[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

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/L NiSO4·6H2O，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=1976.1Ω·cm2,而相同条件下原始碳钢的极化电阻Rp=1448Ω·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,腐蚀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。