鋼絲鍍層鐵基鋅鈷擴(kuò)散機(jī)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(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州 225721）

礦山工程機(jī)械輪胎的保護(hù)層鋼絲簾線易出現(xiàn)嚴(yán)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(biāo)[1]，且影響因素很多[2-4]，機(jī)理比較復(fù)雜[5]。提高鋼絲簾線與橡膠的粘合性能研究包括改進(jìn)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(huì)導(dǎo)致膠料物理性能下降[11]。也有學(xué)者[12-15]開展了鍍層對(duì)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(zhì)之間的擴(kuò)散機(jī)理，旨在為鋅鈷鍍層鋼絲的開發(fā)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

Φ1.94HT熱處理鋼絲。

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行熱擴(kuò)散。共考察4組對(duì)比試驗(yàn)，分別為：（1）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在300，350，400，450和500 ℃下分別擴(kuò)散30 min；（2）鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 ℃下分別擴(kuò)散5，10，15，20和25 min；（3）鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 ℃下分別擴(kuò)散5，10，15，20和25 min。

1.3 測試分析

對(duì)熱擴(kuò)散結(jié)束后的鋼絲進(jìn)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(duì)鋼絲表面鍍層進(jìn)行線掃描和能譜分析。

2 結(jié)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(kuò)散30 min后鍍層的線掃描結(jié)果見圖1，圖中紅線代表鋅的強(qiáng)度，藍(lán)線代表鐵的強(qiáng)度，綠線代表鈷的強(qiáng)度。

由圖1可見：未擴(kuò)散時(shí)只在鍍層與基體界面處出現(xiàn)了鈷的強(qiáng)信號(hào)峰，此時(shí)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(kuò)散后鈷的強(qiáng)信號(hào)峰偏離鍍層與基體的界面，但鈷仍在靠近基體處；350 ℃下擴(kuò)散后鈷的強(qiáng)信號(hào)峰處于鍍層外側(cè)，鈷主要分布于鍍層外側(cè)；400 ℃下擴(kuò)散結(jié)果與350 ℃下擴(kuò)散結(jié)果相似，鈷主要分布于鍍層外側(cè)；450 ℃下擴(kuò)散后鍍層中沒有鈷的強(qiáng)信號(hào)峰，鈷在鍍層中均勻分布；500 ℃下擴(kuò)散結(jié)果與450 ℃下擴(kuò)散結(jié)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(kuò)散30 min后鍍層的線掃描結(jié)果

由此推測不同溫度下鐵基鈷-鋅鍍層中的擴(kuò)散過程如下。

（1）當(dāng)擴(kuò)散溫度為300，350和400 ℃時(shí)，由于擴(kuò)散溫度低于鋅的熔點(diǎn)，擴(kuò)散過程為固-固擴(kuò)散。低熔點(diǎn)的鋅向鈷和鐵基體中擴(kuò)散[16-17]，鋅與鈷先形成鈷-鋅合金，由于鈷含量小，與鋅反應(yīng)之后就處于鍍層外側(cè)，而多余的鋅則繼續(xù)向鐵基體擴(kuò)散，與鐵形成鐵-鋅合金。因此在擴(kuò)散溫度為300 ℃時(shí)，擴(kuò)散的動(dòng)力相對(duì)欠缺，鈷的強(qiáng)信號(hào)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(kuò)散，但還沒有擴(kuò)散完全。而擴(kuò)散溫度為350和400 ℃時(shí)，擴(kuò)散的動(dòng)力相對(duì)提高，鋅向鈷和鐵基體中擴(kuò)散后，在鍍層外側(cè)形成鈷-鋅合金，內(nèi)側(cè)形成鐵-鋅合金，因此鈷的強(qiáng)信號(hào)峰在鍍層外側(cè)。

（2）當(dāng)擴(kuò)散溫度為450和500 ℃時(shí)，由于擴(kuò)散溫度高于鋅的熔點(diǎn)，擴(kuò)散過程為固-液擴(kuò)散，鈷和鐵向鋅液中擴(kuò)散。由于鈷的含量很小，而鐵的含量相對(duì)較大，鋅與鐵優(yōu)先反應(yīng)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(kuò)散時(shí)間的延長，鈷擴(kuò)散到鐵-鋅合金中，形成Fe（Co）Zn13。因此，在450和500 ℃擴(kuò)散30 min后，鈷沒有明顯的強(qiáng)信號(hào)峰。

2.1.2 擴(kuò)散時(shí)間的影響

鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 ℃下擴(kuò)散不同時(shí)間后鍍層的線掃描結(jié)果如圖2所示。

圖2 鐵基鈷-鋅鍍層鋼絲在400 °C下擴(kuò)散不同時(shí)間后鍍層的線掃描結(jié)果

由圖2可見：未擴(kuò)散時(shí)只在鍍層與基體界面處出現(xiàn)了鈷的強(qiáng)信號(hào)峰，此時(shí)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(kuò)散5～25 min后鈷的強(qiáng)信號(hào)峰均處于鍍層外側(cè)，說明鈷主要分布于鍍層外側(cè)。

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

2.2 鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲

鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 ℃下擴(kuò)散不同時(shí)間后鍍層的線掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3 鐵基鋅-鈷鍍層鋼絲在400 °C下擴(kuò)散不同時(shí)間后鍍層的線掃描結(jié)果

由圖3可見：未擴(kuò)散時(shí)鋅的強(qiáng)信號(hào)峰在鍍層與基體界面處，鈷的強(qiáng)信號(hào)峰在基體外側(cè)，與鐵基鋅-鈷鍍層的電鍍順序相符；擴(kuò)散5 min后，鈷仍然是在外側(cè)較多，鋅和鐵明顯擴(kuò)散；擴(kuò)散10 min后，從整個(gè)鍍層來看，鈷沒有明顯的強(qiáng)信號(hào)峰，幾乎在整個(gè)鍍層均勻分布；擴(kuò)散15，20，25 min后的結(jié)果與擴(kuò)散10 min時(shí)相似，鈷幾乎在整個(gè)鍍層均勻分布。

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

3 結(jié)論

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

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

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