納米晶鋅鍍層的直流電沉積製備方法

2023-07-10 02:18:21 2

專利名稱：納米晶鋅鍍層的直流電沉積製備方法
技術領域：
本發明涉及一種酸性硫酸鋅鹽水溶液中直流電沉積製備納米晶鋅鍍層的方法，屬
於表面工程與表面處理技術領域。
背景技術：
鋼鐵等金屬材料的腐蝕問題遍及國民經濟的各個領域，倍受人們的重視。它不但 會消耗了大量寶貴的資源和能源、帶來巨大的經濟損失，而且會造成災難性事故。為了防止 鋼鐵構件被腐蝕破壞，人們常在鋼鐵表面施加鋅等金屬鍍層、以起到陽極犧牲性保護作用 和屏蔽腐蝕介質的作用。作為一種最為常用和有效的保護性鍍層，鋅鍍層已經在汽車鋼板、 鋼絲等領域得到了廣泛的應用。 由於鋅鍍層納米化後，其表面硬度、加工性、耐蝕性等各方面性能都有很大提高， 目前納米晶鋅鍍層得到了快速發展。鋅鍍層的常用製備方法有熱鍍、熱噴塗以及電沉積 等，其中水溶液電沉積具有工藝設備簡單、操作簡便、成本低等優點，是製備納米晶鋅鍍層 最常用和可行的一種方法，而電沉積方法常採用脈衝和直流兩種控制方式進行。
脈衝電沉積方面Juarez等在醋酸鹽鍍液中沉積出纖維狀納米晶鋅鍍層，晶粒 尺寸約68nm ;R. Ra咖auskas在鹼性體系中製備了平均晶粒尺寸為24nm的納米晶鋅鍍層； Youssef等人用硫脲和聚丙烯醯胺為添加劑，在氯化物鍍液中製備出平均晶粒尺寸為56nm 的鍍鋅層；Saber等人在氯化物鍍液中獲得了納米晶鋅鍍層；Youssef等人在硫酸鹽體系中 沉積出最小平均晶粒尺寸為38nm的納米鋅鍍層；Gomes等人在酸性硫酸鹽體系中，以CTAB 為添加劑製備出針狀納米晶鋅鍍層；本課題組和專利已針對鋼板連續鍍鋅常用的酸性硫酸 鹽鍍液體系，研究了苄叉丙酮和硫脲等添加劑對脈衝電沉積納米晶鋅鍍層性能的影響，獲 得了耐蝕性較高的顆粒狀納米晶鋅鍍層。這些研究表明，脈衝電沉積較易製備出納米晶鋅 鍍層，同時添加劑在鍍層晶粒細化過程中具有十分重要的作用。 直流電沉積方面喻敬賢等人(高等學校化學學報，1999， 20(1) :107-110) 在酸性氯化鉀鍍液中通過製備出納米光亮鍍鋅層結構；H. Yan等人(J. Electrochem. Soc. ， 1996， Vol. 143 :1577-1583)、曹瑩等人(材料保護，2003， 36 (11) :5-6)和中國專利 (ZL200310107939. X)中曾報導採在硫酸鹽溶液中製備出了納米片疊層鋅鍍層，但這些鋅片 只是在厚度方向上實現了納米化，而鍍層的XRD衍射峰並未全部寬化、晶粒尺寸均未實現 三維尺度上的納米化。 與脈衝電沉積相比，直流電沉積投入小、易實現工業化等特點，在汽車鋼板等連續 鍍鋅生產中得到了應用，然而，目前在硫酸鹽溶液中尚難以直流電沉積出納米晶鋅鍍層。以 CTAB、 BA和PEG三種化合物為組合添加劑製備納米晶鋅鍍層的情況還未見報導，本發明提 供了以CTAB、 BA和PEG三種化合物為組合添加劑直流電沉積製備納米晶鋅鍍層的方法。

發明內容
本發明的目的在於提供酸性硫酸鋅鍍液中直流電沉積製備納米晶鋅鍍層的方法，製得的納米晶鋅鍍層光亮平整，可用於汽車鋼板等鋼鐵材料。 本發明提供了一種水溶液中直流電沉積納米晶鋅鍍層的製備方法，其特性在於具 有以下的製備過程和步驟 a.首先配製酸性鍍液，硫酸鋅的濃度為50 500g/L ;採用濃硫酸調節其pH值為 1 5 ; b.加入混合表面活性劑，即加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、苄叉丙酮(BA)和
聚乙二醇(PEG)，它們的濃度均為0. 5 3g/L，鍍液的溫度為20 65°C ; c.採用直流電鍍的方法進行電沉積；在盛有酸性硫酸鹽溶液的電鍍槽中，以被鍍
碳鋼為陰極，以不溶性電極為陽極，施加直流電流進行沉積，電流密度為O. 5 4A/cm2，電鍍
時間為1 6分鐘，所得鋅鍍層光亮緻密、晶粒尺寸在小於50nm。 上述的不溶性電極可以為鉑電極或者Ti/Ir02塗層電極等。 本發明的特點是(l)直流電沉積，投入小、沉積時間短、易實現工業化生產；(2) 採用酸性硫酸鋅鍍液體系，不添加其它導電鹽，鍍液維護容易；(3)利用CTAB、 BA和PEG三 種化合物間的協同作用，組合成新型混合添加劑，有效的增大了鋅沉積過程的極化性能，使 鋅鍍層晶粒細小、光亮緻密。


圖1為不同條件下沉積的鋅鍍層XRD圖譜，a.實施例1 b.實施例2 c.實施例3 d.實施例4 圖2為典型納米晶鋅鍍層的表面SEM形貌圖(實施例2)
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明進行詳細說明。
實施例l 本實施例中的製備過程和步驟如下 a.首先配製酸性硫酸鹽鍍液，將350g的ZnS04 7H20溶於蒸餾水中配製成1L的 鍍液，加入濃硫酸調節pH值為2 ; b.然後將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配製好的ZnS04溶液中；各種添加 劑的濃度均為0. 5g/L，鍍液的溫度為25°C ; c.採用直流電鍍方法進行電沉積；在盛有上述硫酸鹽鍍液的電鍍槽中，以被鍍材 料碳鋼片為陰極，以鉑片為陽極，通入1A/cm2的直流電流，電鍍3min ;如圖1(a)所示，鋅鍍 層的XRD衍射峰均發生了明顯寬化，為(101)隨機取向，可以利用Scherrer公式計算得到 平均晶粒尺寸為38. 6nm，鍍層光亮平整。
實施例2 本實施例中的製備過程和步驟如下 a.首先配製酸性硫酸鹽鍍液，將200g的ZnS04 7H20溶於蒸餾水中配製成1L的 鍍液，加入濃硫酸調節pH值為1 ; b.然後將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配製好的ZnS04溶液中；各種添加 劑的濃度均為2g/L，鍍液的溫度為60°C ;
c.採用直流電鍍方法進行電沉積；在盛有上述硫酸鹽鍍液的電鍍槽中，以被鍍材 料碳鋼片為陰極，以鉑片為陽極，通入2A/cm2的直流電流，電鍍lmin ;如圖1 (b)所示，鋅鍍 層XRD衍射峰均發生了明顯寬化，為(101)隨機取向，利用Scherrer公式計算得到平均晶 粒尺寸為43.6nm，鍍層光亮平整。由圖2可見，SEM表面形貌較為緻密、鍍層由納米粒狀鋅 組成。 實施例3 本實施例中的製備過程和步驟如下 a.首先配製酸性硫酸鹽鍍液，將100g的ZnS04 7H20溶於蒸餾水中配製成1L的 鍍液，加入濃硫酸調節pH值為4 ; b.然後將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配製好的ZnS04溶液中；各種添加 劑的濃度分別為0. 5、1和3g/L，鍍液的溫度為25°C ; c.採用直流電鍍方法進行電沉積；在盛有上述硫酸鹽鍍液的電鍍槽中，以被鍍材 料碳鋼片為陰極，以鉑片為陽極，通入3. 5A/cm2的直流電流，電鍍lmin ;如圖1(c)所示，鋅 鍍層XRD衍射峰均發生了明顯寬化，為(101)隨機取向，利用Scherrer公式計算得到平均 晶粒尺寸為40. 9nm，鍍層光亮平整。
實施例4 本實施例中的製備過程和步驟如下 a.首先配製酸性硫酸鹽鍍液，將450g的ZnS04 7H20溶於蒸餾水中配製成1L的 鍍液，加入濃硫酸調節pH值為2 ; b.然後將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配製好的ZnS04溶液中；各種添加 劑的濃度均為0. 5、1、2g/L，鍍液的溫度為25°C ; c.採用直流電鍍方法進行電沉積；在盛有上述硫酸鹽鍍液的電鍍槽中，以被鍍材 料鋼板為陰極，以鉑片為陽極，通入1A/cm2的直流電流，電鍍5min ;如圖1 (d)所示，鋅鍍層 XRD衍射峰均發生了明顯寬化，均為(101)隨機取向，可以利用Scherrer公式計算得到平均 晶粒尺寸為39. 5nm，鍍層光亮平整。
權利要求
一種納米晶鋅鍍層的直流電沉積製備方法，其特徵在於該方法具有以下的工藝過程和步驟a.首先配製酸性鍍液，硫酸鋅的濃度為50～500g/L，採用濃硫酸調節其pH值為1～5；b.加入混合表面活性劑，即加入十六烷基三甲基溴化銨、苄叉丙酮和聚乙二醇，它們的濃度均為0.5～3g/L，鍍液的溫度為20～65℃；c.採用直流電鍍的方法進行電沉積；在盛有酸性硫酸鋅溶液的電鍍槽中，以被鍍碳鋼為陰極，以不溶性電極為陽極，施加直流電流進行沉積，電流密度為0.5～4A/cm2，電鍍時間為1～6分鐘。
全文摘要
本發明屬於表面工程與表面處理技術領域，具體為提供了一種納米晶鋅鍍層的直流電沉積製備方法。本發明方法特點是以酸性硫酸鋅溶液為基礎鍍液，採用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、苄叉丙酮(BA)和聚乙二醇(PEG)三種有機物作為混合添加劑、顯著增加鋅沉積的陰極極化，運用直流電沉積方法，以被鍍碳鋼為陰極，以不溶性電極為陽極，施加直流電流進行沉積，電流密度為0.5～4A/cm2，電鍍時間為1～6分鐘。本發明獲得了表面光亮平整、晶粒尺寸小於50nm的鋅鍍層。
文檔編號C25D3/22GK101709493SQ20091019956
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者伍玉琴, 李偉華, 李謀成, 鄔明鈺, 阮偉慧 申請人:上海大學