脈沖電流密度對鎳錳復合鍍層結(jié)構(gòu)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(yī)具、日用工業(yè)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(jié)構(gòu)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(fā)生的化學反應會產(chǎn)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(fā)到一種不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)—活化態(tài)，才有可能發(fā)生向反應產(chǎn)物方向的轉(zhuǎn)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(shù)，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(jīng)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(shù)控超聲波清洗器，Quanta FEG 450 場發(fā)射環(huán)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(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對鍍層表面結(jié)構(gòu)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(jié)果與討論

3.1 試片質(zhì)量隨電流密度的變化情況

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

由圖2可知：鍍層質(zhì)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(nèi)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?yōu)樵?，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(guān)方程對電沉積的描述規(guī)律。

圖2 鍍層質(zhì)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(fā)射環(huán)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(xù)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(jīng)過30 d浸泡，取出經(jīng)洗滌、干燥處理后稱其質(zhì)量，經(jīng)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(zhì)量，g；w1為試樣腐蝕后質(zhì)量，g；A為試樣面積，dm2；t為時間，d。

由圖4中數(shù)據(jù)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(xù)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(jié) 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(nèi)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。