机械研磨电镀锌-铁合金镀层及其耐蚀性的研究

2018-10-09

电镀与环保 2018年5期

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）

0 前言

锌-铁合金镀层在干燥的空气中对基体具有稳定的保护作用。在潮湿的空气中，锌-铁合金镀层表面会形成一层由碳酸盐或氧化物组成的白色薄膜，可以防止镀层的进一步破坏。锌-铁合金镀层不但对大气腐蚀有防护能力，而且对汽油、煤油、润滑油等油类有很高的防锈能力，可用于油类设备管道的防腐蚀。以往关于锌-铁合金镀层的研究大多集中在配方的改进上[1]。本实验在普通锌-铁合金的电镀过程中施加机械研磨作用，制得机械研磨电镀锌-铁合金镀层[2]。研究发现，该镀层的组织结构致密，晶粒达到了纳米晶尺寸，耐蚀性更好。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料为普通级碳素钢Q235。电镀前，试样依次经过砂纸打磨、丙酮除油、无水乙醇清洗、活化处理。

1.2 镀液配方

氯化锌100 g/L，硫酸亚铁10 g/L，氯化钾180 g/L，抗坏血酸1.2 g/L，硼酸20 g/L，柠檬酸钠16 g/L，聚乙二醇1.2 g/L。

1.3 实验装置

制备普通锌-铁合金镀层时，电镀电源选择实验室专用电镀电源，电流为1.5 A/dm2，电镀时间为15 min。机械研磨电镀锌-铁合金镀层的制备选择与普通电镀锌-铁合金镀层相同的镀液配方和工艺参数。机械研磨电镀装置如图1所示。向镀槽中添加不同直径的玻璃球，通过玻璃球对镀层进行冲击研磨作用，制备机械研磨电镀锌-铁合金镀层。

图1 机械研磨电镀装置

1.4 性能测试

1.4.1 微观形貌及成分分析

采用扫描电子显微镜观察镀层的微观形貌，并采用配套的能谱仪对镀层进行成分分析。

1.4.2 浸泡试验

在3.5%的NaCl溶液中，测量镀层的开路电位。

1.4.3 电化学测试

采用CS310型电化学工作站进行电化学测试。采用普通的三电极系统，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。试验溶液为3.5%的NaCl溶液。对两种镀层分别进行极化曲线分析和交流阻抗分析。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

普通锌-铁合金镀层和机械研磨电镀锌-铁合金镀层的微观形貌分别如图2和图3所示。由图2和图3可知：普通锌-铁合金镀层的晶粒较大，呈明显的晶胞状。这是因为普通锌-铁合金镀层的晶粒大小是由表面能控制的。而机械研磨电镀锌-铁合金镀层表面平整、致密，出现了纳米晶组织。这是因为机械研磨电镀锌-铁合金镀层的晶粒在长大过程中，不仅受到表面能的制约，还受到玻璃球的研磨冲击作用，限制了晶粒的继续长大；同时，电镀过程中与基体结合不够牢固的镀层被冲击作用剥离基体，使得阴极极化作用进一步提高，得到的晶粒更加细小、结构更加致密[3]。

图3 机械研磨电镀锌-铁合金镀层的微观形貌

普通锌-铁合金镀层和机械研磨电镀锌-铁合金镀层的能谱图分别如图4和图5所示。由图4和图5可知：两种镀层中铁的质量分数都比较低，维持在0.8%～2.0%之间。经过前人的研究，铁的质量分数在此区间的锌-铁合金镀层的耐蚀性良好。不同的是，机械研磨电镀锌-铁合金镀层中铁的质量分数比普通锌-铁合金镀层中铁的质量分数略低。这可能是因为机械研磨提高了锌-铁合金镀层的异常共沉积，使得锌优先沉积，铁的沉积受到抑制[4]，所以机械研磨电镀锌-铁合金镀层中铁的质量分数偏低。

图4 普通锌-铁合金镀层的能谱图

图5 机械研磨电镀锌-铁合金镀层的能谱图

2.2 镀层浸泡分析

图6为两种镀层的开路电位随时间的变化曲线。由图6可知：机械研磨电镀锌-铁合金镀层的自腐蚀电位略低于普通锌-铁合金镀层的自腐蚀电位，腐蚀倾向更大。这可能是因为机械研磨电镀锌-铁合金镀层中铁的质量分数比普通锌-铁合金镀层中铁的质量分数低，导致自腐蚀电位较低。同时，普通锌-铁合金镀层和机械研磨电镀锌-铁合金镀层的自腐蚀电位都随时间的推移而不断升高，但是机械研磨电镀锌-铁合金镀层的自腐蚀电位的上升速率较慢。其原因是随着时间的推移，镀层不断溶解，阳极面积不断减小，阴极面积不断增大，造成了自腐蚀电位不断升高。但是机械研磨电镀锌-铁合金镀层的结构比较致密，延缓了腐蚀过程，自腐蚀电位的上升速率较慢。

图6 两种镀层的开路电位随时间的变化曲线

2.3 极化曲线分析

图7为两种镀层的极化曲线。由图7可知：普通锌-铁合金镀层和机械研磨电镀锌-铁合金镀层的极化曲线均表现出活化钝化过程。这是因为镀层中锌的质量分数较高，作为阳极，优先溶解，其溶解过程表现出活化特征。随着阳极极化电位的升高，镀层表现出钝化特征。其原因可能是由于腐蚀产物的积累，形成了一层难溶性的氧化物薄膜，阻碍腐蚀过程的进行[5]。而机械研磨电镀锌-铁合金镀层的自腐蚀电流要比普通锌-铁合金镀层的自腐蚀电流小，同时其拥有更低的钝化电位，耐蚀性更好。这是因为机械研磨电镀锌-铁合金镀层结构致密，晶粒细小。