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Fe-Cr-Ni电镀工艺和电化学腐蚀研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-15  浏览次数:955
核心提示: 用电化学方法进行镀层的沉积,用动电位 描进行镀层性能的测试,用正交实验法对工艺条件进行了优化。
   席艳君,刘泳俊,王志新,卢金斌

  (中原工学院材料与化工学院,河南郑州450007)

  [摘 要] 研究了不同工艺条件对Fe-Cr-Ni电镀层的沉积速率和腐蚀性能的影响。用电化学方法进行镀层的沉积,用动电位 描进行镀层性能的测试,用正交实验法对工艺条件进行了优化。结果表明,Fe-Cr-Ni合金和原始基体合金在3%NaCl溶液中均没 明显的钝化现象,但镀层显示了一定的延缓腐蚀的作用,且通过综合平衡分析得出最优方案,即电流密度12A/dm2、温度25℃、 pH值2,在此条件下获得的镀层耐蚀性最佳。

  [关键词] Fe-Cr-N;i电镀层;电化学腐蚀;腐蚀行为;沉积速率

  0 引 言

  铁质材料表面由于受到周围介质的作用容易被氧化腐蚀。 Ni-Fe-Cr合金的性能与不锈钢类似,有优良的耐蚀性,因此在铁 质材料上电沉积Ni-Fe-Cr合金是重要的防护措施,人们对此进 行了大量的研究[1-5]。在碳钢上沉积一层Fe-Ni-Cr复合镀层, 随着pH值的变化,镀层的耐腐蚀性能有很大的变化。pH值影 响电化学腐蚀性能的主要原因是pH值影响了阴极析氢程度, 从而影响了电沉积镀层的致密性、均匀性和厚度。pH值过低, 析氢严重,镀层质量不好,而且不利于Cr的沉积; pH值过高, Cr3+容易发生羟桥基聚合反应[6-8]。提高电镀液的温度有利于 提高离子扩散和迁移的速度,有利于提高各离子的沉积速率,但 温度太高不利于Cr的沉积从而导致镀层的稳定性能降低,使表 面镀层质量变差。所以,杨余芳等建议温度范围控制在20~ 30℃为宜[9]。电流密度也是影响Fe-Cr-Ni镀层的主要参数之 一。随着阴极电流密度的增大,镀层的Cr含量增加,但电流密 度过大,镀层的表面质量变差,因此,许利剑等建议阴极电流密 度控制在14A/dm2左右合适[10]。针对影响镀层性能的3个主 要因素:电流密度、温度、pH值,本文采用正交实验设计法,对3 个主要因素进行了优化,并研究了不同条件下获得的镀层的腐 蚀性能。

  1 试 验

  1. 1 电镀液组成

  电镀液配方: 60g/L FeSO4·7H2O, 50g/L NiCl2·6H2O, 100g/ LNiSO4·6H2O, 35g/L硼酸, 8g/L添加剂(糊精), 0. 06g/L添加 剂(十二烷基硫酸钠), 80g/L柠檬酸钠, 35g/L CrCl3。

  1. 2 实验设计

  采用正交实验法,选用pH值、温度和电流密度为主要影响 因素,如表1所示,主要研究pH值、温度和电流密度对电镀Fe- Cr-Ni合金的沉积速率影响,以及镀层在3. 5%NaCl溶液中的腐 蚀性能。

  1.3 样品制备和电沉积实验

  把原始样品碳钢在切割机上切成约15mm×10mm×3mm 的碳钢片,在切割好的碳钢片上用焊锡焊上铜导线,除欲施镀的 单面(15mm×10mm)裸露外,其余部分用环氧树脂进行固化封 样。该样品作为工作电极,经粗、细打磨→水洗→碱洗→水洗→ 酸洗活化→水洗后,将其和辅助铂黑电极夹好,固定在电镀槽 中,利用CS300型电化学工作站进行电沉积实验,时间为1. 5h。

  1. 4 计算沉积速率

  对施镀前后的试样进行称重,计算单位面积单位时间试样 的增重,推算出沉积速率,单位为g/(mm2·h)。

  1. 5 电化学腐蚀测试

  动电位扫描测试:将所有电极夹好,放在3. 5%NaCl室温溶 液中,极化范围调到相对开路电位±0. 2V,扫描速度0. 2mV/s, 测定阴阳极极化曲线,计算腐蚀速率。

  2 结果与讨论

  2.1 不同条件下所得镀层的腐蚀性能

  图1是采用1号工艺条件电镀得到的镀层试样和原样碳钢 在3. 5%NaCl溶液中室温条件下的动电位扫描曲线。由图1可 知,镀层试样和原样碳钢在3. 5%NaCl溶液中都没有明显的钝 化现象。但在相同的电位下,原始碳钢的腐蚀速度要略快于此 条件下的电镀层。对此条件下所获得的镀层进行线性极化分 析,得出极化电阻Rp=1 976. 1Ω·cm2,而相同条件下原始碳钢 的极化电阻Rp=1 448Ω·cm2,进一步说明了虽然二者在极化 电阻上的数量级是相同的,但原始材料的极化电阻略小于此条 件下的镀层,也证明了镀层相对于原始材料具有较低的腐蚀速 率和较好的抗腐蚀性能,表明Fe-Cr-Ni合金镀层在3. 5% NaCl 溶液中比原样碳钢的溶解速度慢,即1号工艺条件下获得的Fe- Cr-Ni合金镀层在3. 5%NaCl溶液中具有延缓腐蚀的作用。

  

                图2是采用2号工艺条件电镀得到的镀层试样和原样碳钢 在3. 5%NaCl溶液中室温条件下的动电位扫描曲线。由图2可 知,镀层试样和原样碳钢在3. 5%NaCl溶液中都没有明显的钝 化现象。但在相同的电位下,原始碳钢的腐蚀速度要远远大于 此条件下的电镀层。原始碳钢和镀层的腐蚀电位也有明显的不 同,镀层的腐蚀电位大约为-0. 48V,原始碳钢的腐蚀电位大约 为-0. 65V,腐电位的正负从另一方面反映了材料的耐蚀性, 电位越负的材料越容易作为阳极发生快速溶解,而电位较正的 材料则反之。腐蚀电位的差别进一步说明了镀层延缓腐蚀的性 能。                               
 

                                  

  图3和图4分别为采用3号、4号工艺条件电镀得到的镀层 试样和原样碳钢在3. 5%NaCl溶液中室温条件下的动电位扫描 曲线对比。由图3和图4可知,这2种镀层试样在3. 5% NaCl 溶液中同样没有明显的钝化现象,但镀层同样对原始基体具有 延缓腐蚀的作用。

  2.2 正交实验分析

  从沉积速率的正交实验分析来看,如表2所示,极差最大的 影响因素是pH值,其次是电流密度,最后是温度,因此, pH值 对沉积速率的影响最显著,其次是电流密度,温度对沉积速率的 影响最小。

  从腐蚀电流的正交试验结果分析来看,如表3所示,极差最 大的影响因素是电流密度,其次是温度,最后是pH值,因此,电 流密度对腐蚀电流的影响最显著,其次是温度, pH值对腐蚀电 阻的影响最小。

 

 在正交试验中,有2种情况:一种是衡量试验效果的指标只 有一个;另一种是衡量试验效果的指标有多个(多指标问题)。 多个指标之间可能存在一定的矛盾,这时需要兼顾各个指标,寻 找使得每个指标都尽可能好的生产条件。解决多指标试验的方 法通常有2种:综合平衡法和综合评分法。在本次实验的正交 设计中考察指标有2个:沉积速率和腐蚀电流,利用正交实验的 综合平衡法。先分别考察每个因素对各指标影响,然后进行分 析比较,确定出最好试验方案。从表2、表3中能够看到:对沉 积速率而言,最好的方案是C1A1B2,即影响因素C(pH值)对沉 积速率的影响程度最明显,其次是因素A(电流密度)和B(温 度),且pH值选择第1个水平(pH=2),电流密度选择第1个水 平(12A/dm2),温度选择第2个水平(35℃)能获得较好的沉积 速率;对腐蚀电流而言,最优方案是A1B1C2。在对腐蚀电流和 沉积速率的综合分析后发现:影响因素A(电流密度)在这2个 正交表的择优方案中均选择第1个水平(12A/dm2)。因素C (pH)在2个正交表的择优方案中选取了不同的水平,但介于因 素C对沉积速率的影响最大,同时在其择优方案中选取第1个 水平(pH=2),而在对腐蚀电流的研究中,因素C的影响效果最 小,所以综合考察,因素C选取第1个水平(pH=2)。因素B (温度)在2个正交表的择优方案中也选取了不同的水平,但介 于因素B对腐蚀电流的影响较大,且择优方案中选取的水平是 第1个水平(25℃),同时因素B对沉积速率的影响又非常小, 综合考虑,因素B选取第1个水平(25℃)。因此,获得较高的 沉积速率且所得镀层具有较低腐蚀电流的电沉积工艺参数最终 选择A1B1C1,即:电流密度12A/dm2,温度25℃, pH值为2。

  3 结 论

  不同的工艺参数下电镀得到的镀层的耐腐蚀性能相差很 大。Fe-Cr-Ni合金在3%NaCl溶液中没有明显的钝化现象,但却 显示了一定的延缓腐蚀的效果。通过正交试验设计,得出的最 优方案电流密度为12A/dm2,温度为25℃, pH值为2。

  [参考文献]

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  [2] 赵晴,赵先明,刘伯生. DMF/水体系Cr-Ni-Fe合金电沉积研究 [J].表面技术, 1993, 22(6): 8-10.

  [3] 何湘柱,龚竹青,蒋汉赢.非晶态Fe-Ni-Cr合金电沉积研究[J]. 材料保护, 1998, 31 (9): 19-21.

  [4] 冯丽婷,夏同驰,董会超.不锈钢电镀液铁镍铬成分的化学分析方 法[J].郑州轻工业学院学报, 1998, 13(4): 5-8.

  [5] 席艳君,刘泳俊,王志新,等. Cr含量对Fe-Cr-Ni镀层电化学腐 蚀性能的影响[J].表面技术, 2008, 37(5): 13-14.

  [6] 何湘柱,龚竹青,蒋汉瀛.三价铬水溶液电沉积非晶态铬的工艺 [J].中国有色金属学报, 1999, 9(3): 646-650.

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  [9] 杨余芳,龚竹青,李强国. Ni-Fe-Cr合金在铁基体上的电沉积[J]. 电镀与涂饰, 2007, 26(10): 1-3.

  [10]许利剑,龚竹青,何新快,等. Fe-Ni-Cr合金电沉积工艺参数对镀层 铬含量的影响[J].材料保护, 2005, 38(12): 26-28.

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