專(zhuān)利名稱(chēng)：納米晶鋅鍍層的直流電沉積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種酸性硫酸鋅鹽水溶液中直流電沉積制備納米晶鋅鍍層的方法，屬
于表面工程與表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋼鐵等金屬材料的腐蝕問(wèn)題遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，倍受人們的重視。它不但 會(huì)消耗了大量寶貴的資源和能源、帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成災(zāi)難性事故。為了防止 鋼鐵構(gòu)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(yáng)極犧牲性保護(hù)作用 和屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用。作為一種最為常用和有效的保護(hù)性鍍層，鋅鍍層已經(jīng)在汽車(chē)鋼板、 鋼絲等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 由于鋅鍍層納米化后，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(fā)展。鋅鍍層的常用制備方法有熱鍍、熱噴涂以及電沉積 等，其中水溶液電沉積具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是制備納米晶鋅鍍層 最常用和可行的一種方法，而電沉積方法常采用脈沖和直流兩種控制方式進(jìn)行。
脈沖電沉積方面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在堿性體系中制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酰胺為添加劑，在氯化物鍍液中制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 為添加劑制備出針狀納米晶鋅鍍層；本課題組和專(zhuān)利已針對(duì)鋼板連續(xù)鍍鋅常用的酸性硫酸 鹽鍍液體系，研究了芐叉丙酮和硫脲等添加劑對(duì)脈沖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，脈沖電沉積較易制備出納米晶鋅 鍍層，同時(shí)添加劑在鍍層晶粒細(xì)化過(guò)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(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，1999， 20(1) :107-110) 在酸性氯化鉀鍍液中通過(guò)制備出納米光亮鍍鋅層結(jié)構(gòu)；H. Yan等人(J. Electrochem. Soc. ， 1996， Vol. 143 :1577-1583)、曹瑩等人(材料保護(hù)，2003， 36 (11) :5-6)和中國(guó)專(zhuān)利 (ZL200310107939. X)中曾報(bào)道采在硫酸鹽溶液中制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(shí)現(xiàn)了納米化，而鍍層的XRD衍射峰并未全部寬化、晶粒尺寸均未實(shí)現(xiàn) 三維尺度上的納米化。 與脈沖電沉積相比，直流電沉積投入小、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等特點(diǎn)，在汽車(chē)鋼板等連續(xù) 鍍鋅生產(chǎn)中得到了應(yīng)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制備納米晶鋅鍍層的情況還未見(jiàn)報(bào)道，本發(fā)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制備納米晶鋅鍍層的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供酸性硫酸鋅鍍液中直流電沉積制備納米晶鋅鍍層的方法，制得的納米晶鋅鍍層光亮平整，可用于汽車(chē)鋼板等鋼鐵材料。 本發(fā)明提供了一種水溶液中直流電沉積納米晶鋅鍍層的制備方法，其特性在于具 有以下的制備過(guò)程和步驟 a.首先配制酸性鍍液，硫酸鋅的濃度為50 500g/L ;采用濃硫酸調(diào)節(jié)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)、芐叉丙酮(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.采用直流電鍍的方法進(jìn)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(yáng)極，施加直流電流進(jìn)行沉積，電流密度為O. 5 4A/cm2，電鍍
時(shí)間為1 6分鐘，所得鋅鍍層光亮致密、晶粒尺寸在小于50nm。 上述的不溶性電極可以為鉑電極或者Ti/Ir02涂層電極等。 本發(fā)明的特點(diǎn)是(l)直流電沉積，投入小、沉積時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；(2) 采用酸性硫酸鋅鍍液體系，不添加其它導(dǎo)電鹽，鍍液維護(hù)容易；(3)利用CTAB、 BA和PEG三 種化合物間的協(xié)同作用，組合成新型混合添加劑，有效的增大了鋅沉積過(guò)程的極化性能，使 鋅鍍層晶粒細(xì)小、光亮致密。


圖1為不同條件下沉積的鋅鍍層X(jué)RD圖譜，a.實(shí)施例1 b.實(shí)施例2 c.實(shí)施例3 d.實(shí)施例4 圖2為典型納米晶鋅鍍層的表面SEM形貌圖(實(shí)施例2)
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例l 本實(shí)施例中的制備過(guò)程和步驟如下 a.首先配制酸性硫酸鹽鍍液，將350g的ZnS04 7H20溶于蒸餾水中配制成1L的 鍍液，加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH值為2 ; b.然后將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配制好的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.采用直流電鍍方法進(jìn)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(yáng)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(fā)生了明顯寬化，為(101)隨機(jī)取向，可以利用Scherrer公式計(jì)算得到 平均晶粒尺寸為38. 6nm，鍍層光亮平整。
實(shí)施例2 本實(shí)施例中的制備過(guò)程和步驟如下 a.首先配制酸性硫酸鹽鍍液，將200g的ZnS04 7H20溶于蒸餾水中配制成1L的 鍍液，加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH值為1 ; b.然后將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配制好的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.采用直流電鍍方法進(jìn)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(yáng)極，通入2A/cm2的直流電流，電鍍lmin ;如圖1 (b)所示，鋅鍍 層X(jué)RD衍射峰均發(fā)生了明顯寬化，為(101)隨機(jī)取向，利用Scherrer公式計(jì)算得到平均晶 粒尺寸為43.6nm，鍍層光亮平整。由圖2可見(jiàn)，SEM表面形貌較為致密、鍍層由納米粒狀鋅 組成。 實(shí)施例3 本實(shí)施例中的制備過(guò)程和步驟如下 a.首先配制酸性硫酸鹽鍍液，將100g的ZnS04 7H20溶于蒸餾水中配制成1L的 鍍液，加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH值為4 ; b.然后將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配制好的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.采用直流電鍍方法進(jìn)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(yáng)極，通入3. 5A/cm2的直流電流，電鍍lmin ;如圖1(c)所示，鋅 鍍層X(jué)RD衍射峰均發(fā)生了明顯寬化，為(101)隨機(jī)取向，利用Scherrer公式計(jì)算得到平均 晶粒尺寸為40. 9nm，鍍層光亮平整。
實(shí)施例4 本實(shí)施例中的制備過(guò)程和步驟如下 a.首先配制酸性硫酸鹽鍍液，將450g的ZnS04 7H20溶于蒸餾水中配制成1L的 鍍液，加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH值為2 ; b.然后將CTAB、 BA和PEG三種添加劑逐一加入配制好的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.采用直流電鍍方法進(jìn)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(yáng)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(fā)生了明顯寬化，均為(101)隨機(jī)取向，可以利用Scherrer公式計(jì)算得到平均 晶粒尺寸為39. 5nm，鍍層光亮平整。
權(quán)利要求
一種納米晶鋅鍍層的直流電沉積制備方法，其特征在于該方法具有以下的工藝過(guò)程和步驟a.首先配制酸性鍍液，硫酸鋅的濃度為50～500g/L，采用濃硫酸調(diào)節(jié)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、芐叉丙酮和聚乙二醇，它們的濃度均為0.5～3g/L，鍍液的溫度為20～65℃；c.采用直流電鍍的方法進(jìn)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(yáng)極，施加直流電流進(jìn)行沉積，電流密度為0.5～4A/cm2，電鍍時(shí)間為1～6分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面工程與表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體為提供了一種納米晶鋅鍍層的直流電沉積制備方法。本發(fā)明方法特點(diǎn)是以酸性硫酸鋅溶液為基礎(chǔ)鍍液，采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、芐叉丙酮(BA)和聚乙二醇(PEG)三種有機(jī)物作為混合添加劑、顯著增加鋅沉積的陰極極化，運(yùn)用直流電沉積方法，以被鍍碳鋼為陰極，以不溶性電極為陽(yáng)極，施加直流電流進(jìn)行沉積，電流密度為0.5～4A/cm2，電鍍時(shí)間為1～6分鐘。本發(fā)明獲得了表面光亮平整、晶粒尺寸小于50nm的鋅鍍層。
文檔編號(hào)C25D3/22GK101709493SQ20091019956
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者伍玉琴, 李偉華, 李謀成, 鄔明鈺, 阮偉慧 申請(qǐng)人:上海大學(xué)