电沉积锌因其低成本和易于操作等优点而广泛应用于机械制造、汽车、建筑等领域的钢铁的腐蚀防护。电沉积锌作为牺牲性阳极镀层,即使镀层被划伤或发生局部破坏也能够为基体提供有效的保护。根据国际锌协会统计,全世界每年用于钢铁腐蚀防护的金属锌超过500万吨,挽回用于修复和替换钢部件所需的经济损失达2.2万亿美元。随着全球钢铁需求的不断增加,人们对电沉积锌工艺的需求仍在与日俱增。传统电沉积锌工艺仅保留了金属锌的结构、机械性能、耐磨和耐蚀性能。因此,镀层必须具有足够的厚度才能够抵御周围环境的磨损与腐蚀。然而,镀层过厚不但导致了锌的浪费、镀层焊接性能的降低,而且在喷涂后也很难达到光亮效果。为此,需要开发一种在较薄厚度下具有优异的耐磨和耐蚀性能的锌镀层。为了提高传统粗晶锌镀层的耐磨、耐蚀性能,本文开发了一种新的纳米晶锌镀层电沉积及其钝化工艺。以碳钢为基体,在含有晶粒细化剂(聚丙烯酰胺)的硫酸盐体系中制备了纳米晶锌镀层;研究了聚丙烯酰胺对锌电沉积行为的影响及聚丙烯酰胺在纳米晶锌形成过程中的作用机理;对比研究了粗晶锌镀层(平均晶粒尺寸6μm)和纳米晶锌镀层(40 nm左右)的微观结构、机械性能、摩擦学和电化学行为。此外,本文还研究了纳米电沉积技术和钝化处理的结合作用对镀锌钢表面形貌、机械性能、抗划伤能力及耐蚀性能的影响;并从电子功函数理论角度解释了纳米晶锌镀层及其钝化膜性能优于传统粗晶锌镀层及其钝化膜性能的原因。研究结果表明:聚丙烯酰胺的高分子链和氨基的协同吸附作用提供了锌晶核形成所需的自由能,起到了提高锌的成核速率,抑制锌晶粒生长的作用,从而形成了纳米晶锌镀层。随着锌镀层的晶粒尺寸从6μm降至40 nm,其硬度提高了接近2倍;弹性模量提高了1倍;平均磨损率降至原来的1/24;在模拟海水中的腐蚀速率则降为原来的1/2,且镀层变得具有镜面光泽。相比纳米电沉积工艺和钝化处理技术单独作用于粗晶锌镀层,二者的结合作用在改善传统粗晶锌镀层的机械性能(硬度、结合力及弹性模量)方面具有明显优势;纳米晶锌镀层经钝化处理后,不但保留了镀层本身的镜面光泽,还兼具了粗晶锌镀层表面钝化膜的蓝白色泽;经钝化处理后的纳米晶锌镀层的抗划伤能力相比传统粗晶锌镀层的抗划伤能力提高了3个数量级以上;而纳米晶锌镀层经钝化处理后的耐蚀性能相比传统粗晶锌镀层的耐蚀性能提高了4倍以上。锌镀层的机械性能随其晶粒尺寸的变化已由Hall-Petch法则进行了解释。而纳米晶锌镀层经钝化处理前后优异的耐蚀性能、纳米晶锌镀层表面钝化膜优异的机械和抗划伤性能则得益于其相比传统粗晶锌镀层显著增强的表面活性。纳米晶锌镀层的高表面活性改善了镀层的钝化行为及形成保护性腐蚀产物层的能力。这是由于随着锌镀层晶粒尺寸从微米尺度降至纳米尺度,其表面电子的局域性逐渐降低,原子键强度逐渐减弱。因此,相比传统粗晶锌镀层,纳米晶锌镀层具有更高的表面自由能。