低温熔融盐电镀铝和铝锰合金的研究

论文摘要

铝和铝合金镀层是一种理想的钢铁防护层，但铝的标准电极电位低于氢，因此电镀铝的工作只能在不含水的环境中进行，本文选用无机熔融盐体系。通过系统研究无机熔融盐的配方，最终选定摩尔比0．66：0．17：0．17的AlCl3-NaCl-KCl熔融盐进行低温下Al和Al-Mn合金的电镀。采用直流电镀法在铁片基体上获得了电镀铝层，并研究了表面活性剂四甲基氯化铵（TMA）的加入对熔融盐中铝沉积的影响；往熔融盐中添加一定量的无水MnCl2，得到了Al-Mn合金镀层；为优化镀层性能，采用双脉冲电流电镀法进行Al和Al-Mn合金的电镀。利用扫描电镜、金相显微镜、X-射线衍射、EDS能谱测试和极化曲线测试对所得Al和Al-Mn合金镀层的形貌、组成结构及耐蚀性进行了分析，并用循环伏安法初步探讨了AlCl3-NaCl-KCl熔融盐中Al和Al-Mn合金的电沉积机理。结果表明：电沉积铝层的表面形貌与电流密度大小相关，电流密度25mA／cm2时，所得铝晶粒为针状；电流密度60mA／cm2时，所得铝晶粒既有针状也有球形；电流密度增至100mA/cm2时，所得铝晶粒呈球形。在实验选用的各电流密度下，熔融盐中所得的铝镀层都在（200）面产生较强的择优取向，随着电流密度的增大，（200）面择优取向趋势减弱。循环伏安结果显示，沉积铝源于Al2Cl7-的还原，还原峰电位为-0．23V，阳极区0．15V处的峰对应着铁片基体上沉积Al的溶解。熔融盐中添加表面活性剂TMA，能有效抑制电沉积中铝枝晶的生成，并细化沉积铝晶粒；加入TMA后，铝镀层（200）面择优取向被破坏，呈无序取向。循环伏安图上出现交叉回环，说明添加TMA后，铝的电沉积过程中发生了晶核的形成过程。Al-Mn合金镀层的表面形貌和相结构与镀层中的Mn含量有关；随着镀层中Mn含量的增加，镀层依次为面心立方结构铝、Mn溶于立方结构铝的固溶体、单一非晶态的Al-Mn合金、非晶态合金和面心立方结构Al8Mn5的混合结构，其中Mn含量20．84％～29．74％的镀层具有单一的非晶态结构；双脉冲电流对提高Al和Al-Mn合金镀层质量效果明显，双脉冲镀层更致密，表面更平整；双脉冲电流有利于Mn的沉积，熔融盐中Mn2+浓度一定时，所得合金镀层中的Mn含量更高；加入无水MnCl2后，循环伏安图上出现交叉回环，反应不可逆程度增加，有利于电镀的进行。AlCl3-NaCl-KCl熔融盐中所得纯铝镀层的点腐蚀电位为-0．68V，添加1．0％TMA后，所得铝镀层的点腐蚀电位为-0．56V，双脉冲铝镀层的点腐蚀电位为-0．53V。直流Al-Mn合金镀层的点蚀电位比纯铝镀层高180～360mV，单一非晶态合金镀层的耐蚀性优于双相镀层；非晶态镀层中，镀层耐蚀性随着Mn含量的增加而提高；双脉冲Al-Mn合金镀层的耐蚀性优于Mn含量相当的直流镀层。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金属的腐蚀与防腐简述
• 1.1.1 腐蚀过程
• 1.1.2 防腐蚀技术
• 1.2 电镀技术简述
• 1.2.1 直流电镀技术
• 1.2.2 脉冲电镀技术
• 1.3 铝和铝合金
• 1.3.1 铝的电镀概述
• 1.3.2 无机熔融盐电镀铝
• 1.3.3 无机熔融盐电镀Al-Mn合金
• 1.4 本课题的研究思路
• 1.4.1 课题提出的意义
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 电镀材料
• 2.1.2 电极材料
• 2.2 所需仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 阴极基体材料的处理
• 2.3.2 阳极材料的处理
• 2.3.3 熔融盐的制备
• 2.3.4 电镀及电镀装置
• 2.3.5 测试与表征
• 第三章 纯铝镀层的结构及性能
• 3.1 熔融盐的成分配比
• 3.2 低温熔融盐电镀铝
• 3.2.1 镀层表面形貌
• 3.2.2 镀层断面形貌
• 3.2.3 镀层相结构
• 3.2.4 镀层断面元素分析
• 3.2.5 工艺参数对电流效率的影响
• 3.2.6 镀层厚度的影响因素
• 3.2.7 镀层耐蚀性研究
• 3.2.8 低温熔融盐电镀铝的电化学研究
• 3.3 表面活性剂对熔盐电镀铝的影响
• 3.3.1 TMA添加量对电流效率的影响
• 3.3.2 TMA对镀层表面形貌的影响
• 3.3.3 TMA对镀层相结构的影响
• 3.3.4 TMA对镀层耐蚀性的影响
• 3.3.5 TMA对铝电沉积机理的影响
• 第四章 Al-Mn合金镀层的组织结构及耐蚀性
• 4.1 熔融盐的成分配比
• 4.2 Al-Mn合金镀层的微观形貌
• 4.2.1 合金镀层的表面形貌
• 4.2.2 合金镀层的断面形貌
• 4.3 Al-Mn合金镀层的元素分析
• 4.3.1 合金镀层表面元素分布
• 4.3.2 合金镀层断面元素分布
• 4.4 Al-Mn合金镀层厚度与时间的关系
• 4.5 Al-Mn合金镀层中Mn含量分析
• 4.6 Al-Mn合金镀层相结构
• 4.7 Al-Mn合金镀层耐蚀性研究
• 4.8 熔融盐电镀Al-Mn合金的电化学研究
• 第五章 双脉冲镀对镀层结构及性能的影响
• 5.1 电镀参数的确定
• 5.2 双脉冲镀对镀层微观形貌的影响
• 5.2.1 双脉冲镀对镀层表面形貌的影响
• 5.2.2 双脉冲镀对镀层断面形貌的影响
• 5.3 双脉冲镀层的元素分布
• 5.3.1 双脉冲镀层表面元素分布
• 5.3.2 双脉冲镀层断面元素分布
• 5.4 双脉冲镀层厚度与电镀时间的关系
• 5.5 双脉冲镀对镀层中Mn含量的影响
• 5.6 双脉冲镀对镀层相结构的影响
• 5.7 双脉冲镀对镀层耐蚀性的影响
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读学位期间主要的研究成果