鋼絲鍍層鐵基鋅鈷擴散機理研究

朱晨露，姚利麗，周志嵩，魏于博，王 濤，柯增光

（1.江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結構與功能金屬復合材料重點實驗室，江蘇 泰州 225721）

礦山工程機械輪胎的保護層鋼絲簾線易出現(xiàn)嚴重腐蝕現(xiàn)象，普通黃銅鍍層鋼絲簾線無法滿足惡劣工作條件的要求，亟需開發(fā)新型耐腐蝕鍍層的鋼絲簾線。鋼絲簾線與橡膠的粘合性能是輪胎重要性能指標[1]，且影響因素很多[2-4]，機理比較復雜[5]。提高鋼絲簾線與橡膠的粘合性能研究包括改進膠料配方[6-8]和改善鋼絲鍍層兩方面。

在膠料配方中加入鈷鹽[9-10]可以得到高初始粘合力，但是鈷作為一種金屬催化劑，會導致膠料物理性能下降[11]。也有學者[12-15]開展了鍍層對膠料與鋼絲簾線粘合性能影響的系列研究。

本工作從鋼絲鍍層著手，將鈷加入到鍍層中，探索鋼絲表面電鍍鋅和鈷后各物質之間的擴散機理，旨在為鋅鈷鍍層鋼絲的開發(fā)提供借鑒。

1 實驗

1.1 材料

Φ1.94HT熱處理鋼絲。

1.2 試驗方法

在鋼絲表面采用不同的鋅、鈷電鍍順序，鋅和鈷的鍍層含量分別為5.0和0.2 g·kg-1，電鍍溫度均為室溫，鋼絲有效浸沒長度為0.55 m，鍍鈷和鍍鋅電流分別為1和2 A。

電鍍完成后，將表面有鋅鈷鍍層的鋼絲置于馬弗爐中進行熱擴散。共考察4組對比試驗，分別為：（1）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在300，350，400，450和500 ℃下分別擴散30 min；（2）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 ℃下分別擴散5，10，15，20和25 min；（3）鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 ℃下分別擴散5，10，15，20和25 min。

1.3 測試分析

對熱擴散結束后的鋼絲進行金相制樣，用Sigma 500場發(fā)射掃描電鏡（德國卡爾·蔡司股份公司產(chǎn)品）對鋼絲表面鍍層進行線掃描和能譜分析。

2 結果與討論

2.1 鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲

2.1.1 溫度影響

鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲不同溫度下擴散30 min后鍍層的線掃描結果見圖1，圖中紅線代表鋅的強度，藍線代表鐵的強度，綠線代表鈷的強度。

由圖1可見：未擴散時只在鍍層與基體界面處出現(xiàn)了鈷的強信號峰，此時鈷主要分布于鍍層與基體界面處，與鐵基鈷-鋅鍍層的電鍍順序相符；300℃下擴散后鈷的強信號峰偏離鍍層與基體的界面，但鈷仍在靠近基體處；350 ℃下擴散后鈷的強信號峰處于鍍層外側，鈷主要分布于鍍層外側；400 ℃下擴散結果與350 ℃下擴散結果相似，鈷主要分布于鍍層外側；450 ℃下擴散后鍍層中沒有鈷的強信號峰，鈷在鍍層中均勻分布；500 ℃下擴散結果與450 ℃下擴散結果相似，即鈷在鍍層中均勻分布。

圖1 鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲不同溫度下擴散30 min后鍍層的線掃描結果

由此推測不同溫度下鐵基鈷-鋅鍍層中的擴散過程如下。

（1）當擴散溫度為300，350和400 ℃時，由于擴散溫度低于鋅的熔點，擴散過程為固-固擴散。低熔點的鋅向鈷和鐵基體中擴散[16-17]，鋅與鈷先形成鈷-鋅合金，由于鈷含量小，與鋅反應之后就處于鍍層外側，而多余的鋅則繼續(xù)向鐵基體擴散，與鐵形成鐵-鋅合金。因此在擴散溫度為300 ℃時，擴散的動力相對欠缺，鈷的強信號峰偏離鍍層與基體的界面，但鈷仍然在靠近基體處，該狀態(tài)下鋅在向鈷和鐵基體中擴散，但還沒有擴散完全。而擴散溫度為350和400 ℃時，擴散的動力相對提高，鋅向鈷和鐵基體中擴散后，在鍍層外側形成鈷-鋅合金，內(nèi)側形成鐵-鋅合金，因此鈷的強信號峰在鍍層外側。

（2）當擴散溫度為450和500 ℃時，由于擴散溫度高于鋅的熔點，擴散過程為固-液擴散，鈷和鐵向鋅液中擴散。由于鈷的含量很小，而鐵的含量相對較大，鋅與鐵優(yōu)先反應形成鐵-鋅合金。N.Y.Tang等[18]研究了鋅-鐵-鈷三元體系450 ℃下的富鋅角相圖，表明FeZn13與CoZn13可以形成連續(xù)的相區(qū)。因此，隨著擴散時間的延長，鈷擴散到鐵-鋅合金中，形成Fe（Co）Zn13。因此，在450和500 ℃擴散30 min后，鈷沒有明顯的強信號峰。

2.1.2 擴散時間的影響

鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 ℃下擴散不同時間后鍍層的線掃描結果如圖2所示。

圖2 鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 °C下擴散不同時間后鍍層的線掃描結果

由圖2可見：未擴散時只在鍍層與基體界面處出現(xiàn)了鈷的強信號峰，此時鈷主要分布于鍍層與基體界面處，與鐵基鈷-鋅鍍層的電鍍順序相符；在400 ℃下擴散5～25 min后鈷的強信號峰均處于鍍層外側，說明鈷主要分布于鍍層外側。

分析認為，擴散溫度為400 ℃時，由于擴散溫度低于鋅的熔點，擴散過程為固-固擴散。低熔點的鋅向鈷和鐵基體中擴散，鋅與鈷先形成鈷-鋅合金，由于鈷含量小，與鋅反應完之后處于鍍層外側，多余的鋅則繼續(xù)向鐵基體擴散，與鐵形成鐵-鋅合金。因此400 ℃擴散一定時間后，線掃描結果顯示鈷的強信號峰一直處于鍍層外側，即鈷一旦與鋅在鍍層外側形成鈷-鋅合金，則鈷不再參與擴散。

2.2 鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲

鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 ℃下擴散不同時間后鍍層的線掃描結果如圖3所示。

圖3 鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 °C下擴散不同時間后鍍層的線掃描結果

由圖3可見：未擴散時鋅的強信號峰在鍍層與基體界面處，鈷的強信號峰在基體外側，與鐵基鋅-鈷鍍層的電鍍順序相符；擴散5 min后，鈷仍然是在外側較多，鋅和鐵明顯擴散；擴散10 min后，從整個鍍層來看，鈷沒有明顯的強信號峰，幾乎在整個鍍層均勻分布；擴散15，20，25 min后的結果與擴散10 min時相似，鈷幾乎在整個鍍層均勻分布。

因此鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲400 ℃下擴散過程推測如下：由于鐵的含量遠大于鈷，擴散初期，鋅與鐵優(yōu)先擴散形成鐵-鋅合金，因此擴散5和10 min時，鈷在外側分布較多；隨著擴散時間的延長，鈷逐漸向鐵-鋅合金中擴散，形成Fe（Co）Zn13，因此擴散時間為15，20和25 min時，鈷幾乎均勻分布在整個鍍層。

3 結論

（1）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在擴散溫度低于鋅的熔點時，擴散過程為固-固擴散。低熔點的鋅向鈷和鐵基體中擴散，在鍍層外側形成鈷-鋅合金，內(nèi)側形成鐵-鋅合金，一旦鈷-鋅合金形成后，鈷不參與后續(xù)擴散。

（2）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在擴散溫度高于鋅的熔點時，擴散過程為固-液擴散，鈷和鐵向鋅液中擴散。鋅與鐵優(yōu)先反應形成鐵-鋅合金，隨著擴散時間的延長，鈷擴散到鐵-鋅合金中，形成Fe（Co）Zn13。

（3）鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在擴散溫度低于鋅的熔點時擴散結果與鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在擴散溫度高于鋅的熔點時擴散情況相同，但最初的擴散過程不同。