機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層及其耐蝕性的研究

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318）

0 前言

鋅-鐵合金鍍層在干燥的空氣中對基體具有穩(wěn)定的保護作用。在潮濕的空氣中，鋅-鐵合金鍍層表面會形成一層由碳酸鹽或氧化物組成的白色薄膜，可以防止鍍層的進一步破壞。鋅-鐵合金鍍層不但對大氣腐蝕有防護能力，而且對汽油、煤油、潤滑油等油類有很高的防銹能力，可用于油類設備管道的防腐蝕。以往關(guān)于鋅-鐵合金鍍層的研究大多集中在配方的改進上[1]。本實驗在普通鋅-鐵合金的電鍍過程中施加機械研磨作用，制得機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層[2]。研究發(fā)現(xiàn)，該鍍層的組織結(jié)構(gòu)致密，晶粒達到了納米晶尺寸，耐蝕性更好。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為普通級碳素鋼Q235。電鍍前，試樣依次經(jīng)過砂紙打磨、丙酮除油、無水乙醇清洗、活化處理。

1.2 鍍液配方

氯化鋅100 g/L，硫酸亞鐵10 g/L，氯化鉀180 g/L，抗壞血酸1.2 g/L，硼酸20 g/L，檸檬酸鈉16 g/L，聚乙二醇1.2 g/L。

1.3 實驗裝置

制備普通鋅-鐵合金鍍層時，電鍍電源選擇實驗室專用電鍍電源，電流為1.5 A/dm2，電鍍時間為15 min。機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的制備選擇與普通電鍍鋅-鐵合金鍍層相同的鍍液配方和工藝參數(shù)。機械研磨電鍍裝置如圖1所示。向鍍槽中添加不同直徑的玻璃球，通過玻璃球?qū)﹀儗舆M行沖擊研磨作用，制備機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層。

圖1 機械研磨電鍍裝置

1.4 性能測試

1.4.1 微觀形貌及成分分析

采用掃描電子顯微鏡觀察鍍層的微觀形貌，并采用配套的能譜儀對鍍層進行成分分析。

1.4.2 浸泡試驗

在3.5%的NaCl溶液中，測量鍍層的開路電位。

1.4.3 電化學測試

采用CS310型電化學工作站進行電化學測試。采用普通的三電極系統(tǒng)，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。試驗溶液為3.5%的NaCl溶液。對兩種鍍層分別進行極化曲線分析和交流阻抗分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

普通鋅-鐵合金鍍層和機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的微觀形貌分別如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知：普通鋅-鐵合金鍍層的晶粒較大，呈明顯的晶胞狀。這是因為普通鋅-鐵合金鍍層的晶粒大小是由表面能控制的。而機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層表面平整、致密，出現(xiàn)了納米晶組織。這是因為機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的晶粒在長大過程中，不僅受到表面能的制約，還受到玻璃球的研磨沖擊作用，限制了晶粒的繼續(xù)長大；同時，電鍍過程中與基體結(jié)合不夠牢固的鍍層被沖擊作用剝離基體，使得陰極極化作用進一步提高，得到的晶粒更加細小、結(jié)構(gòu)更加致密[3]。

圖3 機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的微觀形貌

普通鋅-鐵合金鍍層和機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的能譜圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：兩種鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)都比較低，維持在0.8%～2.0%之間。經(jīng)過前人的研究，鐵的質(zhì)量分數(shù)在此區(qū)間的鋅-鐵合金鍍層的耐蝕性良好。不同的是，機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)比普通鋅-鐵合金鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)略低。這可能是因為機械研磨提高了鋅-鐵合金鍍層的異常共沉積，使得鋅優(yōu)先沉積，鐵的沉積受到抑制[4]，所以機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)偏低。

圖4 普通鋅-鐵合金鍍層的能譜圖

圖5 機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的能譜圖

2.2 鍍層浸泡分析

圖6為兩種鍍層的開路電位隨時間的變化曲線。由圖6可知：機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電位略低于普通鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電位，腐蝕傾向更大。這可能是因為機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)比普通鋅-鐵合金鍍層中鐵的質(zhì)量分數(shù)低，導致自腐蝕電位較低。同時，普通鋅-鐵合金鍍層和機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電位都隨時間的推移而不斷升高，但是機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電位的上升速率較慢。其原因是隨著時間的推移，鍍層不斷溶解，陽極面積不斷減小，陰極面積不斷增大，造成了自腐蝕電位不斷升高。但是機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的結(jié)構(gòu)比較致密，延緩了腐蝕過程，自腐蝕電位的上升速率較慢。

圖6 兩種鍍層的開路電位隨時間的變化曲線

2.3 極化曲線分析

圖7為兩種鍍層的極化曲線。由圖7可知：普通鋅-鐵合金鍍層和機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的極化曲線均表現(xiàn)出活化鈍化過程。這是因為鍍層中鋅的質(zhì)量分數(shù)較高，作為陽極，優(yōu)先溶解，其溶解過程表現(xiàn)出活化特征。隨著陽極極化電位的升高，鍍層表現(xiàn)出鈍化特征。其原因可能是由于腐蝕產(chǎn)物的積累，形成了一層難溶性的氧化物薄膜，阻礙腐蝕過程的進行[5]。而機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電流要比普通鋅-鐵合金鍍層的自腐蝕電流小，同時其擁有更低的鈍化電位，耐蝕性更好。這是因為機械研磨電鍍鋅-鐵合金鍍層結(jié)構(gòu)致密，晶粒細小。

圖7 兩種鍍層的極化曲線

3 結(jié)論

（1）機械研磨鋅-鐵合金鍍層的耐蝕性優(yōu)于普通鋅-鐵合金鍍層的耐蝕性。這是由于機械研磨使得鍍層結(jié)構(gòu)致密、晶粒細化造成的。

（2）機械研磨實現(xiàn)了對鋅-鐵合金鍍層的納米化，出現(xiàn)了納米晶結(jié)構(gòu)。