低共熔溶剂中电沉积锌铁合金的研究

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锌铁合金因具有良好的机械性能和耐蚀性能被认为是理想的代铬镀层,并广泛应用于汽车、机械、航空航天等领域。目前,锌铁合金的电沉积主要在水溶液中进行,然而水溶液中电沉积制备锌铁合金存在氢脆、工艺复杂和施镀后镀液难处理等问题,这严重影响了锌铁合金的性能。低共熔溶剂具有宽的电化学窗口、高的电导率以及良好的热稳定性等优点,并且其合成原料低廉、绿色无毒,在空气中能够稳定存在。因此,低共熔溶剂被认为是电沉积制备锌铁合金的理想溶剂。本研究以氯化胆碱和乙二醇(摩尔比为1:2)为原料制备低共熔溶剂,以氯化锌和硫酸亚铁为主盐,采用恒电流法电沉积锌铁合金镀层,研究了锌和铁在低共熔溶剂中的电化学行为、电结晶过程。探究了工艺参数、添加剂对镀层形貌、晶型结构、耐蚀性能、显微硬度以及耐摩擦性能的影响,得到的结论如下:(1)低共熔溶剂能够络合锌离子和亚铁离子,缩小两者的沉积电位差,促进锌和铁的共沉积。锌和铁在低共熔溶剂中趋向于三维瞬时成核方式。通过控制变量法,确定了最佳工艺参数:氯化锌浓度为14.0 g·L-1,硫酸亚铁浓度为2.0 g·L-1,电流密度为200 mA·cm-2,温度为80℃,沉积时间为1 h。(2)在低共熔溶剂中研究了水含量对电沉积锌铁合金的影响。水会降低低共熔溶剂的黏度,提高电导率,增大镀层的晶粒尺寸。当水含量为4 wt.%时,低共熔溶剂能够维持原有的电化学窗口,此时制备的镀层平整致密,在3.5%氯化钠溶液中表现出最佳的耐蚀性能。(3)在低共熔溶剂中研究了苯并胍胺对电沉积锌铁合金的影响。结果表明:(1)苯并胍胺中的氮原子提供电子给锌原子和铁原子的空轨道,从而吸附在镀层表面。(2)随着苯并胍胺浓度的增加,镀速降低,镀层由三角锥状结构变为包状结构。(3)镀层由面心立方结构的Fe3Zn10组成,其最优晶面为(400),随着苯并胍胺浓度的增加,平均晶粒尺寸细化。(4)苯并胍胺提高了镀层的耐蚀性能。当苯并胍胺的浓度为0.15 g·L-1时,镀层的腐蚀电位最正,腐蚀电流密度最小,极化电阻和电荷转移电阻最大,耐蚀性能最佳。(5)随着苯并胍胺的浓度的增加,镀层的硬度增加,耐摩擦性能提高。(4)在低共熔溶剂中研究了二甲基亚砜对电沉积锌铁合金的影响。结果表明:(1)二甲基亚砜上的氧原子和硫原子提供电子给锌原子和铁原子的空轨道,从而吸附在镀层表面。(2)随着二甲基亚砜浓度的增大,镀速降低,镀层由三角锥状结构变为包状结构。(3)镀层由面心立方结构的Fe3Zn10组成,最优晶面为(400),随着苯并胍胺浓度的增加,平均晶粒尺寸细化。(4)二甲基亚砜提高了镀层的耐蚀性能。当二甲基亚砜的浓度为2.0 g·L-1时,镀层的腐蚀电位最正,腐蚀电流密度最小,极化电阻和电荷转移电阻最大,耐蚀性能最佳。(5)随着二甲基亚砜浓度的增加,镀层的硬度增加,耐摩擦性能提高。
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