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        脈沖占空比對電沉積Sn-Ni-Mn合金鍍層的影響

        2018-04-25 05:08:05孟慶波齊海東楊海麗
        濕法冶金 2018年2期
        關(guān)鍵詞:電流效率耐蝕性鍍層

        孟慶波,齊海東,盧 帥,郭 昭,楊海麗

        (華北理工大學(xué) 現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點實驗室,河北 唐山 063210)

        鋼鐵材料長期暴露在高鹽高濕海洋環(huán)境中腐蝕速率較快,嚴(yán)重影響使用壽命,同時也存在巨大安全隱患[1-2]。采用表面改性技術(shù),在鋼材表面制備防腐蝕合金鍍層可以提高材料的耐蝕性?;瘜W(xué)鍍與電沉積是常用的制備合金鍍層方法。近年來電沉積技術(shù)也得到拓寬和發(fā)展,目前應(yīng)用較多的電沉積方法有直流電沉積[3]、脈沖電沉積[4]、超聲電沉積[5]、噴射電沉積[6]和陰極旋轉(zhuǎn)電沉積[7]等。脈沖電沉積技術(shù)能夠獲得導(dǎo)電率高和致密性好的沉積層,對降低濃差極化、提高陰極電流密度、改善鍍層物理性能和減少添加劑使用有較好效果[8]。脈沖電沉積法制備合金鍍層的關(guān)鍵在于脈沖工藝參數(shù)的控制[9-11],如電流密度、脈沖頻率及占空比等。有關(guān)脈沖電沉積Sn-Ni-Mn合金鍍層的研究鮮見有報道,試驗采用脈沖電沉積法研究在Q235鋼表面制備Sn-Ni-Mn合金鍍層,考察了脈沖占空比對鍍層元素含量、沉積速率、陰極電流效率、表面形貌和耐蝕性的影響。

        1 試驗部分

        1.1 基材預(yù)處理

        以20 mm×18 mm×1 mm的Q235鋼片作陰極,純鎳板作陽極。電沉積之前進行前處理:打磨(依次經(jīng)過360#、500#、800#、1000#和1500#的砂紙打磨)→去離子水超聲清洗→堿洗(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%NaOH)→去離子水超聲清洗→酸洗(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%HCl)→去離子水、酒精超聲清洗→干燥備用。

        1.2 鍍層制備

        采用SMD-30P型智能多組換向脈沖電鍍電源,配以DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器施鍍。鍍液組成見表1。

        表1 鍍液組成

        工藝參數(shù):鍍液溫度30 ℃,pH=4.0,施鍍時間30 min,脈沖周期1 000 μs,平均電流密度10 A/dm2,占空比為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8。

        1.3 性能檢測

        用德國斯派克分析儀器公司Spectruma GDA750型輝光放電光譜儀(GDS)檢測鍍層成分及厚度;用日本日立公司S-4800型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察鍍層表面形貌;用德國ZAHNER公司IM6eX型電化學(xué)工作站檢測鍍層在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性,工作電極、輔助電極、參比電極分別為待測試樣、鉑片和飽和甘汞電極。Tafel曲線測試掃描速度為5 mV/s,電化學(xué)阻抗譜測試頻率為10 mHz~100 kHz,正弦電壓擾動信號幅值為5 mV。

        鍍層沉積速率v計算公式為

        (1)

        式中:d為鍍層厚度,μm;t為施鍍時間,h。

        陰極電流效率η計算公式為

        (2)

        式中:Δm為鍍層增加質(zhì)量,g;I為沉積電流,A;t為施鍍時間,h;k為Sn-Ni-Mn合金電化當(dāng)量,g/(A·h) ,計算公式為

        k=k(Sn)·w(Sn)+k(Ni)·w(Ni)+
        k(Mn)·w(Mn)。

        (3)

        式中:kSn、kNi、kMn為Sn、Ni、Mn的沉積電化當(dāng)量,取值分別為2.214、1.095、1.025 g/(A·h);w(Sn)、w(Ni)、w(Mn)為鍍層中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 脈沖占空比對鍍層中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        圖1為不同脈沖占空比對Sn-Ni-Mn合金鍍層中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。可以看出,隨占空比增大,鍍層中Ni和Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高,Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。脈沖電沉積過程中,實際工作電流密度為峰值電流密度(Ip)[12]:

        Ip=Ia·r-1。

        式中:Ia為平均電流密度;r為占空比。因此,固定平均電流密度和脈沖頻率不變,占空比越大,峰值電流密度越小,不利于析出電位較負的Mn2+還原沉積,鍍層中Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

        圖1 脈沖占空比對鍍層中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        2.2 脈沖占空比對鍍層沉積速率的影響

        圖2為脈沖占空比對Sn-Ni-Mn合金鍍層沉積速率的影響。

        圖2 脈沖占空比對鍍層沉積速率的影響

        由圖2看出,鍍層沉積速率隨占空比增大而降低。一方面,增大占空比,脈沖間歇時間縮短,陰極表面還原沉積所消耗的金屬離子難以通過擴散及時補充,濃差極化增大[13],沉積過程受到抑制;另一方面,占空比增大,脈沖峰值電流密度降低,實際作用于電沉積的瞬時能量減小[14],使沉積速率下降。

        2.3 脈沖占空比對陰極電流效率的影響

        圖3為脈沖占空比對Sn-Ni-Mn合金鍍層沉積陰極電流效率的影響。

        圖3 脈沖占空比對陰極電流效率的影響

        由圖3看出:隨占空比增大,陰極電流效率先升高后降低,這是因為隨占空比增大,峰值電流密度降低,析氫反應(yīng)減弱,陰極電流效率提高;但占空比超過0.4時,濃差極化作用顯著,金屬離子還原沉積變得困難,陰極電流效率降低。

        2.4 脈沖占空比對鍍層表面形貌的影響

        圖4為不同脈沖占空比條件下制備的Sn-Ni-Mn合金鍍層的表面形貌。

        圖4 不同脈沖占空比條件下所制備鍍層的表面形貌

        由圖4看出:占空比為0.1時,鍍層表面晶粒細小,但存在較多孔隙;隨占空比增大,鍍層晶粒尺寸逐漸增大,孔隙率降低。因為占空比較低時,脈沖峰值電流密度較大,析氫反應(yīng)劇烈,導(dǎo)致鍍層表面孔隙較多;隨占空比增大,脈沖峰值電流密度減小,陰極過電位降低,析氫反應(yīng)減弱,減少了孔隙的形成。電結(jié)晶形核率w與陰極過電位ηk之間的關(guān)系為

        (4)

        式中,K、b為常數(shù)。陰極過電位越低,形核率越小,所以鍍層晶粒更粗化。

        2.5 脈沖占空比對鍍層耐蝕性的影響

        圖5為不同脈沖占空比條件下制備的Sn-Ni-Mn合金鍍層在3.5%NaCl溶液中的Tafel曲線。由Tafel曲線外推法得到的鍍層自腐蝕電位(Ecorr)與自腐蝕電流密度(Jcorr)見表2。

        圖5 不同脈沖占空比條件下所制備鍍層的Tafel曲線

        脈沖占空比Ecorr/VJcorr/(A·cm-2)0.1-0.4588.913×10-70.2-0.3773.687×10-80.4-0.4277.943×10-80.6-0.5065.012×10-70.8-0.5421.349×10-6

        由表2看出:脈沖占空比由0.1提高到0.2時,Ecorr正移了81 mV,Jcorr降低了1個數(shù)量級,鍍層耐蝕性明顯提高;隨占空比繼續(xù)提高,Ecorr出現(xiàn)負移,Jcorr逐漸升高,鍍層耐蝕性降低;占空比為0.2時,自腐蝕電位最正(-0.377 V),自腐蝕電流密度最小(3.687×10-8A·cm-2),鍍層耐蝕性最高。

        圖6為不同脈沖占空比條件下制備的Sn-Ni-Mn合金鍍層的電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)。圖6(a)中:低頻區(qū)模阻抗隨脈沖占空比增大先提高后降低;占空比為0.2時,阻抗模值最大,電解液最難向鍍層滲透,抗腐蝕能力最強。圖6(b)中:頻率-相位角曲線的最大相位角隨脈沖占空比增大先升高后降低;脈沖占空比為0.2時,最大相位角最接近90°,表明鍍層最為完整致密。圖6(c)中:Nyquist圖譜的容抗弧為壓扁的半圓形,隨占空比增大,容抗弧半徑先增大后降低,表明鍍層腐蝕過程阻力先增強后減弱;占空比為0.2時,容抗弧半徑最大,腐蝕阻力最強。

        利用Zsimpwin軟件對阻抗譜進行擬合處理,得到等效電路各元件參數(shù)值見表3。可以看出:隨脈沖占空比增大,電荷轉(zhuǎn)移電阻值(Rct)先增大后減小;占空比為0.2時,鍍層具有最大的電荷轉(zhuǎn)移電阻(7 658 Ω·cm2),耐蝕性最好。這與Tafel曲線分析結(jié)果一致。

        脈沖占空比:—■—0.1;—★—0.2;—●—0.4;—▲—0.6;—◆—0.8。

        圖6 不同脈沖占空比條件下所制備鍍層的EIS圖譜

        3 結(jié)論

        采用脈沖電沉積法可以在Q235鋼表面制備Sn-Ni-Mn合金鍍層。脈沖占空比為0.2時,鍍層表面晶粒最為均勻細密,在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位(-0.377 V)最正,自腐蝕電流密度(3.687×10-8A·cm-2)最低,電荷轉(zhuǎn)移電阻(7 658 Ω·cm2)最大,耐蝕性性最好。鍍層中Ni、Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,所得鍍層質(zhì)量較好。

        參考文獻:

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