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（武漢工業(yè)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430023）
摘要：以硫酸亞鐵和氯化鋅為主鹽配制弱酸性溶液，在銅基體上電鍍鋅鐵合金。運用小槽電鍍實驗和電化學(xué)測試等技術(shù)，研究了香草醛對鍍層的外觀、組成、耐腐蝕性能以及微觀形貌的影響。結(jié)果表明，在溫度為20°C、pH為4.5的條件下電鍍時，香草醛的加入使得鍍層更加平整、致密，但其質(zhì)量濃度高于0.2 g/L之后，對改善鍍層平整性的作用不大。極化曲線測試表明，鍍液中加入香草醛時，所得鋅鐵合金鍍層在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液中的自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度減小。隨著鍍液中香草醛濃度的增大，鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，鍍層沉積速率出現(xiàn)先增后減的趨勢。中性鹽霧腐蝕測試表明，加入香草醛后獲得最佳外觀的鍍層，其耐腐蝕性能較好。
關(guān)鍵詞：鋅–鐵合金；電鍍；香草醛；耐蝕性
中圖分類號：TQ153.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1004–227X(2011)06–0005–03
1·前言
鋅鐵合金的研究和應(yīng)用，在提高防護層質(zhì)量、減薄鍍層、節(jié)約金屬、減少污染和降低成本等方面都有重要意義，已成為未來防護性鍍層的發(fā)展方向。添加劑對鋅鐵合金鍍層質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，它可以改變電極反應(yīng)的過電位，使鍍膜晶粒細(xì)化及改變晶粒取向，進而改變鍍膜的內(nèi)應(yīng)力、延展性、硬度等性能。鋅鐵合金電沉積添加劑是在純鋅電鍍添加劑的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，芳香醛在堿性鍍鋅及鋅鐵合金上已有應(yīng)用[1-3]，但未見有在酸性體系電鍍鋅鐵合金上的有關(guān)應(yīng)用報道。本研究的主要內(nèi)容是改變香草醛的濃度，觀察鍍層的外觀，分析鍍層的組成，耐腐蝕性能和微觀形貌，研究香草醛在酸性體系鋅鐵合金電鍍中的作用，對鋅鐵合金電鍍工藝的實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
2·實驗
2.1鍍液的配制
根據(jù)本課題組研究電鍍鋅鐵合金工藝的前期實驗結(jié)果[4]，確定本研究的基礎(chǔ)鍍液組成：ZnCl2 15 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 12.5 g/L，KCl 160 g/L，H3BO3 10 g/L，檸檬酸鈉8 g/L，抗壞血酸1 g/L。所用試劑均為化學(xué)純。在8.0 cm×4.0 cm×4.0 cm的電鍍小槽中進行試驗。配制方法：100 mL燒杯中將氯化鋅溶于水配成水溶液(總體積約30 mL)，另在50 mL燒杯中溶解檸檬酸鈉，加入硫酸亞鐵，抗壞血酸，完全溶解后總體積約20 mL，倒入100 mL燒杯中。用20 mL熱水溶解硼酸，倒入燒杯中。用20 mL熱水溶解氯化鉀，倒入燒杯中，再加蒸餾水至100 mL。用鹽酸調(diào)節(jié)pH至4.5。
2.2鍍前預(yù)處理
在實驗中采用以下預(yù)處理工藝：化學(xué)除油─流水清洗─酸洗─流水清洗─弱腐蝕活化─流水清洗─電鍍─清洗─吹干。
2.3電鍍
采用銅片(含量不少于99.5%)作陰極，尺寸為2.5 cm×4.0 cm，背面涂上清漆密封絕緣做單面鍍；陽極材料為純鋅，面積為5.0 cm×8.0 cm；電鍍時間為15 min。電鍍溫度為20°C，pH為4.5，電流密度為2.0 A/dm2(后文中如無變化，則不再標(biāo)注)。電鍍完畢之后立即用流水清洗，晾干，編號。通過檢測鍍液中亞鐵離子的濃度，及時添加鐵鹽以維持鍍液中鐵離子濃度不變。
2.4鍍后處理
為了提高Zn–Fe合金的抗蝕性能，必須對鍍層進行鈍化處理。低鐵含量的Zn–Fe合金容易進行常規(guī)鈍化，本文采用白色鈍化，所用鈍化液的成分為：HNO30.5~1.0 mL/L，CrO3 1~5 g/L，BaCO3 0.5~1.0 g/L。鈍化溫度為10~40°C，時間為10 s。
2.5鍍層的分析
2.5.1鍍層沉積速率
鍍層沉積速率v(g/(m2·h))根據(jù)稱重法進行計算。具體步驟如下：陰極電鍍前、后均稱重，差減得到鍍層質(zhì)量?m(g)，測出電鍍基體的表面積A(m2)，再根據(jù)電鍍時間t(h)，按下式進行計算：
2.5.2鍍層鐵含量
根據(jù)文獻(xiàn)[5]，采用尤尼柯儀器公司的721型分光光度計，以鄰菲羅啉分光光度法分析鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
2.5.3鍍層外觀和微觀形貌
用目測或5倍放大鏡觀察鍍層外觀。用日本日立公司生產(chǎn)的s-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的表面微觀形貌。
2.5.4鍍層腐蝕電位和電流密度
用德國ZAHNER公司的IM6/IM6e電化學(xué)工作站對鋅鐵合金鍍層進行極化曲線測試。測試溶液均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，溫度為25°C，工作電極四周用清漆密封，有效面積為0.5 cm×1.0 cm，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為1 cm×1 cm鉑片，掃描電勢范圍為?1.5 V~?0.5 V，掃描速度為10 mV/s。除非特別說明，文中所有電位均相對于SCE。
2.5.5鍍層耐中性鹽霧腐蝕試驗
按GB/T 2423.17–2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ka：鹽霧》檢測，鍍層腐蝕狀況以出現(xiàn)白銹的時間來判定。
3·結(jié)果與討論
3.1香草醛對鋅鐵合金鍍層外觀的影響
由表1可知，往電鍍液中加入香草醛后，鍍層由海綿狀多孔外觀轉(zhuǎn)變成致密外觀。鍍液中香草醛的質(zhì)量濃度為0.2 g/L時，鋅鐵合金鍍層外觀已經(jīng)呈現(xiàn)出致密的特征，繼續(xù)增大鍍液中香草醛質(zhì)量濃度，對外觀的改善不明顯。
3.2香草醛對鋅鐵合金鍍層沉積速率的影響
香草醛質(zhì)量濃度變化對鋅鐵合金鍍層沉積速率的影響如圖1所示。
從圖1可知，當(dāng)香草醛質(zhì)量濃度低于0.6 g/L時，鋅鐵合金鍍層的沉積速率隨香草醛質(zhì)量濃度的增大而提高；當(dāng)香草醛的質(zhì)量濃度超過0.6 g/L時，鋅鐵合金鍍層的沉積速率隨其增大反而降低。
3.3香草醛對鋅鐵合金鍍層鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
從圖2可知，鋅鐵合金鍍層鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著香草醛質(zhì)量濃度的增大而降低。當(dāng)陰極電流密度為1.0 A/dm2，香草醛質(zhì)量濃度低于0.4 g/L時，鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.45%降至0.18%，而香草醛質(zhì)量濃度在0.4~0.8 g/L范圍內(nèi)，鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。香草醛質(zhì)量濃度大于0.8 g/L以后，鍍層鐵含量降到0.1%以下。在香草醛質(zhì)量濃度相同的前提下，電流密度增大，鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但當(dāng)香草醛質(zhì)量濃度為1.0 g/L時，電流密度對鍍層中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯影響。
3.4鍍層的電化學(xué)腐蝕參數(shù)
圖3為在上述的操作條件下，添加不同質(zhì)量濃度的香草醛所得的鋅鐵合金鍍層鈍化后在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。由圖3及表2可知，鍍液中香草醛濃度為0.2 g/L時得到的鋅鐵合金鍍層的自腐蝕電位為-0.830 2 V，比不添加香草醛時所得鍍層的自腐蝕電位正移了137 mV，自腐蝕電流密度比無香草醛時減小了46%。但繼續(xù)加入香草醛，自腐蝕電位變化不大，有增有減，但都比無香草醛時要正，自腐蝕電流密度的變化規(guī)律與腐蝕電位基本一致。
3.5鍍層的耐腐蝕性能
將在含0.2 g/L香草醛的鍍液中獲得的鋅鐵合金鍍層試片放進鹽霧實驗箱中進行耐腐蝕測試。結(jié)果表明，鋅鐵合金鍍層在526 h時出現(xiàn)白銹，顯示出較好的耐腐蝕性能。
3.6鍍層的微觀形貌
從圖4可知，加入香草醛0.2 g/L后所得鍍層明顯比未加香草醛時所得鍍層要致密、平整，鍍層的顆粒較小，且均勻。
4·結(jié)論
通過以硫酸亞鐵與氯化鋅為主鹽的溶液為基礎(chǔ)鍍液，在溫度為20°C、pH為4.5的條件下進行電鍍，并對鍍層進行分析，結(jié)果如下：香草醛在一定程度上改善了鋅鐵合金鍍層的致密性與平整性，其質(zhì)量濃度為0.2 g/L時為最佳，耐腐蝕能力比基礎(chǔ)鍍液所得鋅鐵合金鍍層要好。鍍層中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著香草醛濃度的增大而降低，鍍層沉積速率呈先增后減的趨勢。
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