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胡椒醛在电镀Zn-Fe合金中的应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-14  浏览次数:740

廖崇静,王星,常红,李建芬,周晓荣

(武汉工业学院化学与环境工程学院,湖北武汉430023)

摘要:以硫酸亚铁和氯化锌为主盐配制电镀锌-铁合金溶液。运用小槽试验和电化学测试,研究了胡椒醛对镀层的外观、组成、耐腐蚀性能以及微观形貌的影响。结果表明,在θ为20℃,pH为4.5,Jκ为2.0A/dm2的条件下,胡椒醛的加入使得镀层更加平整、致密,但质量浓度高于0.2g/L,对改善镀层的平整性作用不大。电化学测试数据显示,在ρ(胡椒醛)为0.6g/L时,耐腐蚀能力比基础镀液所得镀层的耐腐蚀能力明显增强。胡椒醛对于改善锌-铁合金镀层的表面微观形貌作用不明显,镀层中铁的质量分数随着胡椒醛的增加而降低,镀层沉积速率也随之减小,与理论分析结果一致。

关键词:电镀;Zn-Fe合金;耐腐蚀性能;胡椒醛

中图分类号:TQ153.2文献标识码:A

文章编号:1001-3849(2011)05-0009-04

引言

近十年来,锌合金的研究和应用有异军突起之势,特别是锌与铁族金属形成的二元合金。由于它们有良好的防护性、性价比、优异的耐蚀性和低氢脆等特性,已经成为优良的代镉镀层。锌-铁合金的研究和应用,在提高防护层质量、减薄镀层、节约金属、减少污染和降低成本等方面都有重要意义,已成为防护性镀层的发展方向。由于锌-铁合金镀层的诸多优良性能,因此有不少报道锌-铁合金电镀工艺的文献资料[1-6]以及锌-铁合金电镀添加剂研究论文[7],但鲜见芳香醛在锌-铁合金电镀中的作用研究的报道。

本研究的主要内容是改变胡椒醛的质量浓度,观察镀层的外观,分析镀层的组成,耐腐蚀性能和微观形貌,及胡椒醛在锌-铁合金电镀中的作用。

1·实验部分

1.1镀液组成

根据电镀锌-铁合金工艺的前期实验结果[4],确定本研究的基础镀液组成:15g/L ZnCl2,12.5g/LFeSO4·7H2 O,160 g/L KCl,10g/L H3BO3,8g/L柠檬酸钠,1g/L抗坏血酸。所用试剂均为化学纯。在100mL电镀槽中进行试验。

1.2工艺流程

电镀锌-铁合金工艺流程为:化学除油→流水清洗→酸洗→流水清洗→弱腐蚀活化→流水清洗→电镀→流水清洗→钝化→清洗→吹干。

1.3电镀

电镀基体材料为2.5cm×4.0cm纯铜片,背面绝缘单面镀;阳极为5cm×8cm纯锌板;Jκ为2.0A/dm2,电镀t为15min。

1.4镀后处理

为了提高Zn-Fe合金的抗蚀性能,对镀层进行钝化处理。采用的是白色钝化,钝化液组成为:0.5~1mL/L HNO3,1~5g/L CrO3,0.5~1g/LBaCO3,θ为10~40℃,t为10s。

1.5镀层分析[5]

1.5.1镀层中铁的测定

Fe(Ⅱ)在pH=3~9的溶液中与邻菲罗啉生成稳定的橙红色络合物[(C12H8 N2)3Fe]2+,镀层中铁的测定采用分析周期短、试样消耗量小及显色灵敏且稳定的邻菲罗啉分光光度法。仪器型号为721型分光光度计,尤尼柯仪器公司生产。

分析时,取1cm2的电镀试片,用5mL10%稀硫酸溶解镀层后,加入醋酸钠,使溶液pH为5,定容至50mL。取1mL稀释液,加入10%盐酸羟胺溶液2mL,再加入0.5%邻二氮菲溶液3mL,定容至10mL。显色15min后,测定其吸光度,计算镀层中铁的质量mFe。另取5mL稀释液,加入50mL蒸馏水,1.0mol/L的氯化铵溶液5mL,加入紫脲酸胺指示剂,用0.1mol/L的标准EDTA溶液滴定,得镀层中的锌铁总质量m。镀层中铁的质量分数按公式w(Fe)=(mFe/m)×100%计算。

1.5.2镀层外观和微观结构分析

外观检测采用目测或5倍放大镜观察。镀层微观结构用日本HITACHI公司生产的S-3000N型扫描电子显微镜观察测定。

1.5.3镀层耐腐蚀性测定

采用德国ZAHNER公司的IM6/IM6e电化学工作站对锌-铁合金镀层进行极化曲线测试。测试溶液均为3.5%NaC1溶液,θ为25℃,工作电极用清漆密封,保留0.5cm2工作面积,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极,扫描电势范围为-1.5V~-0.5V,扫描速度为10 mV/s。

2·结果与讨论

2.1胡椒醛对锌-铁合金镀层沉积速率的影响

胡椒醛的质量浓度对锌-铁合金镀层沉积速率的影响如图1所示。

从图1可看出,随着胡椒醛质量浓度的增加,镀层的沉积速率下降。溶液中ρ(胡椒醛)低于0.4g/L时,沉积速率下降的幅度较为明显;ρ(胡椒醛)高于0.4g/L时,沉积速率下降较为缓慢。ρ(胡椒醛)从0.4g/L增大到1.0g/L,沉积速率仅下降了10g/m2·h。可能是由于胡椒醛质量浓度的增加,吸附在阴极表面的分子数逐渐增多,增大电沉积的阻力,从而抑制锌铁的沉积,0.4g/L时吸附基本达到饱和,因此继续增加胡椒醛质量浓度,沉积速率变化不大。

2.2胡椒醛对锌-铁合金镀层中铁的影响

图2是胡椒醛对锌-铁合金镀层铁质量分数的影响。从图2可看出,溶液中胡椒醛质量浓度的增加,镀层中铁质量分数降低。当ρ(胡椒醛)超过0.2g/L时,镀层中w(Fe)降低到0.1%以下。继续增大胡椒醛的质量浓度,镀层的铁质量分数进一步下降,说明胡椒醛对亚铁离子在阴极的沉积过程有明显的抑制作用。

2.3胡椒醛对锌-铁合金镀层耐腐蚀性的影响

图3为添加不同质量浓度的胡椒醛所得的锌-铁合金镀层钝化后在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。测得腐蚀电位、腐蚀电流密度列于表1。从图3和表1可以看出,腐蚀电位随着胡椒醛质量浓度的增大而先正移后负移,腐蚀电流密度先减小后增加。说明ρ(胡椒醛)<0.6g/L时能起到增加锌-铁合金镀层的耐腐蚀能力的作用,而ρ(胡椒醛)>0.6g/L耐腐蚀能力下降。

2.4胡椒醛对锌-铁合金镀层外观形貌的影响

ρ(胡椒醛)对锌-铁合金镀层外观的影响列于表2,实验条件为θ=20℃,pH=5,Jκ=2.0A/dm2。从表2可知,ρ(胡椒醛)为0.2g/L时,镀层外观较无胡椒醛时致密。增大胡椒醛的质量浓度,镀层外观变差,镀层疏松甚至起皮。当镀液中的ρ(胡椒醛)增大到0.6g/L后,镀层外观平整但有裂纹。胡椒醛在水中的溶解度小,不如香草醛易溶于水,因此加入胡椒醛后,对锌-铁合金镀层外观没有起到明显的作用。

2.5锌-铁合金镀层表征

图4是含胡椒醛镀液所得锌-铁合金镀层钝化后的扫描电子显微镜照片。从图4可以看出,镀层的微观结构随着胡椒醛质量浓度的改变而发生变化。没有加入胡椒醛的镀液中获得的锌-铁合金镀层[图4(a)]呈现出杂乱堆积的结构,由团状颗粒与片状晶体构成。镀液中ρ(胡椒醛)为0.2g/L时,获得的锌-铁合金镀层的微观结构为团状颗粒的紧密堆积,只有少数颗粒不均匀。镀液中ρ(胡椒醛)为0.4g/L时,镀层出现了海绵状的形貌;镀液中ρ(胡椒醛)为0.6g/L时,镀层为层状堆积,片状晶体有序组合,表面较为平整,基本没有其他方向的层状结构;当镀液中ρ(胡椒醛)大于0.6g/L后,镀层的微观晶粒出现了树叶状的结构,变得疏松,局部出现片状晶体在其它方向的堆积。从以上情况可看出,镀液中加入胡椒醛后获得的锌-铁合金镀层微观结构显示出了先变得平整,之后逐渐变得粗糙、疏松,出现裂纹。可见向镀液中加入胡椒醛对于改善锌-铁合金镀层的平整与致密性并没有明显的作用。

3·结论

通过以硫酸亚铁与氯化锌为主盐的基础镀液,在θ为20℃,pH为4.5,Jκ为2.0A/dm2的条件下,胡椒醛对于改善锌-铁合金镀层的表面微观形貌作用不明显,耐腐蚀能力随着ρ(胡椒醛)的增加先增后减,在0.6g/L时最佳,比基础镀液所得锌-铁合金镀层的耐腐蚀能力明显增强。镀层中w(Fe)随着胡椒醛的增加而降低,镀层沉积速率也随之减小。

参考文献

[1]李香文,衣海涛,李乃军,等.电镀锌-铁合金的进一步研究[J].电镀与环保,2001,21(8):8-9.

[2]屠振密,潘莉,翟淑芳,等.电沉积锌合金镀层的特性及应用[J].电镀与精饰,2004,26(3):15-19.

[3]崔萍,左正忠.低铁锌铁合金工艺研究与进展[J].科技资讯,2008,(11):1-3.

[4]周晓荣,张佳伟,程四清,等.电镀Zn-Fe合金工艺研究[J].电镀与精饰,2009,31(3):13-15.

[5]周晓荣,刘小波,胡宇,等.硫酸亚铁铵盐弱酸性体系电镀锌铁合金的研究[J].武汉工业学院学报,2010,(1):32-37.

[6]周晓荣,刘兰军,刘小波,等.硫酸亚铁铵体系锌铁合金镀层的性能研究[J].金属制品,2009,(5):22-24.

[7]曾祥德.高耐蚀性氯化物锌铁合金电镀14年应用报告[C]//第九届全国电镀与精饰学术年会论文集.武汉:中国表面工程协会电镀分会,2006:202-205.

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