摘要：分别采用硫酸盐体系和氯化物体系的最佳工艺条件电沉积制备了高铁（Fe mass%>1%）和低铁（Fe mass% <1%）的Zn-Fe-SiO2复合镀层，并系统测试了不同厚度Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性、结合力、孔隙率和氢脆性等综合性能，同时与电镀Zn及Zn-Fe合金进行了对比。实验结果表明：Zn-Fe-SiO2复合镀层无需钝化，其耐蚀性及其它综合性能均优于Zn-Fe合金镀层和Zn镀层。因此，相对于电镀Zn及Zn-Fe合金，电沉积Zn-Fe-SiO2复合镀层技术具有先进性，应用前景良好。
关键词：复合镀层；耐蚀性；结合力；孔隙率；氢脆性
1前言
金属的腐蚀给人类带来巨大的经济损失和社会危害[1, 2]。目前镀锌广泛用于钢铁零件的防护，但是镀锌存在耐蚀性低、氢脆高、钝化工序毒性大等不足[3-6]。国内外对Zn-Fe合金镀层的研究表明：低铁Zn-Fe合金镀层（Fe mass% <1%）耐蚀性较高，但是镀层需要钝化；高铁Zn-Fe合金镀层（Fe mass% >1%）无需钝化，但镀层的耐蚀性不是很理想[7~10]。
为了开发出镀层性能优良、清洁无污染的电沉积技术，本文分别采用硫酸盐体系和氯化物体系的最佳工艺条件电沉积制备了无需钝化处的Zn-Fe-SiO2复合镀层，并系统测试了不同厚度Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性、结合力、孔隙率和氢脆性等综合性能，同时与电镀Zn及Zn-Fe合金进行了对比。
2实验方法
实验材料：采用40 mm×50 mm低碳钢片为阴极，相同面积的锌板为阳极，在150ml矩形槽中进行单面电镀。镀液用化学纯试剂和蒸馏水配制。
工艺流程：打磨→水洗→除油→水洗→除锈浸蚀→水洗→电镀→水洗→烘干
电沉积Zn-Fe-SiO2复合镀层的最佳工艺条件及镀层成分如表1所示：
镀层厚度测试方法：采用HCC-24型涂层测厚仪对镀层进行厚度测定。
镀层耐蚀性测试方法：为了综合考察镀层的耐蚀性，本文采用三种测试方法，分别为中性盐雾腐蚀实验、中性盐水浸泡腐蚀实验和大气腐蚀实验。中性盐雾腐蚀实验喷雾采用间断方式，盐雾中NaCl浓度为5%，连续喷雾时间与停雾时间均为8 h，压力控制在70 kPa~170 kPa，温度保持为(35±2) ℃，记录试样出红锈时间以评价镀层耐蚀性。中性盐水浸泡实验腐蚀液采用5%NaCl溶液，3个月后观察镀层的外观，将试样清洗干净并测定它们的厚度变化，以此评价镀层耐蚀性。大气腐蚀实验为将Zn-Fe-SiO2复合镀层暴露于大气环境中，1年后观察镀层的外观，并测定镀层的厚度变化，以此评价镀层耐蚀性。
镀层结合力测试方法：将施镀了Zn-Fe-SiO2复合镀层的镀件固定在台钳上，然后将镀件反复折弯直到镀件断裂，如果在镀件反复折弯的过程中镀层剥落，说明镀层结合力差，如果镀层没有剥落，而是随镀件一起断裂，说明镀层的结合力好。
镀层孔隙率测试方法：采用涂膏法对Zn-Fe-SiO2复合镀层进行了孔隙率的测定，具体操作为：将含有邻菲罗啉、盐酸和二氧化钛的膏状物涂覆于镀层表面，如果镀层有孔隙，则泥膏中的试液将通过镀层孔隙渗入到基体并与基体发生作用，泥膏中的盐酸腐蚀铁基体后通过邻菲罗啉显色生成红色斑点，根据涂膏单位面积上红色斑点的多少来评定镀层孔隙率的大小。
镀层氢脆性测试方法：通过测定镀层中的氢含量以评价镀层氢脆性的高低，测试方法为惰气熔融热导法，施镀前基体金属经过退火除氢处理。
3 实验结果与讨论
3.1 Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性
3.1.1中性盐雾腐蚀实验
中性盐雾腐蚀实验实验结果如表2所示。
从表2中可以看出，氯化物体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层，其中性盐雾实验的耐蚀性要优于硫酸盐体系，说明低铁含量的Zn-Fe-SiO2复合镀层耐中性盐雾腐蚀的能力要强些。
3.1.2中性盐水浸泡腐蚀实验
中性盐水浸泡实验结果如表3所示。
从表3中可以看出，硫酸盐体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层在浸泡实验中的腐蚀速度为12 ~16 ，而氯化物体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层在浸泡实验中的腐蚀速度为20 ~24 ，说明高铁含量的Zn-Fe-SiO2复合镀层耐中性盐水腐蚀的能力要强些。
3.1.3大气腐蚀实验
大气腐蚀实验结果如表4所示。
从表4中可以看出，Zn-Fe-SiO2复合镀层抗大气腐蚀的能力较强，硫酸盐体系和氯化物体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层受大气腐蚀1年时间都没有生锈，镀层厚度也仅仅减少0.2 μm左右。
3.2 Zn-Fe-SiO2复合镀层的结合力
Zn-Fe-SiO2复合镀层结合力的测试结果如表5所示。从表5中可以看出，两个体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层的结合力都比较好，而且随着镀层厚度的增加，其结合力不下降。
3.3 Zn-Fe-SiO2复合镀层的孔隙率
Zn-Fe-SiO2复合镀层孔隙率的测试结果如表6所示。从表6中可以看出，两个体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层的孔隙率都比较低，而且随着镀层厚度的增加，其孔隙率基本不变。
3.4 Zn-Fe-SiO2复合镀层的氢脆性
由于氯化物体系电沉积Zn-Fe-SiO2复合镀层时，阴极基本没有析氢，所以本文仅考察硫酸盐体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层的氢脆性。镀层含氢量的测试结果如表7所示。
从表7中可以看出，Zn-Fe-SiO2复合镀层的含氢量较小，随着镀层厚度的增加，Zn-Fe-SiO2复合镀层的氢脆性有少量增加。
3.5 Zn-Fe-SiO2复合镀层与Zn和Zn-Fe合金镀层的性能对比
将Zn-Fe-SiO2复合镀层的的各项性能指标与镀Zn和Zn-Fe合金进行了对比，结果如表8所示：
由表8可以看出：
（1）在中性盐雾腐蚀实验中，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性好于Zn-Fe合金镀层和Zn镀层，而氯化物体系制备的镀层其耐蚀性要优于硫酸盐体系。对于硫酸盐体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性大约为Zn-Fe合金镀层的1.7倍，为Zn镀层的1.5倍。对于氯化物体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性大约为Zn-Fe合金镀层的1.4倍，约为Zn镀层的1.5倍。
（2）在中性盐水浸泡腐蚀实验中，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性好于Zn-Fe合金镀层和Zn镀层，而硫酸盐体系制备的Zn-Fe-SiO2复合镀层其耐蚀性要优于氯化物体系。对于硫酸盐体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性大约为Zn-Fe合金镀层的1.6倍，约为Zn镀层的2.5倍。对于氯化物体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性为Zn-Fe合金镀层的1.2倍，为Zn镀层的1.6倍。
（3）在大气腐蚀实验中，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性明显好于Zn-Fe合金镀层和Zn镀层，镀层中Fe含量越高，镀层的耐大气腐蚀能力越强。对于硫酸盐体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性为Zn-Fe合金镀层的2倍以上，为Zn镀层的5倍以上。对于氯化物体系，Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性为Zn-Fe合金镀层的2.7倍，为Zn镀层的3~5倍。
（4）Zn-Fe-SiO2复合镀层的结合力比较好，孔隙率和氢脆性都低于Zn及Zn-Fe合金镀层。
4结论
Zn-Fe-SiO2复合镀层的耐蚀性优于镀Zn及Zn-Fe合金，尤其在抗盐水腐蚀和大气腐蚀方面具有很好的防护性，而且Zn-Fe-SiO2复合镀层的结合力比较好，孔隙率和氢脆性也都低于Zn及Zn-Fe合金镀层。因此，相对于电镀Zn及Zn-Fe合金，电沉积Zn-Fe-SiO2复合镀层技术具有先进性，可代替传统镀Zn和Zn-Fe合金，为钢铁零件提供更有效的防护，应用前景良好。
参考文献
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