低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態擴散機理

趙曉萍，張士憲，黃偉青

（河北工業職業技術學院，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]。但恰恰因為這些優勢，使其在實際使用過程中受到諸限制，例如會在基體表面極易發生微孔腐蝕等現象，影響人們正常的生產活動。因此為解決這一問題，綜合國內外相關研究資料，研究者們在低碳鋼表面進行電鍍鎳處理，因此在不影響其功能的基礎上，根據實際情況適當提高低碳鋼的強度。能產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擴散，在低碳鋼的表面形成保護膜，防止出現微孔腐蝕現象[2]。本文通過一個固態擴散實驗，對低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態擴散機理進行研究，以期對類似鋼鐵材料的鍍層處理提供一些借鑒。

1 實驗材料

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分鐘進行去污處理，取出風干后，再在HCL+5%H2SO4溶液中浸泡5分鐘進行除銹處理，處理結束后，用蒸餾水進行沖洗，最后在烘箱中烘干。把烘干的低碳鋼塊進行30分鐘電鍍鎳處理。電鍍完成后，再次用蒸餾水進行沖洗，并在烤箱中烘干。以此作為低碳鋼基體上電鍍鎳元素固態擴散機理實驗的試樣。

2 實驗過程

在試樣準備工作完成后，開始進行固態擴散機理觀察實驗。

首先將樣本放到型號為KL-I13的真空退火爐內，然后對爐內的燒結溫度進行三次調控，調控的燒結溫度分別為700K、750K以及800K，并保溫40h。在熱處理結束后，讓試樣自然降溫到與室溫相同的溫度。取出爐內的試樣后還需要對其進行磨制和拋光處理，然后利用金相顯微鏡對試樣表面的變化情況進行觀察。最后借助TYA-7800掃描電鏡進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擴散機理，即研究其擴散層的形貌特征和元素分布。

3 實驗結果分析

試樣在經過熱處理后，在低碳鋼的表面發生了固態擴散反應，如圖1所示。

圖1 低碳鋼表面固態擴散反應

從圖1中可知，經過電鍍鎳處理的低碳鋼試樣表面出現了Kirkendall孔，同時金屬間化合物脆性大，再加上在冷卻處理時，溫度驟降，因此在低碳鋼基體試樣上明顯出現了裂紋。低碳鋼基體表面機理反應觀察結束后，利用TYA-7800掃描電鏡對反應區內的成分進行分析，結果如表1所示。

表1 反應區成分分析結果

從圖1和表1可知，隨著燒結溫度的升高，低碳鋼基體表面的固態擴散層開始出現凹凸不平的狀態，并且越加明顯，固態擴散層也由貝殼狀轉變為樹葉狀。產生這種現象的主要原因是鎳原子沿著碳晶界發生了短路擴散現象。溫度升的越高，固態擴散界面擴散的越快，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散層可以與三相相交的區域內匯合，使原交點消失。圖中的區域1和區域2之間形成了一層模糊界面。利用電子探針對其進行了分析，其分析結果如表2所示。

圖2 背散射圖像

表2 模糊界面的能譜分析數據

由表2可知，鎳元素易于與碳元素發生固態擴散反應。隨著實驗中鎳元素擴散程度的增加，其穩定性也相應受到了一定的影響，其熱負值也在逐漸降低，這說明固態擴散機理變化過程雖然很慢，但是具有很明顯的效果，當達到一定程度時，就可以在低碳鋼表面形成一層保護膜，對低碳鋼形成保護。

4 結語

綜上所述，隨著經濟的發展，社會各領域不斷發展，建筑鋼材在社會主義社會建設中發揮了重要作用，低碳鋼是其中重要的建筑材料之一，因可塑性強被廣泛應用。但是在實際工作過程中，隨著社會的發展，逐漸受到限制。因此為解決這一問題，對低碳鋼基體進行電鍍鎳處理，使其雙方出現固態擴散反應。為加強低碳鋼的使用，文章通過實驗對其固態擴散機理進行了研究，研究結果表明固態擴散有利于對低碳鋼形成保護作用，對低碳鋼的廣泛使用具有重要意義。

[1]邱萬奇,熊成,賈磊,等．電鍍鎳及擴散預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法沉積固態擴散源制備晶硅太陽電池p～+/n～+發射極研究[J]．人工晶體學報,2016,45(11)：2591-2595．