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席艷君,劉泳俊,王志新,盧金斌
(中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院,河南鄭州450007)
[摘 要] 研究了不同工藝條件對(duì)Fe-Cr-Ni電鍍層的沉積速率和腐蝕性能的影響。用電化學(xué)方法進(jìn)行鍍層的沉積,用動(dòng)電位 描進(jìn)行鍍層性能的測(cè)試,用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,Fe-Cr-Ni合金和原始基體合金在3%NaCl溶液中均沒(méi) 明顯的鈍化現(xiàn)象,但鍍層顯示了一定的延緩腐蝕的作用,且通過(guò)綜合平衡分析得出最優(yōu)方案,即電流密度12A/dm2、溫度25℃、 pH值2,在此條件下獲得的鍍層耐蝕性最佳。
[關(guān)鍵詞] Fe-Cr-N;i電鍍層;電化學(xué)腐蝕;腐蝕行為;沉積速率
0 引 言
鐵質(zhì)材料表面由于受到周圍介質(zhì)的作用容易被氧化腐蝕。 Ni-Fe-Cr合金的性能與不銹鋼類似,有優(yōu)良的耐蝕性,因此在鐵 質(zhì)材料上電沉積Ni-Fe-Cr合金是重要的防護(hù)措施,人們對(duì)此進(jìn) 行了大量的研究[1-5]。在碳鋼上沉積一層Fe-Ni-Cr復(fù)合鍍層, 隨著pH值的變化,鍍層的耐腐蝕性能有很大的變化。pH值影 響電化學(xué)腐蝕性能的主要原因是pH值影響了陰極析氫程度, 從而影響了電沉積鍍層的致密性、均勻性和厚度。pH值過(guò)低, 析氫嚴(yán)重,鍍層質(zhì)量不好,而且不利于Cr的沉積; pH值過(guò)高, Cr3+容易發(fā)生羥橋基聚合反應(yīng)[6-8]。提高電鍍液的溫度有利于 提高離子擴(kuò)散和遷移的速度,有利于提高各離子的沉積速率,但 溫度太高不利于Cr的沉積從而導(dǎo)致鍍層的穩(wěn)定性能降低,使表 面鍍層質(zhì)量變差。所以,楊余芳等建議溫度范圍控制在20~ 30℃為宜[9]。電流密度也是影響Fe-Cr-Ni鍍層的主要參數(shù)之 一。隨著陰極電流密度的增大,鍍層的Cr含量增加,但電流密 度過(guò)大,鍍層的表面質(zhì)量變差,因此,許利劍等建議陰極電流密 度控制在14A/dm2左右合適[10]。針對(duì)影響鍍層性能的3個(gè)主 要因素:電流密度、溫度、pH值,本文采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法,對(duì)3 個(gè)主要因素進(jìn)行了優(yōu)化,并研究了不同條件下獲得的鍍層的腐 蝕性能。
1 試 驗(yàn)
1. 1 電鍍液組成
電鍍液配方: 60g/L FeSO4·7H2O, 50g/L NiCl2·6H2O, 100g/ LNiSO4·6H2O, 35g/L硼酸, 8g/L添加劑(糊精), 0. 06g/L添加 劑(十二烷基硫酸鈉), 80g/L檸檬酸鈉, 35g/L CrCl3。
1. 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用正交實(shí)驗(yàn)法,選用pH值、溫度和電流密度為主要影響 因素,如表1所示,主要研究pH值、溫度和電流密度對(duì)電鍍Fe- Cr-Ni合金的沉積速率影響,以及鍍層在3. 5%NaCl溶液中的腐 蝕性能。
1.3 樣品制備和電沉積實(shí)驗(yàn)
把原始樣品碳鋼在切割機(jī)上切成約15mm×10mm×3mm 的碳鋼片,在切割好的碳鋼片上用焊錫焊上銅導(dǎo)線,除欲施鍍的 單面(15mm×10mm)裸露外,其余部分用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化封 樣。該樣品作為工作電極,經(jīng)粗、細(xì)打磨→水洗→堿洗→水洗→ 酸洗活化→水洗后,將其和輔助鉑黑電極夾好,固定在電鍍槽 中,利用CS300型電化學(xué)工作站進(jìn)行電沉積實(shí)驗(yàn),時(shí)間為1. 5h。
1. 4 計(jì)算沉積速率
對(duì)施鍍前后的試樣進(jìn)行稱重,計(jì)算單位面積單位時(shí)間試樣 的增重,推算出沉積速率,單位為g/(mm2·h)。
1. 5 電化學(xué)腐蝕測(cè)試
動(dòng)電位掃描測(cè)試:將所有電極夾好,放在3. 5%NaCl室溫溶 液中,極化范圍調(diào)到相對(duì)開(kāi)路電位±0. 2V,掃描速度0. 2mV/s, 測(cè)定陰陽(yáng)極極化曲線,計(jì)算腐蝕速率。
2 結(jié)果與討論
2.1 不同條件下所得鍍層的腐蝕性能
圖1是采用1號(hào)工藝條件電鍍得到的鍍層試樣和原樣碳鋼 在3. 5%NaCl溶液中室溫條件下的動(dòng)電位掃描曲線。由圖1可 知,鍍層試樣和原樣碳鋼在3. 5%NaCl溶液中都沒(méi)有明顯的鈍 化現(xiàn)象。但在相同的電位下,原始碳鋼的腐蝕速度要略快于此 條件下的電鍍層。對(duì)此條件下所獲得的鍍層進(jìn)行線性極化分 析,得出極化電阻Rp=1 976. 1Ω·cm2,而相同條件下原始碳鋼 的極化電阻Rp=1 448Ω·cm2,進(jìn)一步說(shuō)明了雖然二者在極化 電阻上的數(shù)量級(jí)是相同的,但原始材料的極化電阻略小于此條 件下的鍍層,也證明了鍍層相對(duì)于原始材料具有較低的腐蝕速 率和較好的抗腐蝕性能,表明Fe-Cr-Ni合金鍍層在3. 5% NaCl 溶液中比原樣碳鋼的溶解速度慢,即1號(hào)工藝條件下獲得的Fe- Cr-Ni合金鍍層在3. 5%NaCl溶液中具有延緩腐蝕的作用。
圖2是采用2號(hào)工藝條件電鍍得到的鍍層試樣和原樣碳鋼 在3. 5%NaCl溶液中室溫條件下的動(dòng)電位掃描曲線。由圖2可 知,鍍層試樣和原樣碳鋼在3. 5%NaCl溶液中都沒(méi)有明顯的鈍 化現(xiàn)象。但在相同的電位下,原始碳鋼的腐蝕速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 此條件下的電鍍層。原始碳鋼和鍍層的腐蝕電位也有明顯的不 同,鍍層的腐蝕電位大約為-0. 48V,原始碳鋼的腐蝕電位大約 為-0. 65V,腐蝕電位的正負(fù)從另一方面反映了材料的耐蝕性, 電位越負(fù)的材料越容易作為陽(yáng)極發(fā)生快速溶解,而電位較正的 材料則反之。腐蝕電位的差別進(jìn)一步說(shuō)明了鍍層延緩腐蝕的性 能。
圖3和圖4分別為采用3號(hào)、4號(hào)工藝條件電鍍得到的鍍層 試樣和原樣碳鋼在3. 5%NaCl溶液中室溫條件下的動(dòng)電位掃描 曲線對(duì)比。由圖3和圖4可知,這2種鍍層試樣在3. 5% NaCl 溶液中同樣沒(méi)有明顯的鈍化現(xiàn)象,但鍍層同樣對(duì)原始基體具有 延緩腐蝕的作用。
2.2 正交實(shí)驗(yàn)分析
從沉積速率的正交實(shí)驗(yàn)分析來(lái)看,如表2所示,極差最大的 影響因素是pH值,其次是電流密度,最后是溫度,因此, pH值 對(duì)沉積速率的影響最顯著,其次是電流密度,溫度對(duì)沉積速率的 影響最小。
從腐蝕電流的正交試驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看,如表3所示,極差最 大的影響因素是電流密度,其次是溫度,最后是pH值,因此,電 流密度對(duì)腐蝕電流的影響最顯著,其次是溫度, pH值對(duì)腐蝕電 阻的影響最小。
在正交試驗(yàn)中,有2種情況:一種是衡量試驗(yàn)效果的指標(biāo)只 有一個(gè);另一種是衡量試驗(yàn)效果的指標(biāo)有多個(gè)(多指標(biāo)問(wèn)題)。 多個(gè)指標(biāo)之間可能存在一定的矛盾,這時(shí)需要兼顧各個(gè)指標(biāo),尋 找使得每個(gè)指標(biāo)都盡可能好的生產(chǎn)條件。解決多指標(biāo)試驗(yàn)的方 法通常有2種:綜合平衡法和綜合評(píng)分法。在本次實(shí)驗(yàn)的正交 設(shè)計(jì)中考察指標(biāo)有2個(gè):沉積速率和腐蝕電流,利用正交實(shí)驗(yàn)的 綜合平衡法。先分別考察每個(gè)因素對(duì)各指標(biāo)影響,然后進(jìn)行分 析比較,確定出最好試驗(yàn)方案。從表2、表3中能夠看到:對(duì)沉 積速率而言,最好的方案是C1A1B2,即影響因素C(pH值)對(duì)沉 積速率的影響程度最明顯,其次是因素A(電流密度)和B(溫 度),且pH值選擇第1個(gè)水平(pH=2),電流密度選擇第1個(gè)水 平(12A/dm2),溫度選擇第2個(gè)水平(35℃)能獲得較好的沉積 速率;對(duì)腐蝕電流而言,最優(yōu)方案是A1B1C2。在對(duì)腐蝕電流和 沉積速率的綜合分析后發(fā)現(xiàn):影響因素A(電流密度)在這2個(gè) 正交表的擇優(yōu)方案中均選擇第1個(gè)水平(12A/dm2)。因素C (pH)在2個(gè)正交表的擇優(yōu)方案中選取了不同的水平,但介于因 素C對(duì)沉積速率的影響最大,同時(shí)在其擇優(yōu)方案中選取第1個(gè) 水平(pH=2),而在對(duì)腐蝕電流的研究中,因素C的影響效果最 小,所以綜合考察,因素C選取第1個(gè)水平(pH=2)。因素B (溫度)在2個(gè)正交表的擇優(yōu)方案中也選取了不同的水平,但介 于因素B對(duì)腐蝕電流的影響較大,且擇優(yōu)方案中選取的水平是 第1個(gè)水平(25℃),同時(shí)因素B對(duì)沉積速率的影響又非常小, 綜合考慮,因素B選取第1個(gè)水平(25℃)。因此,獲得較高的 沉積速率且所得鍍層具有較低腐蝕電流的電沉積工藝參數(shù)最終 選擇A1B1C1,即:電流密度12A/dm2,溫度25℃, pH值為2。
3 結(jié) 論
不同的工藝參數(shù)下電鍍得到的鍍層的耐腐蝕性能相差很 大。Fe-Cr-Ni合金在3%NaCl溶液中沒(méi)有明顯的鈍化現(xiàn)象,但卻 顯示了一定的延緩腐蝕的效果。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),得出的最 優(yōu)方案電流密度為12A/dm2,溫度為25℃, pH值為2。
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