航空汽油清洗→機(jī)械打磨→水洗→電化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→弱腐蝕→冷水洗→中和→冷水洗→鍍鋅-鈷合金→回收處理→冷水洗→一次鈍化→二次鈍化→冷水洗→冷水洗→壓縮空氣吹干→烘干。

試樣準(zhǔn)備好后，按照上述工藝流程進(jìn)行前處理，然后在鋅-鈷合金鍍液中進(jìn)行電鍍，獲得良好的鋅-鈷合金鍍層。

鋅-鈷合金鍍液的配方為:

BZN928是鋅-鈷合金光亮劑用于提高鍍層的光亮度，BZN930是開缸劑用于提高鍍層的分散性能和深鍍能力，BCO908是鈷的絡(luò)合溶液用于增加鈷金屬的含量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

1)采用上海麗榮公司的DDK 10A/10V型霍爾槽試驗(yàn)儀和267mL的標(biāo)準(zhǔn)霍爾槽進(jìn)行試驗(yàn)。

2)采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI 604A型電化學(xué)分析儀(工作站)和三電極體系 (雙鉑電極和甘汞電極)，對(duì)沒有加任何添加劑的基礎(chǔ)溶液和添加了開缸劑BZN 930和光亮劑BZN 928以及添加了鈷鹽的溶液分別測(cè)量循環(huán)伏安曲線，掃描速率為 0.05V/s。

3)采用德國生產(chǎn)的FMC-X-PENT測(cè)厚和成分分析儀，測(cè)量采用上述工藝獲得的霍爾槽試片，厚度和鈷金屬的含量。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

2.1 鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

鋅-鈷合金電鍍霍爾槽試片的鈷金屬從低電流密度區(qū)到高電流密度區(qū)的分布圖見圖1。從圖1可以看出在整個(gè)鍍層中都沉積了鈷金屬，而且鈷含量隨著電流密度的增大而增加。

圖1 鈷在霍爾槽試片上的分布圖

2.2 電鍍鋅-鈷合金霍爾槽試片的厚度分布

從圖2可以看出，鋅-鈷合金電鍍霍爾槽試片高電流密度區(qū)厚度為22μm，低電流密度區(qū)的厚度為2.98μm，兩者的比值為7.38，可以說分散能力能夠滿足工藝要求。

圖2 鋅-鈷合金鍍層藍(lán)白鈍化后的鍍層厚度分布圖

2.3 基礎(chǔ)溶液的循環(huán)伏安曲線

如圖3所示，基礎(chǔ)溶液作相應(yīng)的循環(huán)伏安曲線掃描，沒有添加加開缸劑930、光亮劑928和鈷添加劑BCO的時(shí)候，基礎(chǔ)溶液的循環(huán)伏安曲線是典型的馬鞍型，鋅的還原電位(Zn2+還原為Zn的電位)在 －1.1V，最高的電流的電位在 －1.5V，－1.65V開始產(chǎn)生析氫反應(yīng)。

圖3 沒有添加劑的基礎(chǔ)溶液的循環(huán)伏安曲線

2.4 基礎(chǔ)溶液加開缸劑和光亮劑后的循環(huán)伏安曲線

如圖4所示，加入了酸性鍍鋅的開缸劑930和光亮劑928后，可以明顯的看到產(chǎn)生了極化現(xiàn)象，鋅的還原電位從－1.1伏 極化到－1.4伏，極化幅度達(dá)到300毫伏，氫的析出電位也降低到－1.85伏左右。極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)晶細(xì)致，表面光亮。與參考文獻(xiàn)［7］的闡述完全一致。

圖4 加入開缸劑和光亮劑后的循環(huán)伏安曲線

2.5 基礎(chǔ)溶液加開缸劑和光亮劑再加鈷添加劑后的循環(huán)伏安曲線

如圖5所示，可以看出，鋅的還原電位提高到－1.2V，鋅的最大還原電流在 －1.6V，但氫的析出電位負(fù)移到－2.0V以后?？梢娾捥砑觿┑募尤敫淖兞苏麄€(gè)溶液的鋅和氫的還原電位，在－1.8V左右，可以看到曲線有一個(gè)的突起，這里可能就是鈷的還原電位。

圖5 加入開缸劑、光亮劑后和再加入鈷添加劑后的循環(huán)伏安曲線

3 結(jié)論

通過上述分析，得出以下結(jié)論:

1)采用氯化鉀體系的酸性鍍鋅體系加入適當(dāng)?shù)奶砑觿軌蝈兂鲣\-鈷合金鍍層。

2)氯化鉀體系的鋅-鈷合金鍍層的鈷在0.2% ～0.4%之間。

3)氯化鉀體系的添加劑，使鋅的還原電位負(fù)移，從而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致結(jié)晶細(xì)致，產(chǎn)生光亮作用。

4)鈷添加劑的加入降低了氫的析出電位，增加了鋅-鈷合金沉積的電位區(qū)間。

致謝:

感謝北京航空航天大學(xué)朱立群教授和劉慧蓯博士、郭玉珍碩士研究生，感謝北京藍(lán)麗佳美化工科技中心李家柱教授在本文的創(chuàng)作過程中，給予的大力支持和幫助。

［1］木夏本英彥，小見崇著.合金電鍍［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1989.79.

［2］Shears AP.Zinc-cobolt deposits from an acidchloride electrolyte［J］.Tranns.IMF，1989，67(67):69.

［3］Douglas E Lay CEF Willam E.Eckles.The Fundamental of Zinc/cobalt［J］. Plat.Surf. Finish，1990，77(10):10.

［4］屠振密，李文良，楊哲良.電鍍鋅-鈷合金的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.材料保護(hù)，1992，28(05):42.

［5］David Crotty Zinc Alloy Plating for the Auto-motive Industry Met［J］.Fin，1996，94(9):54.

［6］郭鶴桐.復(fù)合鍍層-復(fù)合材料中的一支新軍［J］.材料保護(hù)，1990，(1-2):55.

［7］吳純素，黃子勛.電鍍?cè)恚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986:107.

Investigation of Zinc-Cobalt Alloy Electrodeposition Process with Cyclic Voltammetry Method

WANG Fang-gang
(Beijing Keeven Aviation Instrument Co.，LTD.，Beijing 100086，China)

The electrodeposition process of zinc-cobalt alloy coating was investigated by using cyclic voltammetry method，and the thickness and content of cobalt of zinc-cobalt coating was measured with X-ray thickness and composition analyses instrument.The results show that zinc-cobalt alloy coating which contains 0.2% ～0.4%cobalt could be electrodeposited from potassium-cobalt chloride system.With the addition of cobalt，the potential of hydrogen evolution moves negatively，and the potential range of zinc-cobalt co-deposition increases obviously.

zinc-cobalt alloy;electrodeposition;cyclic voltammetry method

TQ153.2

A

1001-3849(2011)06-0036-03

2010-07-02

2011-03-11的電沉積過程進(jìn)行初步的研究。