趙曉萍，張士憲，黃偉青

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

低碳鋼，別名軟鋼，含碳量只有0.10%～0.30%，因此具有較好的可塑性和韌性，強(qiáng)度和硬度也都很低，因此易于接受各種加工，如鍛造、焊接、切削等[1]。但恰恰因?yàn)檫@些優(yōu)勢，使其在實(shí)際使用過程中受到諸限制，例如會在基體表面極易發(fā)生微孔腐蝕等現(xiàn)象，影響人們正常的生產(chǎn)活動。因此為解決這一問題，綜合國內(nèi)外相關(guān)研究資料，研究者們在低碳鋼表面進(jìn)行電鍍鎳處理，因此在不影響其功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高低碳鋼的強(qiáng)度。能產(chǎn)生這種效果的主要原因是其在電鍍后，低碳鋼中的碳元素和鎳元素能夠相互固態(tài)擴(kuò)散，在低碳鋼的表面形成保護(hù)膜，防止出現(xiàn)微孔腐蝕現(xiàn)象[2]。本文通過一個(gè)固態(tài)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，對低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行研究，以期對類似鋼鐵材料的鍍層處理提供一些借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料

先取0.5mm厚、1cm高和1cm寬的低碳鋼材一塊，然后在堿溶液中浸泡10分鐘進(jìn)行去污處理，取出風(fēng)干后，再在HCL+5%H2SO4溶液中浸泡5分鐘進(jìn)行除銹處理，處理結(jié)束后，用蒸餾水進(jìn)行沖洗，最后在烘箱中烘干。把烘干的低碳鋼塊進(jìn)行30分鐘電鍍鎳處理。電鍍完成后，再次用蒸餾水進(jìn)行沖洗，并在烤箱中烘干。以此作為低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理實(shí)驗(yàn)的試樣。

2 實(shí)驗(yàn)過程

在試樣準(zhǔn)備工作完成后，開始進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理觀察實(shí)驗(yàn)。

首先將樣本放到型號為KL-I13的真空退火爐內(nèi)，然后對爐內(nèi)的燒結(jié)溫度進(jìn)行三次調(diào)控，調(diào)控的燒結(jié)溫度分別為700K、750K以及800K，并保溫40h。在熱處理結(jié)束后，讓試樣自然降溫到與室溫相同的溫度。取出爐內(nèi)的試樣后還需要對其進(jìn)行磨制和拋光處理，然后利用金相顯微鏡對試樣表面的變化情況進(jìn)行觀察。最后借助TYA-7800掃描電鏡進(jìn)行背散射觀察和電子探針分析，研究低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理，即研究其擴(kuò)散層的形貌特征和元素分布。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試樣在經(jīng)過熱處理后，在低碳鋼的表面發(fā)生了固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)，如圖1所示。

圖1 低碳鋼表面固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)

從圖1中可知，經(jīng)過電鍍鎳處理的低碳鋼試樣表面出現(xiàn)了Kirkendall孔，同時(shí)金屬間化合物脆性大，再加上在冷卻處理時(shí)，溫度驟降，因此在低碳鋼基體試樣上明顯出現(xiàn)了裂紋。低碳鋼基體表面機(jī)理反應(yīng)觀察結(jié)束后，利用TYA-7800掃描電鏡對反應(yīng)區(qū)內(nèi)的成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 反應(yīng)區(qū)成分分析結(jié)果

從圖1和表1可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，低碳鋼基體表面的固態(tài)擴(kuò)散層開始出現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)，并且越加明顯，固態(tài)擴(kuò)散層也由貝殼狀轉(zhuǎn)變?yōu)闃淙~狀。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是鎳原子沿著碳晶界發(fā)生了短路擴(kuò)散現(xiàn)象。溫度升的越高，固態(tài)擴(kuò)散界面擴(kuò)散的越快，其厚度也就越厚。下圖2為借助TYA-7800掃描電鏡觀察到的背散射圖像。從圖中可以看出碳元素和鎳元素形成的擴(kuò)散層可以與三相相交的區(qū)域內(nèi)匯合，使原交點(diǎn)消失。圖中的區(qū)域1和區(qū)域2之間形成了一層模糊界面。利用電子探針對其進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果如表2所示。

圖2 背散射圖像

表2 模糊界面的能譜分析數(shù)據(jù)

由表2可知，鎳元素易于與碳元素發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)。隨著實(shí)驗(yàn)中鎳元素?cái)U(kuò)散程度的增加，其穩(wěn)定性也相應(yīng)受到了一定的影響，其熱負(fù)值也在逐漸降低，這說明固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理變化過程雖然很慢，但是具有很明顯的效果，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，就可以在低碳鋼表面形成一層保護(hù)膜，對低碳鋼形成保護(hù)。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會各領(lǐng)域不斷發(fā)展，建筑鋼材在社會主義社會建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，低碳鋼是其中重要的建筑材料之一，因可塑性強(qiáng)被廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際工作過程中，隨著社會的發(fā)展，逐漸受到限制。因此為解決這一問題，對低碳鋼基體進(jìn)行電鍍鎳處理，使其雙方出現(xiàn)固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)。為加強(qiáng)低碳鋼的使用，文章通過實(shí)驗(yàn)對其固態(tài)擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明固態(tài)擴(kuò)散有利于對低碳鋼形成保護(hù)作用，對低碳鋼的廣泛使用具有重要意義。

[1]邱萬奇,熊成,賈磊,等．電鍍鎳及擴(kuò)散預(yù)處理提高滲硼層韌性[J]．中國表面工程,2017,30(2)：79-84．

[2]宿世超,王濤,韓宇哲,等．熱絲CVD法沉積固態(tài)擴(kuò)散源制備晶硅太陽電池p～+/n～+發(fā)射極研究[J]．人工晶體學(xué)報(bào),2016,45(11)：2591-2595．