电流密度对硫酸盐镀锌层性能的影响

邢乐红*，黎德育李宁崔术新

（1.牡丹江师范学院化学化工学院，黑龙江 牡丹江 157012；2.哈尔滨工业大学化工学院，黑龙江 哈尔滨 150001）



电流密度对硫酸盐镀锌层性能的影响

邢乐红1，2，*，黎德育2，李宁2，崔术新1

（1.牡丹江师范学院化学化工学院，黑龙江 牡丹江 157012；2.哈尔滨工业大学化工学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

采用由90 g/L Zn2+和6 g/L浓硫酸组成的镀锌液，在电流密度3 ～ 9 A/dm2和温度50 °C的条件下电镀锌475 s。分析了电流密度对镀锌层表观质量（明度）、微观形貌和耐蚀性的影响。结果表明，随电流密度增大，镀锌层的表观质量、微观形貌和耐蚀性均先改善后变差。当电流密度为4 A/dm2时，镀锌层的厚度为10 μm，综合性能最好。

低碳钢；硫酸盐镀锌；电流密度；明度；微观形貌；耐蚀性

First-author's address: School of Chemistry and Chemical Engineering， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang 157012， China

硫酸盐镀锌具有成本低廉、耐蚀性好、机械性能好和可大电流快速施镀等优点，被广泛应用于能源、建筑、汽车、家电等行业用钢板的表面处理［1-4］。钢板表面镀锌层的性能特别是镀层的表观质量和耐蚀性直接影响钢板的加工性能、涂漆效果和使用寿命［5-6］。电流密度是镀锌工艺中的重要参数之一，它对成本、生产效率和镀层质量的影响很大［7］。目前，对硫酸盐镀锌的研究主要集中在镀液组成的优化及操作条件的调控上［8］，而电流密度对镀层性能的影响尚未得到细致研究。本文系统地分析了电流密度对镀层表观质量、微观结构和耐蚀性的影响，获得了表面洁白、细致、均匀的镀锌层。

1　实验

1. 1 工艺流程及基本工艺

除油（十二烷基磺酸钠5 g/L，50 °C，20 min）→水洗→酸洗（质量分数为5%的稀硫酸）→水洗→电镀。

选用10 cm × 5 cm的低碳钢板作基体，在方形塑料镀槽中电镀，镀液组成为：Zn2+（以ZnSO4·7H2O的形式加入）90 g/L，硫酸6 g/L。采用恒温水浴控制镀液温度为50 °C，时间为475 s。

1. 2 性能检测

1. 2. 1 明度

采用杭州轻通仪器有限公司生产的XND-1型明度测试仪测定镀锌层的明度，明度越大，则镀层表观质量越好。每个试片在对角线上5个不同点进行测定并取平均值。相同的工艺条件平行镀3个试片，最后取3个试片的平均明度。

1. 2. 2 微观形貌

采用日本日立S-4700型扫描电子显微镜（SEM）观察镀锌层的微观形貌。

1. 2. 3 耐蚀性

采用上海辰华的CHI660电化学工作站测定镀锌层（有效面积为1 cm2）的塔菲尔（Tafel）曲线，电解液为3.5%的NaCl溶液，辅助电极为1 cm × 1 cm的Pt片，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），扫描速率为10 mV/s。

2　结果与讨论

2. 1 电流密度范围的确定

采用267 mL赫尔槽，以10 cm × 10 cm的低碳钢板为基体进行赫尔槽试验，电流为1.9 A，温度为50 °C，时间为475 s，结果见图1。

图1 赫尔槽试片镀层外观示意图Figure 1 Schematic diagram showing the appearance of zinc coating on Hull cell test coupon

从图1可知，在离近端1.0 ～ 3.2 cm的距离范围内，镀层的明度较高，按式（1）算得对应电流密度范围为4.66 ～ 9.69 A/dm2。因此，下文在3 ～ 9 A/dm2的电流密度范围内电镀锌，以研究电流密度对镀锌层性能的影响。

jk= I （5.10 - 5.24lg l） （1）

式中，jk为阴极上某点的电流密度（A/dm2），I为施镀电流（A），l为离近端的距离（cm）。

2. 2 电流密度对镀锌层表观质量的影响

电流密度对镀锌层明度的影响如图2所示。从图2可知，随电流密度增大，镀层明度先增大后降低。电流密度为4 A/dm2时，镀层的明度最高，表观质量最好。这是由于随电流密度增大，阴极极化增强，有利于形成结晶细致的镀层。但电流密度过高时，电化学反应速率较快，电极附近的离子质量传递成为控制步骤，浓差极化增强，有可能造成镀锌层结晶粗大。

图2 电流密度对镀锌层明度的影响Figure 2 Effect of current density on luminosity of zinc coating

2. 3 电流密度对镀锌层微观结构的影响

不同电流密度下镀锌层的SEM照片如图3所示。从图3可知，随电流密度增大，镀层的晶粒先减小后增大。电流密度为4 A/dm2时，结晶最细小、致密。电流密度≥5 A/dm2时，镀锌层的晶粒呈现明显的六边形，结晶层的不规则程度加深。这主要是因为随电流密度增大，阴极的电化学极化增强，有利于形成细小的晶粒，得到致密的镀层。电流密度过高时，浓差极化增强，使得结晶粗大。这也说明镀层微观结构均匀、细致是表观质量改善的主要原因。

图3 电流密度对镀层微观形貌的影响Figure 3 Effect of current density on microscopic morphology of zinc coating

2. 4 电流密度对镀锌层耐蚀性的影响

对不同电流密度下所得镀锌层进行Tafel曲线测试以比较其耐蚀性，结果如图4所示。对应的腐蚀电位φcorr和腐蚀电流密度jcorr列于表1。由图4及表1可知，当电流密度为4 A/dm2时，镀锌层的腐蚀电位最正，腐蚀电流密度最小，因此耐蚀性最好。

图4 不同电流密度下所得镀锌层在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲线Figure 4 Tafel curves in 3.5% NaCl solution for zinc coatings obtained at different current densities

表1　不同电流密度下所得镀层的电化学腐蚀参数Table 1 Electrochemical corrosion parameters of zinc coatings obtained at different current densities

综上可知，采用本体系电镀锌层的最佳电流密度为4 A/dm2，在该电流密度下电镀475 s可得厚度为10 μm的镀锌层。

3　结论

电流密度对镀锌层性能具有较大的影响，随电流密度增大，镀层的表观质量、微观结构和耐蚀性均先改善后变差，较适宜的电流密度为4 A/dm2，在该电流密度下电镀475 s可得厚度为10 μm的镀锌层。

［1］ 李宁， 黎德育， 何局化， 等. 硫酸盐镀锌过程中金属杂质的影响［J］. 电镀与环保， 2000， 20 （5）: 12-14.

［2］ 张小勇. 溶锌技术在无氰碱性镀锌中的应用［J］. 电镀与涂饰， 2015， 34 （21）: 1238-1241.

［3］ 陈涛， 郭瑞光. 硫化钠对镀锌钢表面铈盐转化膜耐蚀性的影响［J］. 电镀与涂饰， 2015， 34 （11）: 615-620.

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［ 编辑：周新莉 ］

Effect of current density on properties of zinc coating electroplated from a sulfate bath

XING Le-hong*， LI De-yu，LI Ning， CUI Shu-xin

Zinc electroplating was carried out in a bath containing 90 g/L Zn2+and 6 g/L concentrated sulfuric acid under the following conditions: current density of 3-9 A/dm2， temperature 50 °C， and time 475 s. The effect of current density on the properties of zinc coating including apparent quality （luminosity）， microscopic morphology and corrosion resistance was analyzed. The results showed that the apparent quality， microscopic morphology and corrosion resistance of zinc coating are improved initially and then decreased with the increasing of current density. The zinc coating obtained at a current density of 4 A/dm2has a thickness of 10 μm and the best comprehensive performance.

mild steel； sulfate zinc electroplating； current density； luminosity； microscopic morphology； corrosion resistance

TQ153.15

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0394 - 04

2016-03-08

2016-03-14

牡丹江师范学院博士科研启动基金项目（MSB201208）；牡丹江师范学院国家级重点创新预研项目（GY201201）；黑龙江省青年科学基金项目（QC2014C009）；牡丹江市科学技术计划项目（G2013f1407）。

邢乐红（1983-），女，山东武城县人，博士，讲师，主要从事金属表面处理及化学电源等方面的研究。

作者联系方式：（E-mail） xinglehonghit@126.com。