鍍液組成對(duì)硫酸鹽鍍鋅鍍層性能的影響

邢樂(lè)紅*，黎德育李寧崔術(shù)新

（1.牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157012；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

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鍍液組成對(duì)硫酸鹽鍍鋅鍍層性能的影響

邢樂(lè)紅1，2，*，黎德育2，李寧2，崔術(shù)新1

（1.牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157012；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

在5 A/dm2的大電流密度下，分析了硫酸鹽鍍鋅液中Zn2+和濃硫酸含量對(duì)鍍層表觀質(zhì)量（明度）和微觀結(jié)構(gòu)的影響。隨Zn2+或濃硫酸含量升高，鍍層的明度先增大后減小，微觀結(jié)構(gòu)先改善后變差。當(dāng)鍍液中Zn2+含量和濃硫酸含量分別為90 g/L和6 g/L時(shí)，所得鍍鋅層的明度最高，結(jié)晶最細(xì)致。

低碳鋼；硫酸鹽鍍鋅；鍍液組成；明度；微觀形貌

First-author’s address: School of Chemistry and Chemical Engineering， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang 157012， China

硫酸鹽體系鍍鋅具有高效、環(huán)保，可在大電流密度下高速電鍍，鍍層耐蝕性和機(jī)械性能良好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、軍事、汽車等領(lǐng)域鋼鐵的表面處理［1-2］。鍍液體系的成分及其濃度對(duì)鍍層性能的影響很大［3-4］，目前對(duì)硫酸鹽鍍鋅體系的研究主要集中在添加劑方面。但高速鍍鋅時(shí)，所用電流密度較大，陰極極化較強(qiáng)，即使鍍液中不加任何添加劑，也能獲得性能良好的鍍鋅層［5］。在生產(chǎn)過(guò)程中，可以用鍍鋅層的明度來(lái)快速、定量地評(píng)價(jià)鍍層的表觀質(zhì)量，明度值越大，表明鍍層的表觀質(zhì)量越好［6］。本文系統(tǒng)地分析了硫酸鹽鍍鋅液中鋅離子含量和硫酸含量對(duì)鍍層性能的影響，利用明度評(píng)價(jià)鍍層的表觀質(zhì)量，獲得了結(jié)晶細(xì)致和高明度的鍍鋅層。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 前處理

采用10 cm × 5 cm的低碳鋼板為基體，在燒杯中依次對(duì)其進(jìn)行除油（5 g/L十二烷基磺酸鈉溶液）、80 °C熱水洗、酸洗（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸溶液）和去離子水洗后電鍍鋅。

1. 2 硫酸鹽電鍍鋅

在方形塑料鍍槽中進(jìn)行電鍍，陽(yáng)極為可溶性鋅陽(yáng)極。鍍液組成和工藝條件為：鋅離子（以ZnSO4·7H2O的形式加入）50 ～ 130 g/L，濃硫酸4 ～ 12 g/L，溫度50 °C，電流密度5 A/dm2，時(shí)間475 s。

1. 3 性能表征

1. 3. 1 明度測(cè)試

采用杭州輕通儀器有限公司的XND-1明度測(cè)試儀測(cè)定鍍鋅層表面的明度，每個(gè)鍍鋅試片在對(duì)角線上5個(gè)不同位置測(cè)定，取平均值為該試片的明度。相同條件下平行鍍3個(gè)試片，取3個(gè)試片的平均明度為對(duì)應(yīng)工藝條件下的明度值。明度越大，則鍍層表觀質(zhì)量越好。

1. 3. 2 微觀形貌

利用上海儀器五廠4XC型金相顯微鏡觀察鍍鋅層的微觀形貌。

2　結(jié)果與討論

2. 1 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層性能的影響

2. 1. 1 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層表觀質(zhì)量的影響

固定濃硫酸含量為4 g/L不變，控制鍍液中Zn2+質(zhì)量濃度分別為50、70、90、110和130 g/L，研究Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層明度的影響，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，隨著Zn2+質(zhì)量濃度的增大，鍍層明度先增大后減小，當(dāng)Zn2+質(zhì)量濃度為90 g/L時(shí)，鍍層的明度最高，表觀質(zhì)量最好。這主要是由于隨著Zn2+含量的增大，鍍液的極限電流密度增大，濃差極化降低，有利于形成細(xì)小、致密的晶粒。但當(dāng) Zn2+含量過(guò)高時(shí)，鍍液的黏度明顯增大，不利于Zn2+的擴(kuò)散，使鍍層結(jié)晶粗大。

圖1 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層明度的影響Figure 1 Effect of Zn2+content on luminosity of zinc coating

2. 1. 2 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同Zn2+質(zhì)量濃度下所得鍍鋅層的金相顯微照片如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)Zn2+質(zhì)量濃度為90 g/L時(shí)，鍍層結(jié)晶最細(xì)致，這主要是由于本工藝在較高的電流密度下進(jìn)行，當(dāng) Zn2+質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí)，濃差極化的影響顯著，鍍層結(jié)晶粗大。當(dāng)Zn2+質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，鍍液黏度明顯增大，不利于Zn2+擴(kuò)散。Zn2+質(zhì)量濃度為90 g/L時(shí)，鍍層最為細(xì)致，明度也最高。

圖2 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)鍍層微觀形貌的影響Figure 2 Effect of Zn2+content on microscopic morphology of zinc coating

2. 2 硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層性能的影響

2. 2. 1 硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層表觀質(zhì)量的影響

在Zn2+質(zhì)量濃度為90 g/L的條件下，研究了濃硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層表觀質(zhì)量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知，隨著濃硫酸質(zhì)量濃度的增大，鍍層的明度先增大后減小，當(dāng)濃硫酸的質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí)，鍍層的明度最高。這主要是由于隨H2SO4含量的增大，鍍液pH降低，游離酸增多，Zn2+水解反應(yīng)得到抑制，鍍層質(zhì)量提高。并且H2SO4含量的增大可提高溶液的電導(dǎo)率，降低內(nèi)阻。此外，提高H2SO4含量可使陰極極化增強(qiáng)，鍍層結(jié)晶細(xì)致。但H2SO4含量不宜過(guò)高，否則會(huì)使鋅陽(yáng)極的化學(xué)溶解加劇，鍍液中Zn2+含量過(guò)高，鍍層質(zhì)量下降。

圖3 濃硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層明度影響Figure 3 Effect of concentrated sulfuric acid content on luminosity of zinc coating

2. 2. 2 濃硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層微觀結(jié)構(gòu)的影響

鍍液中Zn2+含量為90 g/L、濃硫酸含量不同時(shí)所得鍍鋅層的金相照片如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)濃硫酸的質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí)，鍍層結(jié)晶最為細(xì)致。

圖4 濃硫酸質(zhì)量濃度對(duì)鍍層微觀形貌的影響Figure 4 Effect of concentrated sulfuric acid content on microscopic morphology of zinc coating

3　結(jié)論

研究了硫酸鹽鍍鋅液中 Zn2+和濃硫酸的質(zhì)量濃度對(duì)鍍鋅層明度、微觀形貌等性能的影響。結(jié)果表明，兩種組分的含量均不宜過(guò)高或過(guò)低，當(dāng)Zn2+和濃硫酸的質(zhì)量濃度分別為90 g/L和6 g/L時(shí)，所得鍍鋅層的明度最高（約為83.24），結(jié)晶最細(xì)致。

［1］ 肖鑫， 郭賢烙， 易翔， 等. 光亮硫酸鹽鍍鋅工藝研究［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2000， 21 （11）： 498-501.

［2］ 周琦， 賀春林， 才慶魁， 等. 鍍鋅鋼板在不同水溶液中的腐蝕行為［J］. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 24 （4）： 72-74.

［3］ 章小鴿. 鋅和鋅合金的腐蝕（一）［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2006， 27 （1）： 41-50.

［4］ 安茂忠. 電鍍鋅及鋅合金發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 電鍍與涂飾， 2003， 22 （6）： 35-40.

［5］ 邢樂(lè)紅， 黎德育， 李寧， 等. 溫度對(duì)硫酸鹽鍍鋅層性能的影響［J］. 電鍍與涂飾， 2015， 34 （11）： 602-604.

［6］ 李寧， 武剛， 黎德育， 等. 采用明度法確定高速電鍍鋅工藝參數(shù)［J］. 材料科學(xué)與工藝， 2001， 9 （4）： 420-423.

［ 編輯：周新莉 ］

Effect of bath composition on properties of zinc coating electroplated from a sulfate bath

XⅠNG Le-hong*，LⅠ De-yu， LⅠ Ning， CUⅠ Shu-xin

The effect of the contents of Zn2+and concentrated sulfuric acid on the apparent quality （luminosity） and microscopic morphology of zinc coating electroplated from a sulfate bath at high current density was analyzed. With the increasing content of Zn2+or concentrated sulfuric acid in bath， the luminosity of zinc coating is increased initially and then decreased， and the microscopic morphology is improved initially and then becomes worse. The zinc coating obtained from the bath containing 90 g/L Zn2+and 6 g/L concentrated sulfuric acid features the highest luminosity and the most compact crystalline structure.

mild steel； sulfate zinc electroplating； bath composition； luminosity； microscopic morphology

TQ153.15

A

1004 - 227X （2016） 07 - 0351 - 03

2016-03-08

2016-03-22

牡丹江師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（MSB201208）；牡丹江師范學(xué)院國(guó)家級(jí)重點(diǎn)創(chuàng)新預(yù)研項(xiàng)目（GY201201）；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（QC2014C009）；牡丹江市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（G2013f1407）。

邢樂(lè)紅（1983-），女，山東武城縣人，博士，講師，主要從事金屬表面處理及化學(xué)電源等方面的研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） xinglehonghit@126.com。