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Zn-Fe合金镀层是二十世纪七十年代初期诞生的主要用于钢铁表面的一种防腐镀层,因其优异的耐蚀性、良好的上漆性、焊接性能及成形性能、低成本而愈来愈受到人们的重视。本文对纯Zn镀层和Zn-Fe合金镀层的结构、耐蚀性能及其三价铬钝化膜的耐蚀性能、结构成分和微观形貌进行了比较研究,并探讨了电沉积机理和镀层的腐蚀机理,得到如下结果:
1.采用动电位极化曲线、电化学阻抗(EIS)和X-射线衍射(XRD)等方法研究了Zn和Zn-Fe合金镀层(0.15~0.89 wt.%Fe)晶体结构及其在含或不含氯离子的Na2B4O7-H3BO3缓冲溶液中的耐蚀性能。电化学实验结果表明:少量铁在锌中的存在明显影响锌的耐腐蚀性。铁含量在0.15~0.60wt.%范围内的Zn-Fe合金镀层,腐蚀电阻和反应电阻都较纯锌镀层的大,腐蚀电流较小;在一定的电位范围内形成的电化学钝化膜耐Cl-点蚀能力较纯锌层的强,其中含铁量为0.29wt.%的镀层耐蚀性最好;铁含量大于0.6%时,镀层的耐蚀性会变差。XRD结果表明,Zn-Fe合金镀层与纯碱锌镀层的晶体结构相同,都是六方密排结构,铁在Zn-Fe镀层中不是以独立相而是固溶体的形式存在。
2.通过盐雾试验(NNS)和动电位极化曲线、EIS等电化学测试方法比较分析了三价铬钝化的Zn和Zn-Fe合金镀层的腐蚀行为。结果表明:三种方法对钝化Zn-Fe合合镀层耐蚀性评估结果基本一致,铁含量为0.29%的合金镀层的钝化膜的出现第一个白锈时时间最长,达408小时,破坏电位最正,膜电阻最大,故耐蚀性也是最好,增加或减少镀层中的铁含量均会降低钝化膜的耐蚀性。钝化膜的耐蚀性对镀层中铁含量的依赖关系与镀层耐蚀性相同。
3.用XPS分析了Zn-Fe合金镀层三价铬SPM25钝化膜的成分组成、元素价态及其深度分布。证实了Zn-Fe合金镀层中的Fe参与了成膜,并以化合物的形式存在于Zn-Fe合金/三价铬SPM25钝化膜界面,钝化膜均由Cr2O3、Cr(OH)3、ZnO等物质组成。
4.通过比较Zn和两种铁含量的Zn-Fe合金镀层的三价铬SPM25钝化膜的XPS分析结果得出:三种钝化膜中的总铬含量比较接近,但Cr2O3/Cr(OH)3的相对含量比存在差异,Zn-0.29%Fe和Zn-0.89%Fe合金镀层钝化膜中的Cr2O3/Cr(OH)3相对含量比分别为4.41和0.99,Zn镀层钝化膜中的Cr2O3/Cr(OH)3的相对含量比为3.94。表明Zn-Fe合金钝化膜中Cr2O3相对含量越高,钝化膜的耐蚀性越好。
5.SEM图显示,随着镀层中铁含量的增加,钝化膜的表面形貌变得越来越粗糙,表明铁的存在影响钝化膜的致密性。钝化膜的致密性必然与其耐蚀性有关。含铁量为0.29%镀锌样品具有最好的耐蚀性,表明钝化膜的致密性不是其耐蚀性的决定因素。
6.利用循环伏安曲线和阳极溶出曲线等方法研究了各种条件下在碱性镀液中制备Zn-Fe合金镀层时电化学行为,得出Zn-Fe合金的共沉积表现为异常共沉积。溶液中[Fe2+]/[Zn2+]是影响沉积层中铁含量的主要因素。其它条件相同时,溶液中Fe2+含量越高,沉积层中铁含量越高。