低碳钢基体上电镀镍元素固态扩散机理

赵晓萍，张士宪，黄伟青

（河北工业职业技术学院，河北 石家庄 050000）

低碳钢，别名软钢，含碳量只有0.10%～0.30%，因此具有较好的可塑性和韧性，强度和硬度也都很低，因此易于接受各种加工，如锻造、焊接、切削等[1]。但恰恰因为这些优势，使其在实际使用过程中受到诸限制，例如会在基体表面极易发生微孔腐蚀等现象，影响人们正常的生产活动。因此为解决这一问题，综合国内外相关研究资料，研究者们在低碳钢表面进行电镀镍处理，因此在不影响其功能的基础上，根据实际情况适当提高低碳钢的强度。能产生这种效果的主要原因是其在电镀后，低碳钢中的碳元素和镍元素能够相互固态扩散，在低碳钢的表面形成保护膜，防止出现微孔腐蚀现象[2]。本文通过一个固态扩散实验，对低碳钢基体上电镀镍元素固态扩散机理进行研究，以期对类似钢铁材料的镀层处理提供一些借鉴。

1 实验材料

先取0.5mm厚、1cm高和1cm宽的低碳钢材一块，然后在碱溶液中浸泡10分钟进行去污处理，取出风干后，再在HCL+5%H2SO4溶液中浸泡5分钟进行除锈处理，处理结束后，用蒸馏水进行冲洗，最后在烘箱中烘干。把烘干的低碳钢块进行30分钟电镀镍处理。电镀完成后，再次用蒸馏水进行冲洗，并在烤箱中烘干。以此作为低碳钢基体上电镀镍元素固态扩散机理实验的试样。

2 实验过程

在试样准备工作完成后，开始进行固态扩散机理观察实验。

首先将样本放到型号为KL-I13的真空退火炉内，然后对炉内的烧结温度进行三次调控，调控的烧结温度分别为700K、750K以及800K，并保温40h。在热处理结束后，让试样自然降温到与室温相同的温度。取出炉内的试样后还需要对其进行磨制和抛光处理，然后利用金相显微镜对试样表面的变化情况进行观察。最后借助TYA-7800扫描电镜进行背散射观察和电子探针分析，研究低碳钢基体上电镀镍元素固态扩散机理，即研究其扩散层的形貌特征和元素分布。

3 实验结果分析

试样在经过热处理后，在低碳钢的表面发生了固态扩散反应，如图1所示。

图1 低碳钢表面固态扩散反应

从图1中可知，经过电镀镍处理的低碳钢试样表面出现了Kirkendall孔，同时金属间化合物脆性大，再加上在冷却处理时，温度骤降，因此在低碳钢基体试样上明显出现了裂纹。低碳钢基体表面机理反应观察结束后，利用TYA-7800扫描电镜对反应区内的成分进行分析，结果如表1所示。

表1 反应区成分分析结果

从图1和表1可知，随着烧结温度的升高，低碳钢基体表面的固态扩散层开始出现凹凸不平的状态，并且越加明显，固态扩散层也由贝壳状转变为树叶状。产生这种现象的主要原因是镍原子沿着碳晶界发生了短路扩散现象。温度升的越高，固态扩散界面扩散的越快，其厚度也就越厚。下图2为借助TYA-7800扫描电镜观察到的背散射图像。从图中可以看出碳元素和镍元素形成的扩散层可以与三相相交的区域内汇合，使原交点消失。图中的区域1和区域2之间形成了一层模糊界面。利用电子探针对其进行了分析，其分析结果如表2所示。

图2 背散射图像

表2 模糊界面的能谱分析数据

由表2可知，镍元素易于与碳元素发生固态扩散反应。随着实验中镍元素扩散程度的增加，其稳定性也相应受到了一定的影响，其热负值也在逐渐降低，这说明固态扩散机理变化过程虽然很慢，但是具有很明显的效果，当达到一定程度时，就可以在低碳钢表面形成一层保护膜，对低碳钢形成保护。

4 结语

综上所述，随着经济的发展，社会各领域不断发展，建筑钢材在社会主义社会建设中发挥了重要作用，低碳钢是其中重要的建筑材料之一，因可塑性强被广泛应用。但是在实际工作过程中，随着社会的发展，逐渐受到限制。因此为解决这一问题，对低碳钢基体进行电镀镍处理，使其双方出现固态扩散反应。为加强低碳钢的使用，文章通过实验对其固态扩散机理进行了研究，研究结果表明固态扩散有利于对低碳钢形成保护作用，对低碳钢的广泛使用具有重要意义。

[1]邱万奇,熊成,贾磊,等．电镀镍及扩散预处理提高渗硼层韧性[J]．中国表面工程,2017,30(2)：79-84．

[2]宿世超,王涛,韩宇哲,等．热丝CVD法沉积固态扩散源制备晶硅太阳电池p～+/n～+发射极研究[J]．人工晶体学报,2016,45(11)：2591-2595．