电镀锡板的电沉积成核机理及防护技术

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电镀锡板广泛应用于各种形态物品如化工、油漆、喷雾剂、食品、饮料的包装和各种器皿的制造。一直以来,锡板的电沉积和耐蚀性能一直是生产企业特别关心的问题。电沉积成核与生长机理对镀层的结构、相组成具有十分重大的影响,进一步影响镀层的耐蚀性能及其使用条件。采用电化学手段和技术(计时安培法、循环伏安法、电化学阻抗谱,电化学噪声等)开展锡电沉积过程的成核/生长机制方面的研究,对于探索和深入理解金属电沉积的电化学理论,开发新型电镀添加剂,提高电镀锡板的耐蚀能力等,具有极其重要的理论和实际指导意义。同时,镀层的软熔和钝化是提高镀锡板耐蚀性能的两个重要方法,研究其工艺参数并加以优化,有助于得到耐蚀性能更优的镀锡板。本论文主要分为两部分,第一部分研究了镀锡板电沉积成核与生长机理,采用电化学方法分别建立了相关的机理模型;第二部分研究了镀锡板的两种防护技术:软熔及钝化,并以镀层的耐蚀性能为指标优化出最佳的工艺参数。论文首先研究了镀锡板的电沉积成核与生长机制。以镀锡板的耐蚀性能为指标,主要通过电化学阻抗谱评价不同工艺(主盐浓度、镀液pH值、温度、电流密度等)得到的镀锡板的耐蚀性能,从而优化得到最佳电沉积工艺。通过循环伏安方法判断出在此电沉积条件下,锡的电沉积行为为三维成核与生长机理,且主要受扩散控制。采用电势阶跃的方法研究了不同过电位下瞬时成核与连续成核类型,成核与生长速率常数等。结果表明,镀锡板电沉积随着过电位的增大,成核与生长机制由连续成核转变为瞬时成核。考虑到沉积过程伴随着析氢反应,基于成核与析氢过程总电流建立了新的电流—时间曲线模型,并以此计算出镀锡板真实的成核与生长速率常数。阶跃结果表明,较低恒电位沉积时,沉积总电流主要由锡的成核与生长电流和基底表面的析氢反应电流,以及锡核表面的析氢反应电流三部分组成;较高恒电位沉积时,沉积总电流主要由锡的成核与生长电流和锡核表面的析氢反应电流组成。同时采用电化学阻抗研究了镀锡板电沉积机理。结果表明,镀锡板电沉积过程的电荷转移电阻与沉积过电位间存在着指数衰减的关系。进一步采用电化学电位噪声的方法探讨了电位噪声特征与镀层结构间的对应关系。当镀锡板结晶颗粒较大或有枝晶时,电位噪声波动幅动较大且电位出现正移,而当镀锡板表面平整致密时,电位噪声波动幅动较小且电位正移值很小。相对能量分布谱得到的沉积过程中的生长能量与X射线衍射测得的镀锡板的晶粒尺寸具有随恒电流变化相同的变化趋势。其次,论文研究了镀锡板的软熔工艺与性能。利用电化学测试和表面分析手段研究了软熔处理温度和时间对镀锡钢板中合金层及其在3.5%NaCl溶液中腐蚀电化学行为的影响。结果显示,软熔处理温度和时间增加,镀锡钢板的合金层数量增多,且腐蚀电位正移,对应腐蚀速率下降。与锡偶接后,脱锡处理后的镀锡钢板初始阶段作为阴极而锡作为阳极。然而经过一段时间后,电偶对的极性反转。而且,软熔处理温度和时间增加,电偶电流下降。最后,论文探讨了镀锡板的钝化工艺与性能。以镀锡板的耐蚀性能为指标,采用极化曲线和电化学阻抗谱的方法研究了不同工艺下的钝化镀锡板的耐蚀性能。结果表明,钝化镀锡板耐蚀性能随着浓度、时间以及温度呈现出先上升而下降的趋势,这是钝化膜的生成与氧化膜的溶解共同作用的结果。
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