電流密度對(duì)堿性鋅－鎳合金鍍層的影響

胡方敏， 楊東方， 黃 攀

（1.昆明理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，云南 昆明 650500；2.北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650000）

電流密度對(duì)堿性鋅－鎳合金鍍層的影響

胡方敏1， 楊東方1， 黃 攀2

（1.昆明理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，云南 昆明 650500；2.北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650000）

鋅-鎳合金鍍層是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的一種新型防護(hù)性鍍層。在電沉積堿性鋅-鎳合金鍍層的過(guò)程中，研究了電流密度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微觀形貌、塔菲爾曲線、交流阻抗譜圖的影響，從而獲得最佳的電流密度。

鋅－鎳合金；電流密度；微觀形貌；塔菲爾曲線；交流阻抗譜圖

0 前言

鋅－鎳合金鍍層是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的一種新型防護(hù)性鍍層，它的耐蝕性是鍍鋅層的3倍以上，可用作代鋅鍍層。另外，當(dāng)鋅－鎳合金鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%時(shí)，其耐蝕性優(yōu)于鍍鎘層的，可在惡劣的工業(yè)大氣及嚴(yán)酷的海洋環(huán)境中使用，是首選的代鎘鍍層［1－4］。鋅－鎳合金鍍層對(duì)氫氣的析出具有催化活性而作為電解水的良好陰極材料［5］；同時(shí)，其具有較高的硬度及良好的成型性、上漆性、可焊性，被廣泛用作航空、航天、輕工、汽車、電子工業(yè)中鋼件的防腐層［6］。但是，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于電流密度對(duì)鋅－鎳合金鍍層影響的文獻(xiàn)較少。本文主要通過(guò)分析電鍍堿性鋅－鎳合金中電流密度對(duì)鍍層的影響，從而進(jìn)一步了解電流密度影響下的沉積規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

陽(yáng)極為純鎳板，陰極為銅板，尺寸為20mm×60mm×1mm。

1.2 工藝流程

銅片打磨—→除油—→除銹—→水 洗—→拋 光—→水洗—→稱重—→電鍍

1.3 鍍液組成及工藝條件

NaOH 100g/L，ZnO 12g/L，NiSO4·6H2O 8 g/L，三乙醇胺（TEA）20g/L，四乙烯五胺（TEPA）25g/L，添加劑ZN5 2g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.1 g/L，室溫，磁力攪拌30min。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其用途

用Genesis Apex系列能譜儀測(cè)定鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；用JSM-6320LV型掃描電鏡（SEM）觀察鍍層的微觀形貌，并測(cè)量晶粒大小；用CHI 760C型電化學(xué)工作站測(cè)試塔菲爾曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1為電流密度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。由圖1可知：當(dāng)電流密度較低時(shí)，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；當(dāng)電流密度較高時(shí)，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。電流密度對(duì)鍍層的影響主要與其引起的陰極極化及擴(kuò)散控制有關(guān)。當(dāng)電流密度較低時(shí)，陰極極化作用小，不利于電位較負(fù)的鋅離子沉積，此時(shí)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。當(dāng)電流密度過(guò)高時(shí)，陰極極化作用過(guò)強(qiáng)，有利于電位較負(fù)的鋅離子沉積，且陰極析氫較嚴(yán)重，電流效率較低，陰極過(guò)程受擴(kuò)散控制，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微下降。

圖1 電流密度對(duì)鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2 微觀形貌

圖2為電流密度對(duì)鍍層微觀形貌的影響。電流密度過(guò)低時(shí)，陰極極化作用弱，鍍層晶粒疏松、粗大，鍍層灰暗且易剝落，見圖2（a）。圖2（b）所示的鍍層光亮、致密，晶粒細(xì)小，此時(shí)電流密度在適當(dāng)范圍內(nèi)，陰極極化作用較強(qiáng)。圖2（c）所示的鍍層不平整，晶粒粗大，并且出現(xiàn)了裂紋。這主要是因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)大時(shí)，陰極附近析氫嚴(yán)重，鍍層內(nèi)應(yīng)力大，同時(shí)陰極附近的鋅、鎳離子得不到及時(shí)補(bǔ)充，陰極凹凸處的電流密度不同，所以出現(xiàn)了凹凸不平的鍍層。電沉積鋅－鎳合金需要在適宜的電流密度范圍內(nèi)進(jìn)行，此體系最佳的電流密度范圍為1～4A/dm2。

圖2 電流密度對(duì)鍍層微觀形貌的影響

2.3 塔菲爾曲線

不同電流密度下所得鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的塔菲爾曲線，如圖3所示。由圖3可知：塔菲爾曲線的陰極極化區(qū)域均出現(xiàn)了電流平臺(tái)。電流密度較低時(shí)，電流平臺(tái)較短且不平整，說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程受擴(kuò)散控制［6］。隨著電流密度的增加，鍍層的自腐蝕電位總體呈負(fù)移趨勢(shì)，自腐蝕電流密度呈遞增趨勢(shì)。電流密度的增加，使鍍層析氫加重，缺陷增加，其耐蝕性下降。同時(shí)可以看出：當(dāng)電流密度為2A/dm2左右時(shí)，鍍層的耐蝕性較強(qiáng)。

圖3 不同電流密度下所得鍍層的塔菲爾曲線

2.4 交流阻抗譜圖

不同電流密度下所得鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的交流阻抗譜圖，如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)電流密度為2～4A/dm2時(shí)，鍍層的容抗弧較大，腐蝕反應(yīng)電阻較大；其中電流密度為2 A/dm2時(shí)，容抗弧最大，鍍層的耐蝕性最好。當(dāng)電流密度為1A/dm2，5A/dm2時(shí)，鍍層的容抗弧較小，鍍層的腐蝕反應(yīng)電阻小，耐蝕性較差。電流密度較低時(shí)，陰極極化作用較小，鍍層晶粒粗大，耐蝕性弱。電流密度較高時(shí)，陰極附近析氫嚴(yán)重，鍍層內(nèi)應(yīng)力大，并伴隨著少量的裂紋出現(xiàn)，此時(shí)鍍層阻抗較小，耐蝕性弱。

圖4 不同電流密度下所得鍍層的交流阻抗譜圖

3 結(jié)論

在電沉積堿性鋅－鎳合金實(shí)驗(yàn)中，隨著電流密度的增加，鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，但變化不大；電流密度為1～4A/dm2時(shí)，晶粒均勻，光亮致密；電流密度為2A/dm2時(shí)，鍍層的耐蝕性較強(qiáng)，所以實(shí)驗(yàn)最終確定電流密度為2A/dm2。

：

［1］黃敬東，吳俊，王銀平，等.堿性鋅－鎳合金電鍍述評(píng)［J］.電鍍與精飾，2003，25（2）：5-7.

［2］蔣永鋒，翟春泉，郭興伍，等.強(qiáng)堿性溶液電鍍鋅鎳合金研究進(jìn)展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，21（4）：586-589.

［3］田偉，吳向清，謝發(fā)勤.Zn-Ni合金電鍍的研究進(jìn)展［J］.材料保護(hù)，2004，37（4）：26-30.

［4］BATES J A.Comparison of alkaline Zn-Ni and acid Zn-Ni as a replacement coating for cadmium ［J］.Plating and Surface Finishing，1994，81（4）：36-40.

［5］HU C C，TSAY C H，BAI A.Optimization of the hydrogen evolution activity on zinc-nickel deposits using experimental strategies［J］.Electrochimica Acta，2003，48（7）：907-918.

［6］俞鋼輝，馮力群.鋼絲連續(xù)電沉積鋅鎳合金及其耐蝕性［J］.上海鋼研，1998（2）：14-17.

Effects of Current Density on Alkaline Zn-Ni Alloy Coating

HU Fang-min1， YANG Dong-fang1， HUANG Pan2
（1.Engineering Training Centre，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.KIRO-CH Photonics Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Zn-Ni alloy coating is a new protective coating widely concerned in recent years.During the electrodeposition of alkaline Zn-Ni alloy coating，effects of current density on the mass fraction of nickel in the coating，micro-morphology，Tafel curve，AC impedance spectra were investigated so that the best current density was obtained.

Zn-Ni alloy；current density；micro-morphology；Tafel curve；AC impedance spectra

TQ 153

A

1000-4742（2014）03-0026-03

2013-12-09