趙堯敏， 李英華， 王紅芳， 李　慧， 葛沛沛

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

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光亮鍍鎳添加劑對(duì)鍍層抗腐蝕性能的影響研究

趙堯敏， 李英華， 王紅芳， 李慧， 葛沛沛

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了鍍鎳光亮劑糖精鈉、1，4-丁炔二醇和香豆素對(duì)鎳鍍層的光亮度及抗腐蝕性能的影響。通過(guò)對(duì)鍍層表觀(guān)形貌、微觀(guān)形貌、電荷轉(zhuǎn)移電阻、自腐蝕電位、自腐蝕電流的分析，確定了光亮鍍鎳的組合光亮劑最優(yōu)水平。綜合考慮鎳鍍層的光亮效果和電化學(xué)抗腐蝕性能，最優(yōu)的組合光亮劑添加水平為：糖精鈉0.8 g/L、1，4-丁炔二醇0.6 g/L、香豆素0.25 g/L。

關(guān)鍵詞：光亮劑；電鍍鎳；正交試驗(yàn)；優(yōu)化

鎳鍍層的硬度高，在空氣中鎳表面迅速形成一層鈍化膜，從而在常溫下能很好地防止大氣、水、堿液等的侵蝕，具有良好的防護(hù)裝飾功能，可以廣泛地用于耐腐蝕、耐熱鍍層以及模具制造等方面[1]。

在普通鍍鎳液中加入組合光亮劑得到光亮鎳鍍層，在加工過(guò)程中可以省去傳統(tǒng)的拋光工序，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，因此成為鍍鎳工藝中應(yīng)用最廣泛的鍍種[2]。

正交試驗(yàn)是研究處理多因素分析的一種科學(xué)方法。影響光亮鍍鎳的因素很多[3-5]。在影響因素較多時(shí)，采用正交試驗(yàn)，可以用最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，確定各種因素對(duì)光亮鍍鎳產(chǎn)生的影響。

本文在瓦特鍍鎳液的基礎(chǔ)上選用糖精鈉、1，4-丁炔二醇、香豆素作為組合光亮劑[6-10]，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了不同濃度不同種類(lèi)的光亮劑對(duì)鎳鍍層的電化學(xué)性能(電荷轉(zhuǎn)移電阻、自腐蝕電位、自腐蝕電流)的影響。通過(guò)金相顯微照片研究了各種光亮劑對(duì)鍍層光亮度及微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1儀器及電極

TH-CS4型直流數(shù)顯恒流電源(浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司)；pHS-3D型pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；FA2104B型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司)；CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；金相顯微鏡(蘇州南光電子科技有限公司)；飽和甘汞電極；鉑金電極；黃銅基底；鎳陽(yáng)極。

1.2鍍液組成

基礎(chǔ)鍍液成分為：硫酸鎳260 g/L;氯化鎳40 g/L;硼酸38 g/L;潤(rùn)濕劑十二烷基硫酸鈉0.1 g/L。

選用糖精鈉、1，4-丁炔二醇、香豆素作為組合光亮劑[3,6,8]，設(shè)計(jì)三因素兩水平正交試驗(yàn)。各光亮添加劑的因素水平如表1所示。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，如表2所示。

表1　正交試驗(yàn)光亮添加劑的因素水平表　g·L-1

表2　光亮鍍鎳L4(23) 正交試驗(yàn)表　g·L-1

1.3電鍍工藝參數(shù)

正交試驗(yàn)的電鍍工藝參數(shù)如下：鍍液pH值4.0，施鍍溫度50 ℃，陰極電流密度3.0 A/dm2，電鍍時(shí)間10 min。

1.4電鍍工藝流程

正交試驗(yàn)中的電鍍過(guò)程均采用如下工藝:

黃銅基底丙酮除油→黃銅基底電化學(xué)除油→熱水洗→常溫冷水洗→稀酸浸蝕活化→入槽電鍍→冷水洗→乙醇洗→冷風(fēng)干燥→保鮮膜封存→鍍層的表征和測(cè)試。

鎳陽(yáng)極的鍍前處理過(guò)程為：粗紗打磨除銹→水洗→丙酮除油→熱水洗→冷水洗→入鍍槽。

陰陽(yáng)極面積比均選用1∶1.5。所有實(shí)驗(yàn)均采取單面鍍，待鍍銅片的非鍍表面用環(huán)氧樹(shù)脂絕緣密封，所有黃銅基底施鍍面積均相同。

1.5測(cè)試方法

用XJP-300金相顯微鏡對(duì)鍍層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行觀(guān)察和分析。用正交試驗(yàn)得到的鍍片作為研究電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，組成三電極電解池，采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI660C型電化學(xué)工作站測(cè)試鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中的交流阻抗圖譜和Tafel圖譜，以衡量鍍片的抗腐蝕性能。測(cè)試過(guò)程中控制鍍層的測(cè)試面積均相同。

2結(jié)果與分析

2.1外觀(guān)形貌

圖1所示是光亮鍍鎳正交試驗(yàn)制得鍍片的普通數(shù)碼照片。鍍層的直觀(guān)視覺(jué)效果都呈現(xiàn)均勻致密的光亮效果，鍍層平整。其中③號(hào)和④號(hào)鍍片鍍層光亮度最高，表面無(wú)不良現(xiàn)象出現(xiàn)。②號(hào)鍍片鍍層表面存在白霧，鍍層的光亮度降低。①號(hào)鍍片鍍層干凈無(wú)霧，但是光亮度不及③號(hào)和④號(hào)鍍片。從直觀(guān)視覺(jué)效果來(lái)看，鍍層的光亮效果由高到低的順序?yàn)棰?、④、①、②?/p>

圖1　光亮鍍鎳正交試驗(yàn)的各組鍍片的數(shù)碼照片

2.2正交試驗(yàn)的金相顯微照片

圖2　光亮鍍鎳正交試驗(yàn)各組鍍片的金相顯微照片(×400)

圖2所示為正交試驗(yàn)中各組鍍片在放大倍數(shù)為400倍的條件下獲得的金相顯微照片。各鍍片前處理過(guò)程完全一致。從各鍍層的金相顯微照片可以看出，各鍍層表面微觀(guān)形貌良好，其中③號(hào)鍍片表面最優(yōu)，結(jié)晶最細(xì)致，表面最均勻平整，和圖1具有一致的結(jié)果。相比而言，①號(hào)和④號(hào)鍍片的晶粒略粗大，鍍層的光亮度相應(yīng)降低。②號(hào)鍍片表面呈現(xiàn)不均勻的脊?fàn)罹Я＞奂?，和圖1中的霧狀表面相對(duì)應(yīng)。就鍍層的微觀(guān)均勻平整度而言，鍍層質(zhì)量由高到低的順序?yàn)棰?、④、①、②?/p>

2.3正交試驗(yàn)的交流阻抗測(cè)試

圖3所示為光亮鍍鎳正交試驗(yàn)各組鍍片的交流阻抗圖譜。由圖3可知，鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻由高到低的順序?yàn)棰凇ⅱ?、③、④。?duì)于鍍層來(lái)說(shuō)，電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，抗腐蝕性能越好。反之，電荷轉(zhuǎn)移電阻越小，電化學(xué)抗腐蝕性能越差。

圖3　光亮鍍鎳正交試驗(yàn)各組鍍片的交流阻抗圖譜

2.4正交試驗(yàn)的Tafel圖譜

圖4所示為光亮鍍鎳正交試驗(yàn)各組鍍片在掃描速度為10 mV·s-1條件下測(cè)得到的Tafel圖譜。由正交試驗(yàn)得到的各鍍片的自腐蝕電位和自腐蝕電流如表3所示。

(掃描速度10 mV·s-1；電解質(zhì)溶液3.5%NaCl溶液)

正交試驗(yàn)組號(hào)①②③④自腐蝕電位/V-0.2485-0.4157-0.5625-0.4556自腐蝕電流×10-5/A7.6301.9152.9003.638

對(duì)于鍍層來(lái)說(shuō)，通常其自腐蝕電位越正，自腐蝕電流越小，抗腐蝕性能越好。因此從自腐蝕電位來(lái)看，各組鍍片的抗腐蝕性能由高到低的順序?yàn)棰?、②、④、③。從自腐蝕電流來(lái)看，各組鍍片的抗腐蝕性能由高到低的順序?yàn)棰?、③、④、①?/p>

從以上分析可以看出，正交試驗(yàn)中各組鍍片的自腐蝕電位和自腐蝕電流測(cè)試結(jié)果并不一致。以①號(hào)樣品為例，它的自腐蝕電位最正，但其自腐蝕電流卻是最大的。對(duì)于光亮鎳鍍層來(lái)說(shuō)，影響自腐蝕電位的主要因素應(yīng)是鍍層的表面組成。而自腐蝕電流則是鍍層整體抗腐蝕性能的一個(gè)更宏觀(guān)的衡量指標(biāo)，它的影響因素更多更全面，用以衡量鍍層的抗腐蝕性能更科學(xué)合理。①號(hào)樣品鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流的不一致在一定程度上表明該鍍層的表面結(jié)構(gòu)存在裂縫或針孔，這種結(jié)構(gòu)上的缺陷使得鍍層的整體自腐蝕電流增加，抗腐蝕性能降低。

2.5正交試驗(yàn)中各光亮劑對(duì)鎳鍍層電化學(xué)抗腐蝕性能的影響

正交試驗(yàn)各光亮劑水平和鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻測(cè)試結(jié)果如表4所示。以鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)極差分析，可以得出各光亮劑組分的添加水平變化對(duì)光亮鎳鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻的影響程度。分析結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，糖精鈉對(duì)光亮鎳鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電位的影響最大，香豆素次之，1，4-丁炔二醇的影響最小。糖精鈉含量越高，光亮鎳鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，即較高的糖精鈉加入水平有利于提高鎳鍍層的電化學(xué)抗腐蝕性能。

表 4　L4(23)正交表試驗(yàn)結(jié)果(以電荷轉(zhuǎn)移電阻為評(píng)價(jià)指標(biāo))

正交試驗(yàn)中各光亮劑水平和鍍層的自腐蝕電位如表5所示。以鍍層的自腐蝕電位作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)極差分析，可以得出各光亮劑組分的添加水平變化對(duì)光亮鎳鍍層的自腐蝕電位的影響程度。分析結(jié)果表明，1,4-丁炔二醇對(duì)光亮鍍層的自腐蝕電位的影響最大，香豆素次之，糖精鈉影響最小。1,4-丁炔二醇含量較低，鍍層的自腐蝕電位較高。1,4-丁炔二醇含量較高，鍍層的自腐蝕電位較低。即從自腐蝕電位的角度來(lái)看，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，1,4-丁炔二醇含量降低有利于鍍層的自腐蝕電位正向移動(dòng)。

表5　L4(23)正交表試驗(yàn)結(jié)果(以自腐蝕電位為評(píng)價(jià)指標(biāo))

正交試驗(yàn)中各光亮劑水平和鍍層的自腐蝕電流結(jié)果如表6所示。以鍍層的自腐蝕電流作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)極差分析，可以得出各光亮劑組分的添加水平變化對(duì)光亮鎳鍍層的自腐蝕電流的影響程度。分析結(jié)果表明，香豆素對(duì)光亮鍍層的自腐蝕電流的影響最為顯著，糖精鈉次之，1，4-丁炔二醇的影響最小。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，香豆素含量較高時(shí)所獲鍍層的自腐蝕電流較小，表明鍍層整體的抗腐蝕性能較好。

表6　L4(23)正交表試驗(yàn)結(jié)果(以自腐蝕電流為評(píng)價(jià)指標(biāo))

3結(jié)語(yǔ)

選擇組合添加劑糖精鈉、1，4-丁炔二醇、香豆素作為考察因素，對(duì)光亮鍍鎳進(jìn)行了三因素兩水平的正交試驗(yàn)，對(duì)鍍層的微觀(guān)形貌和電化學(xué)抗腐蝕結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，糖精鈉對(duì)光亮鎳鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻的影響最大，1,4-丁炔二醇對(duì)光亮鍍層的自腐蝕電位的影響最大，香豆素對(duì)光亮鍍層的自腐蝕電流的影響最為顯著。

綜合考慮鎳鍍層的光亮效果和電化學(xué)抗腐蝕性能，最優(yōu)的組合光亮劑添加水平為：糖精鈉0.8 g/L、1，4-丁炔二醇0.6 g/L、香豆素0.25 g/L。

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(責(zé)任編輯：席艷君)

Influences of Group Brighteners on the Electrochemical Anti-corrosion Properties of Nickel Coatings Through Orthogonal Experiments

ZHAO Yao-min, LI Ying-hua, WANG Hong-fang, LI Hui, GE Pei-pei

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:The influences of saccharin sodium, 1, 4-butynediol, and coumarin as the group brighteners on the nickel deposition process were investigated through orthogonal experiments on the basis of Watts baths. The coating surface morphology were studied by means of metallographic microscope and digital signal camera(DSC-W30)and the anti-corrosion properties were investigated by means of electrochemical tests including impedance resistance spectra and Tafel curves. Combined the brightness and the electrochemical anti-corrosion of the nickel coating, the optimum additive concentrations of bright nickel electro-deposition was ascertained: saccharin sodium 0.8 g/L, 1, 4-butynediol 0.6 g/L and coumarin 0.25 g/L.

Key words:brightener; nickel coating; orthogonal experiments; optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.012

文章編號(hào)：1671-6906(2016)01-0051-04

作者簡(jiǎn)介：趙堯敏(1972-)，女，河南南陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡姵?、電鍍、超?jí)電容器。

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2011GGJS-116)

收稿日期：2015-09-25