電鍍鎳-錫合金耐腐蝕性能研究

宋振興，馬樹元，姚素薇，王宏智，張衛(wèi)國，梁 山，趙占芬

(1.天津科技大學(xué) 理學(xué)院 化學(xué)系，天津 300457;2.天津大學(xué) 化工學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，天津300072)

引 言

電鍍鎳-錫合金是應(yīng)用最廣泛的合金鍍層之一，其具有良好的外觀色澤，深受人們青睞，可作為某些室內(nèi)外裝飾性電鍍層的代鉻鍍層使用。在亮鎳或光亮鎳-鐵合金基體上鍍鎳-錫合金，其鍍層很薄，韌性好，與底層金屬的結(jié)合也很好，鍍層經(jīng)彎曲不脫落、起皮或開裂，沒有脆性。而厚的鍍層有脆性。槍黑色的鎳-錫合金層還可以與金色鍍層形成雙色鍍層，特別適用于手表帶上的裝飾。鎳-錫合金鍍層耐蝕性及抗變色性能良好，有適度的硬度和耐磨性，其硬度介于鎳和鉻鍍層之間;鍍層內(nèi)應(yīng)力小，金相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［1］，但摩擦阻力較大，油膜可以吸附在鍍層上;且鎳-錫合金鍍層為非磁性，有良好的釬焊性和導(dǎo)電性［2-5］。基于上述優(yōu)點，鎳-錫合金鍍層廣泛的應(yīng)用于電子、電器產(chǎn)品、精密機械產(chǎn)品、光學(xué)儀器、照相器材及印刷電路板等領(lǐng)域［6-9］。

近年來環(huán)境問題的日益嚴重，人們的環(huán)境意識和環(huán)保標準不斷提高。傳統(tǒng)的電鍍鉻工藝雖然外觀和性能優(yōu)良，但是對環(huán)境污染的長效性和嚴重性使一些國家對其進行了嚴格限制［10-14］。因而，尋找外觀、硬度及耐磨性都較好的代鉻工藝已成為我國許多有出口產(chǎn)品的電鍍廠的生命線［15-16］。目前，鎳-錫合金及其復(fù)合鍍層是比較成熟的代鉻鍍層，鍍液向無污染綠色化發(fā)展，對其工藝條件及性能的研究具有重大意義。

1 實驗方法

1.1 溶液組成及操作條件

鎳-錫合金溶液組成及操作條件為:

SnCl4·5H2O 5 ～60g/L

NiSO4·6H2O 50g/L

Na2SO4100g/L

添加劑ZX-1 30g/L

θ 50℃

pH 5.0

Jk6A/dm2

1.2 工藝流程

試樣采用黃銅基體，鍍層δ為30μm。

鎳-錫合金工藝流程為:砂紙打磨→清洗→水洗→電解除油→水洗→強浸蝕→水洗→弱浸蝕→水洗→鍍鎳-錫合金→水洗→烘干。

1.3 陽極極化曲線和交流阻抗譜測試

采用辰華660型電化學(xué)工作站(上海辰華公司)測試陽極極化曲線和交流阻抗譜圖。線性電位的掃描范圍為 －0.5～1.0V，掃描速度為 1mV/s。交流阻抗測試頻率為0.01～10000Hz，初始電位為開路電壓。研究電極為待測試片，輔助電極為鍍鉑鈦網(wǎng)，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為鹽酸、硫酸溶液及3%NaCl溶液，測試A為1cm2。通過陽極極化曲線和交流阻抗曲線比較鍍層的耐蝕性能。

1.4 人造海水浸泡試驗

人工海水組成:

NaCl 26g/L

MgCl22g/L

MgSO43g/L

CaCl21g/L

將試片浸泡于人工海水中。每隔兩天取出一次，用水和酒精將鍍片表面處理干凈，干燥后稱量。對比浸泡前后試片的質(zhì)量變化來考察鍍層的耐腐蝕性能。

1.5 觀測鍍層表面形貌

采用TS5130SB型掃描電鏡(SEM)(捷克TESCAN公司)觀察鍍層的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡測試

采用掃描電鏡觀測不同Sn質(zhì)量分數(shù)的Ni-Sn合金鍍層表面形貌。圖1為 w(Sn)為4.06%及8.88%的Ni-Sn合金鍍層的SEM照片。由圖1可知，鍍層表面較平整，結(jié)晶細致，其它w(Sn)的鍍層SEM照片與圖1相一致。

圖1 Ni-Sn合金鍍層的SEM照片

2.2 鍍層成分對耐蝕性的影響

2.2.1 鍍層在硫酸溶液中的耐蝕性

為考察鍍層成分對耐蝕性的影響，分別測試w(Sn)為 4.06%、6.48%、7.72%、8.88% 及10.08%的Ni-Sn合金鍍層在25%硫酸溶液中的交流阻抗譜和陽極極化曲線。

圖2 為不同w(Sn)的Ni-Sn合金鍍層在25%硫酸溶液中的交流阻抗譜圖，圖中半圓直徑代表電化學(xué)反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移電阻。半圓直徑越大，鍍層的耐蝕性越好。由圖2可知，隨著鍍層中w(Sn)的增大，鍍層的耐蝕性呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。當鍍層中w(Sn)從4.06%增大到8.88%時，鍍層的電化學(xué)反應(yīng)電阻減小，耐蝕性降低;當鍍層中 w(Sn)超過8.88%并繼續(xù)上升時，鍍層的電化學(xué)反應(yīng)電阻增大，耐蝕性逐漸變好;當w(Sn)增大到10.08%時，鍍層耐蝕性最好。

圖2 Ni-Sn合金鍍層在硫酸溶液中的交流阻抗譜圖

圖3 為不同w(Sn)的Ni-Sn合金鍍層在25%硫酸溶液中的陽極極化曲線。當鍍層中w(Sn)從4.06%增大到8.88%時，腐蝕電位負移，鍍層的耐蝕性逐漸降低;當鍍層中w(Sn)繼續(xù)增大時，腐蝕電位逐漸正移。鍍層中w(Sn)為8.88%，腐蝕電位最負，耐腐蝕性能最差;鍍層中w(Sn)為10.08%，腐蝕電位最正，腐蝕電流最小，耐蝕性最好。

圖3 Ni-Sn合金鍍層在硫酸溶液中的陽極極化曲線

2.2.2 鍍層在鹽酸溶液中的耐蝕性

為考察鍍層成分對耐蝕性的影響，分別測試w(Sn)為 4.06%、6.48%、7.72%、8.88% 及10.08%的Ni-Sn合金鍍層在10%鹽酸溶液中的交流阻抗譜和陽極極化曲線。圖4為不同w(Sn)的Ni-Sn合金鍍層在10%鹽酸溶液中的交流阻抗譜圖。由圖4可知，鍍層的耐腐蝕性能隨鍍層中w(Sn)的不斷增大而呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當鍍層中w(Sn)從4.06%增大到8.88%時，電化學(xué)反應(yīng)電阻逐漸減小，耐蝕性逐漸降低;在w(Sn)為8.88%時，耐蝕性能達到最低;當鍍層中w(Sn)繼續(xù)升高至10.08%時，電化學(xué)反應(yīng)電阻又增大，耐蝕性提高。

圖4 Ni-Sn合金在鹽酸溶液中的交流阻抗譜圖

圖5 為不同w(Sn)的Ni-Si合金鍍層的陽極極化曲線。由圖5可知，當鍍層中w(Sn)從4.06%增大到8.88%時，腐蝕電位逐漸負移，從－0.276V負移到－0.311V，鍍層的耐蝕性逐漸降低;當鍍層中w(Sn)繼續(xù)增大到10.08%時，腐蝕電位又逐漸正移至－0.283V，耐蝕性增強。

圖5 Ni-Sn合金在鹽酸溶液中的陽極極化曲線

2.2.3 鍍層在NaCl溶液中的耐蝕性

為考察鍍層成分對耐蝕性的影響，分別測試w(Sn)為 4.06%、6.48%、7.72%、8.88% 及10.08%的Ni-Sn合金鍍層在3%的NaCl溶液中的交流阻抗譜和陽極極化曲線，如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著鍍層中w(Sn)的逐漸增大，電化學(xué)反應(yīng)電阻先減小后增大，耐蝕性先下降后升高;當鍍層中w(Sn)為8.88%時，耐蝕性能達到最低;w(Sn)為10.08%的鍍層的電化學(xué)反應(yīng)電阻最大，耐蝕性最好。這可能是因為少量的Sn在Ni-Sn合金表面破壞了Ni的氧化物的完整性，從而降低其耐腐蝕性;而w(Sn)的進一步增加使Ni-Sn合金表面產(chǎn)生了較為完整的SnO和SnO2膜，由于Sn的氧化物比Ni的氧化物更加穩(wěn)定，所以當鍍層中w(Sn)繼續(xù)增大時，鍍層表面的鈍化膜越來越穩(wěn)定，鍍層的耐蝕性反而增加。

圖6 Ni-Sn合金在NaCl溶液中的交流阻抗譜圖

圖7 為不同w(Sn)的Ni-Sn合金鍍層在3%NaCl溶液中的陽極極化曲線。當鍍層中w(Sn)逐漸增大，腐蝕電位也逐漸正移，從－0.329V正移到－0.223V，鍍層的耐蝕性逐漸提高;當鍍層中w(Sn)為10.08%時，腐蝕電位最正，耐蝕性最好;當鍍層中w(Sn)為8.88%時，腐蝕電位最負，耐蝕性最差，與交流阻抗圖譜所得結(jié)果基本一致。

圖7 Ni-Sn合金鍍層在NaCl溶液中的陽極極化曲線

2.2.4 鍍層在人工海水中的浸泡試驗

為考察鍍層成分對耐蝕性的影響，將試片懸掛浸泡在人工海水中得到鍍層的腐蝕質(zhì)量損失與浸泡時間的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 浸泡時間與腐蝕質(zhì)量損失的關(guān)系曲線

由圖8可知，隨著浸泡時間的不斷增加，鍍層的質(zhì)量損失逐漸增加;在相同的浸泡時間下，鍍層的質(zhì)量損失隨鍍層中w(Sn)的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當鍍層中w(Sn)為8.88%時，腐蝕損失最大，耐蝕性最差。

3 結(jié)論

1)制備了Ni-Sn合金鍍層。通過SEM測試可知，鍍層表面平整，結(jié)晶細致，表面裂紋和劃痕較少，是良好的裝飾性及功能性代鉻鍍層。

2)w(Sn)分別為 4.06%、6.48%、7.72%、8.88%和10.08%的Ni-Sn合金鍍層在25%硫酸溶液、3%NaCl及10%鹽酸溶液中的交流阻抗譜和陽極極化曲線顯示，當鍍層中w(Sn)從4.06%增大到8.88%時，耐蝕性逐漸降低;在w(Sn)為8.88%時，耐蝕性能達到最低;當w(Sn)繼續(xù)升高至10.08%時，鍍層的耐蝕性提高。

3)在人工海水中浸泡的Ni-Sn合金鍍層隨著浸泡時間的不斷增加，鍍層的質(zhì)量損失逐漸增加;并且在相同的浸泡時間下，鍍層的質(zhì)量損失隨鍍層w(Sn)的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，w(Sn)為8.88%的鍍層質(zhì)量損失最大，耐蝕性最差，與陽極極化曲線一致。

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