周 楠， 丁 毅， 馬立群

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

Q 235鋼表面電鍍鎳及其性能的研究

周 楠， 丁 毅， 馬立群

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

在Q 235鋼表面電鍍鎳，以提高低碳鋼表面的耐蝕性和可焊接性。對(duì)堿洗、酸洗、活化等前處理工藝進(jìn)行了研究，著重研究了直流電鍍和脈沖電鍍的工藝參數(shù)和鍍鎳層的性能。結(jié)果表明：直流鍍鎳層和脈沖鍍鎳層都較為均勻、致密、無明顯缺陷，且脈沖鍍鎳層比直流鍍鎳層結(jié)構(gòu)更加緊密；加攪拌后所得鍍層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于不加攪拌時(shí)所得鍍層的；脈沖鍍鎳層的自腐蝕電位明顯高于直流鍍鎳層的，且加攪拌后，自腐蝕電位進(jìn)一步提高。

Q 235鋼；電鍍鎳；直流電鍍；脈沖電鍍；攪拌

0 前言

隨著電池行業(yè)的蓬勃發(fā)展，迫切需要企業(yè)生產(chǎn)高性能的電池外殼。國內(nèi)傳統(tǒng)二次電池和一次堿性電池的鋼殼生產(chǎn)工藝是用低碳鋼帶沖壓成型后，再用滾鍍鎳的方式鍍一層金屬鎳，用于提高耐蝕性。該方法會(huì)造成電池鋼殼內(nèi)孔漏鍍及鍍層厚度不均，使電池的使用壽命降低。目前最先進(jìn)的方法是先對(duì)低碳鋼帶鍍鎳，然后再對(duì)鍍鎳的鋼帶進(jìn)行深沖，直接得到鍍鎳的電池鋼殼。這種生產(chǎn)工藝具有效率高、速率快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是必須保證鍍層完整，不能有裂紋、皺折，更不能脫落。本文著重研究了直流電鍍和脈沖電鍍的工藝參數(shù)以及鍍鎳層的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

前處理的目的是去除基體表面的油脂、污垢及氧化物，從而獲得清潔、有催化能力的光滑表面。前處理是決定鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。如果前處理不當(dāng)，基體表面的氧化物或其他腐蝕產(chǎn)物沒有被去除干凈，會(huì)引起鍍層孔隙率增加、結(jié)合力降低以及外觀質(zhì)量變差等問題，甚至?xí)?dǎo)致部分區(qū)域鍍不上鍍層。因此，前處理工藝的選擇和實(shí)施對(duì)鍍層質(zhì)量有重要作用。實(shí)驗(yàn)所用的陽極材料為純鎳板。工藝流程為：打磨—→丙酮超聲波除油—→水洗—→堿性除油—→水洗—→活化—→水洗—→電鍍—→水洗—→吹干。

1.2 鍍液配方及工藝條件

硫酸鎳320g/L，氯化鎳45g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸鈉0.5g/L，pH值4.1～4.2，平均電流密度2A/dm2，占空比0.4，頻率40Hz，（55±2）℃，10min。

1.3 測(cè)試方法

將浸過試液的潮濕濾紙貼在經(jīng)過清潔處理的試件表面上。濾紙與清潔表面之間應(yīng)無氣泡。必要時(shí)可用滴管向貼好的濾紙補(bǔ)加試液，使其在測(cè)定時(shí)間內(nèi)保持濕潤。到時(shí)間后，取下印有孔隙斑點(diǎn)的濾紙，用蒸餾水沖洗，放在清潔玻璃板上，干燥后計(jì)算孔隙數(shù)目。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖1為鍍鎳層的SEM照片。由圖1可知：與直流鍍鎳層相比，脈沖鍍鎳層結(jié)晶更加致密、晶粒更加細(xì)小，缺陷較少。由于脈沖峰值電流密度比對(duì)應(yīng)的直流電流密度高，因而在脈沖電沉積時(shí)電極表面吸附的原子總數(shù)比直流電沉積時(shí)的多，所形成的大量晶核稍長大便由于脈沖關(guān)斷而停止生長，在下一個(gè)脈沖導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)又會(huì)形成很多新的晶核，其結(jié)果是使成核速率增大。在脈沖電沉積過程中，新晶核的形成占主導(dǎo)地位而晶核的生長占次要位置，因此，形成的沉積層具有較細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)；同時(shí)，高脈沖電流密度所導(dǎo)致的高過電位也有利于提高成核速率，從而促進(jìn)晶粒的細(xì)化［1－2］。比較加攪拌的鍍層和未加攪拌的鍍層，可以看出：加入攪拌以后，鍍層更加致密，晶粒更加細(xì)小。由于攪拌的作用，使溶液本體的濃度和電極附近的濃度趨于一致，使?jié)獠顦O化減弱，從而得到致密的鍍層。

圖1 鍍鎳層的SEM照片

2.2 物相分析

圖2為直流鍍鎳層和脈沖鍍鎳層的XRD衍射圖譜。結(jié)合圖譜和XRD分析可知，鎳的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)。將XRD衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照發(fā)現(xiàn)：在2θ為45°，52°，77°時(shí)，分別對(duì)應(yīng)于鎳的（111），（200），（220）晶面。由圖2可知：總體而言，脈沖電鍍的衍射峰強(qiáng)度比直流電鍍的強(qiáng)，但是兩者在（111）晶面的衍射峰都很強(qiáng)，而在（220）晶面的衍射峰都較弱。根據(jù)晶體比表面能量最小化原理，面心立方格子構(gòu)造的鎳晶體中以（111）晶面優(yōu)先發(fā)育。而且（200）型含量的增加也使得鍍層更加均一，得到結(jié)晶更加致密、均勻的鍍層，有利于提高鍍層的耐蝕性。

圖2 直流鍍鎳層和脈沖鍍鎳層的XRD衍射圖譜

2.3 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)

采用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)人工加速鍍層腐蝕的方法，按照 GB 10125-1997和 GB/T 6461-2002，評(píng)定鍍鎳層的耐蝕性。實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液，pH值為6.8，實(shí)驗(yàn)箱溫度為（35±2）℃，飽和空氣桶溫度為47℃。試樣的測(cè)試面與垂直方向成30°，表面膜層除測(cè)試面外其他各面用504膠密封保護(hù)，連續(xù)噴霧。根據(jù)膜層出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)、起泡或者起皮的時(shí)間來評(píng)價(jià)表面保護(hù)膜層的耐蝕性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：脈沖鍍鎳層出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)的時(shí)間多于直流鍍鎳層的，并且腐蝕的區(qū)域也小于直流鍍鎳層的。因此，可以判斷脈沖鍍鎳層的耐蝕性優(yōu)于直流鍍鎳層的。比較加攪拌和未加攪拌的鍍鎳層后發(fā)現(xiàn)：加入攪拌后，鍍層較長時(shí)間后才出現(xiàn)腐蝕，說明鍍層的耐蝕性變好。

2.4 陽極極化曲線

圖3為不同條件下所得鍍鎳層在濃度為6 mol/L的KOH溶液中的陽極極化曲線，經(jīng)分析所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表2所示。由圖3和表2可知：直流鍍鎳層和脈沖鍍鎳層的極化曲線形狀相似，直流鍍鎳層的自腐蝕電位為－0.56V，脈沖鍍鎳層的自腐蝕電位為－0.32V。脈沖鍍鎳層的致鈍電位比直流鍍鎳層的高，并且此時(shí)的自腐蝕電流密度較小。處在強(qiáng)極化區(qū)時(shí)，由于生成鎳的氫氧化物而發(fā)生二次鈍化現(xiàn)象［3］，發(fā)生在圖中的拐點(diǎn)處。電位更正時(shí)為析氧反應(yīng)，此時(shí)可以觀察到氣泡的產(chǎn)生。比較脈沖電鍍和直流電鍍后發(fā)現(xiàn)：脈沖電鍍材料的自腐蝕電位明顯變正，并且自腐蝕電流密度降低很多，表明脈沖電鍍的耐蝕性優(yōu)于直流電鍍的［4－7］。加入攪拌后，鍍層的致鈍電位比不加攪拌時(shí)的高，并且此時(shí)自腐蝕電流密度較小，說明加攪拌以后鍍層的耐蝕性有所提高。這與中性鹽霧實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致。

圖3 鍍鎳層的陽極極化曲線

表2 擬合數(shù)據(jù)表

2.5 孔隙率的測(cè)定

鍍層孔隙率的測(cè)定結(jié)果，如表3所示。由表3可知：脈沖鍍鎳層的孔隙率比直流鍍鎳層的低。因?yàn)槊}沖電鍍關(guān)斷時(shí)間的存在使得沉積金屬離子的質(zhì)量濃度回升，比在直流電下有更高的沉積速率，促使鍍層均勻分布，孔隙率降低。此外，加攪拌后鍍層的孔隙率變小。這是因?yàn)閿嚢杩梢蕴岣哧帢O電流密度，加速氫氣泡的逸出，縮短其滯留在陰極表面的時(shí)間，有效地減少鍍層的針孔和麻點(diǎn)［8－10］。

表3 鍍層孔隙率的測(cè)定

3 結(jié)論

（1）與直流鍍鎳層相比，脈沖鍍鎳層結(jié)晶更加致密、晶粒更加細(xì)小，缺陷較少；并且加入攪拌以后，鍍層更加致密、晶粒更加細(xì)小。脈沖鍍鎳層和直流鍍鎳層都為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，并且都有（111）晶面的擇優(yōu)取向，但是脈沖鍍鎳層在（200）晶面的衍射強(qiáng)度增加，使鍍層更加致密。

（2）中性鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖結(jié)合攪拌所得鍍層在6h后出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)，直流結(jié)合攪拌所得鍍層在3h后出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)，而不加攪拌所得的鍍層約在0.5h和1.5h時(shí)就出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)。

（3）電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：脈沖電鍍和直流電鍍都發(fā)生了二次鈍化現(xiàn)象，并且脈沖鍍鎳層的自腐蝕電位比直流鍍鎳層的提高了240mV；加攪拌后，自腐蝕電位進(jìn)一步提高。這表明脈沖鍍鎳層比直流鍍鎳層具有更好的耐蝕性，且加攪拌后耐蝕性進(jìn)一步提高。

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A Study of Nickel Plating on Q 235Steel Surface and Ⅰts Properties

ZHOU Nan， DⅠNG Yi， MA Li-qun
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

The surface of Q 235steel was electroplated a nickel coating for enhancing its corrosion resistance and weldability.The pretreatment processes，including alkaline cleaning，acid pickling，activation，etc.，were studied.The research was focused on the technological parameters of DC plating and pulse plating as well as the properties of the nickel coating.The results show that both nickel coatings obtained by DC plating and pulse plating are uniform and compact without obvious defects，and the pulse nickel coating is more compact than that obtained by DC plating；the coating obtained with agitation is obviously superior to that obtained without agitation；the self-corrosion potential of the pulse nickel coating is obviously higher than that of the DC nickel coating，and the self-corrosion potential is further increased when agitation is used.

Q 235steel；electroplated nickel coating；DC electroplating；pulse electroplating；agitation

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0004-03

2011-09-06