本文關(guān)鍵詞：納米晶鋅鍍層的制備與鈍化處理及其形成機(jī)理研究

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【摘要】：電沉積鋅因其低成本和易于操作等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、建筑等領(lǐng)域的鋼鐵的腐蝕防護(hù)。電沉積鋅作為犧牲性陽極鍍層,即使鍍層被劃傷或發(fā)生局部破壞也能夠?yàn)榛w提供有效的保護(hù)。根據(jù)國際鋅協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),全世界每年用于鋼鐵腐蝕防護(hù)的金屬鋅超過500萬噸,挽回用于修復(fù)和替換鋼部件所需的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.2萬億美元。隨著全球鋼鐵需求的不斷增加,人們對電沉積鋅工藝的需求仍在與日俱增。傳統(tǒng)電沉積鋅工藝僅保留了金屬鋅的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、耐磨和耐蝕性能。因此,鍍層必須具有足夠的厚度才能夠抵御周圍環(huán)境的磨損與腐蝕。然而,鍍層過厚不但導(dǎo)致了鋅的浪費(fèi)、鍍層焊接性能的降低,而且在噴涂后也很難達(dá)到光亮效果。為此,需要開發(fā)一種在較薄厚度下具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕性能的鋅鍍層。為了提高傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層的耐磨、耐蝕性能,本文開發(fā)了一種新的納米晶鋅鍍層電沉積及其鈍化工藝。以碳鋼為基體,在含有晶粒細(xì)化劑(聚丙烯酰胺)的硫酸鹽體系中制備了納米晶鋅鍍層;研究了聚丙烯酰胺對鋅電沉積行為的影響及聚丙烯酰胺在納米晶鋅形成過程中的作用機(jī)理;對比研究了粗晶鋅鍍層(平均晶粒尺寸6μm)和納米晶鋅鍍層(40 nm左右)的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、摩擦學(xué)和電化學(xué)行為。此外,本文還研究了納米電沉積技術(shù)和鈍化處理的結(jié)合作用對鍍鋅鋼表面形貌、機(jī)械性能、抗劃傷能力及耐蝕性能的影響;并從電子功函數(shù)理論角度解釋了納米晶鋅鍍層及其鈍化膜性能優(yōu)于傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層及其鈍化膜性能的原因。研究結(jié)果表明:聚丙烯酰胺的高分子鏈和氨基的協(xié)同吸附作用提供了鋅晶核形成所需的自由能,起到了提高鋅的成核速率,抑制鋅晶粒生長的作用,從而形成了納米晶鋅鍍層。隨著鋅鍍層的晶粒尺寸從6μm降至40 nm,其硬度提高了接近2倍;彈性模量提高了1倍;平均磨損率降至原來的1/24;在模擬海水中的腐蝕速率則降為原來的1/2,且鍍層變得具有鏡面光澤。相比納米電沉積工藝和鈍化處理技術(shù)單獨(dú)作用于粗晶鋅鍍層,二者的結(jié)合作用在改善傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層的機(jī)械性能(硬度、結(jié)合力及彈性模量)方面具有明顯優(yōu)勢;納米晶鋅鍍層經(jīng)鈍化處理后,不但保留了鍍層本身的鏡面光澤,還兼具了粗晶鋅鍍層表面鈍化膜的藍(lán)白色澤;經(jīng)鈍化處理后的納米晶鋅鍍層的抗劃傷能力相比傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層的抗劃傷能力提高了3個(gè)數(shù)量級以上;而納米晶鋅鍍層經(jīng)鈍化處理后的耐蝕性能相比傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層的耐蝕性能提高了4倍以上。鋅鍍層的機(jī)械性能隨其晶粒尺寸的變化已由Hall-Petch法則進(jìn)行了解釋。而納米晶鋅鍍層經(jīng)鈍化處理前后優(yōu)異的耐蝕性能、納米晶鋅鍍層表面鈍化膜優(yōu)異的機(jī)械和抗劃傷性能則得益于其相比傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層顯著增強(qiáng)的表面活性。納米晶鋅鍍層的高表面活性改善了鍍層的鈍化行為及形成保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物層的能力。這是由于隨著鋅鍍層晶粒尺寸從微米尺度降至納米尺度,其表面電子的局域性逐漸降低,原子鍵強(qiáng)度逐漸減弱。因此,相比傳統(tǒng)粗晶鋅鍍層,納米晶鋅鍍層具有更高的表面自由能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ153.15

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本文編號：1261524