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被廣泛關(guān)注的一種新型防護性鍍層。在電沉積堿性鋅-鎳合金鍍層的過程中，研究了電流密度對鍍層中鎳的質(zhì)量分數(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被廣泛關(guān)注的一種新型防護性鍍層，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)量分數(shù)為10%～15%時，其耐蝕性優(yōu)于鍍鎘層的，可在惡劣的工業(yè)大氣及嚴酷的海洋環(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，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，目前國內(nèi)關(guān)于電流密度對鋅－鎳合金鍍層影響的文獻較少。本文主要通過分析電鍍堿性鋅－鎳合金中電流密度對鍍層的影響，從而進一步了解電流密度影響下的沉積規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗材料

陽極為純鎳板，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 實驗設(shè)備及其用途

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

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層中鎳的質(zhì)量分數(shù)

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

圖1 電流密度對鍍層中鎳的質(zhì)量分數(shù)的影響

2.2 微觀形貌

圖2為電流密度對鍍層微觀形貌的影響。電流密度過低時，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，晶粒細小，此時電流密度在適當(dāng)范圍內(nèi)，陰極極化作用較強。圖2（c）所示的鍍層不平整，晶粒粗大，并且出現(xiàn)了裂紋。這主要是因為電流密度過大時，陰極附近析氫嚴重，鍍層內(nèi)應(yīng)力大，同時陰極附近的鋅、鎳離子得不到及時補充，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)進行，此體系最佳的電流密度范圍為1～4A/dm2。

圖2 電流密度對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)量分數(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。電流密度較低時，電流平臺較短且不平整，說明反應(yīng)過程受擴散控制［6］。隨著電流密度的增加，鍍層的自腐蝕電位總體呈負移趨勢，自腐蝕電流密度呈遞增趨勢。電流密度的增加，使鍍層析氫加重，缺陷增加，其耐蝕性下降。同時可以看出：當(dāng)電流密度為2A/dm2左右時，鍍層的耐蝕性較強。

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)量分數(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，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，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，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，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，陰極附近析氫嚴重，鍍層內(nèi)應(yīng)力大，并伴隨著少量的裂紋出現(xiàn)，此時鍍層阻抗較小，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－鎳合金實驗中，隨著電流密度的增加，鍍層中鎳的質(zhì)量分數(shù)減小，但變化不大；電流密度為1～4A/dm2時，晶粒均勻，光亮致密；電流密度為2A/dm2時，鍍層的耐蝕性較強，所以實驗最終確定電流密度為2A/dm2。

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

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

［3］田偉，吳向清，謝發(fā)勤.Zn-Ni合金電鍍的研究進展［J］.材料保護，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