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金屬氫脆原因及解決方法

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發(fā)表時間:2024-03-02 10:16

在任何電鍍?nèi)芤褐校捎谒肿拥碾x解,總或多或少地存在一定數(shù)量的氫離子。因此,電鍍過程中,在陰極析出金屬(主反應(yīng))的同時,伴有氫氣的析出(副反應(yīng))。析氫的影響是多方面的,其中最主要的是氫脆。氫脆是表面處理中最嚴重的質(zhì)量隱患之一,析氫嚴重的零件在使用過程中就可能斷裂,造成嚴重的事故。表面處理技術(shù)人員必須掌握避免和消除氫脆的技術(shù),以使氫脆的影響降低到最低限度。

一、氫脆

1 氫脆現(xiàn)象

氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲斷裂現(xiàn)象。曾經(jīng)出現(xiàn)過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件,在裝配之后數(shù)小時內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂,斷裂比例達40%50%。某特種產(chǎn)品鍍鎘件在使用過程中曾出現(xiàn)過批量裂紋斷裂,曾組織過全國性攻關(guān),制訂嚴格的去氫工藝。另外,有一些氫脆并不表現(xiàn)為延遲斷裂現(xiàn)象,例如:電鍍掛具(鋼絲、銅絲)由于經(jīng)多次電鍍和酸洗退鍍,滲氫較嚴重,在使用中經(jīng)常出現(xiàn)一折便發(fā)生脆斷的現(xiàn)象;獵槍精鍛用的芯棒,經(jīng)多次鍍鉻之后,墮地斷裂;有的淬火零件(內(nèi)應(yīng)力大)在酸洗時便產(chǎn)生裂紋。這些零件滲氫嚴重,無需外加應(yīng)力就產(chǎn)生裂紋,再也無法用去氫來恢復(fù)原有的韌性。

2 氫脆機理

延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于零件內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴散聚集,應(yīng)力集中部位的金屬缺陷多(原子點陣錯位、空穴等)。氫擴散到這些缺陷處,氫原子變成氫分子,產(chǎn)生巨大的壓力,這個壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力,組成一個合力,當這合力超過材料的屈服強度,就會導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆既然與氫原子的擴散有關(guān),擴散是需要時間的,擴散的速度與濃差梯度、溫度和材料種類有關(guān)。因此,氫脆通常表現(xiàn)為延遲斷裂。

氫原子具有最小的原子半徑,容易在鋼、銅等金屬中擴散,而在鎘、錫、鋅及其合金中氫的擴散比較困難。鍍鎘層是最難擴散的,鍍鎘時產(chǎn)生的氫,最初停留在鍍層中和鍍層下的金屬表層,很難向外擴散,去氫特別困難。經(jīng)過一段時間后,氫擴散到金屬內(nèi)部,特別是進入金屬內(nèi)部缺陷處的氫,就很難擴散出來。常溫下氫的擴散速度相當緩慢,所以需要即時加熱去氫。溫度升高,增加氫在鋼中的溶解度,過高的溫度會降低材料的硬度,所以鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫的溫度選擇,必須考慮不致于降低材料硬度,不得處于某些鋼材的脆性回火溫度,不破壞鍍層本身的性能。

二、避免和消除的措施

1.減少金屬中滲氫的數(shù)量

在除銹和氧化皮時,盡量采用吹砂除銹,若采用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等緩蝕劑;在除油時,采用化學除油、清洗劑或溶劑除油,滲氫量較少,若采用電化學除油,先陰極后陽極;在電鍍時,堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

2.采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層

一般認為,在電鍍CrZnCdNiSnPb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而CuMoAlAgAuW等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下,可采用不會造成滲氫的涂層,如達克羅涂覆層可以代替鍍鋅,不會發(fā)生氫脆,耐蝕性提高710倍,附著力好,膜厚68um,相當于較薄的鍍鋅層,不影響裝配。

3.鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患

若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應(yīng)力較大,鍍前應(yīng)進行回火處理,減少發(fā)生嚴重滲氫的隱患。

對電鍍過程中滲氫較多的零件原則上應(yīng)盡快去氫,因為鍍層中的氫和表層基體金屬中的氫在向鋼基體內(nèi)部擴散,其數(shù)量隨時間的延長而增加。新的國際標準草案規(guī)定“**在鍍后1h內(nèi),但不遲于3h,進行去氫處理”。國內(nèi)也有相應(yīng)的標準,對電鍍鋅前、后的去氫處理作了規(guī)定。電鍍后去氫處理工藝廣泛采用加熱烘烤,常用的烘烤溫度為150300℃,保溫224h。具體的處理溫度和時間應(yīng)根據(jù)零件大小、強度、鍍層性質(zhì)和電鍍時間的長短而定。去氫處理常在烘箱內(nèi)進行。鍍鋅零件的去氫處理溫度為110220℃,溫度控制的高低應(yīng)根椐基體材料而定。對于彈性材料、0.5mm以下的薄壁件及機械強度要求較高的鋼鐵零件,鍍鋅后必須進行去氫處理。為了防止“鎘脆”,鍍鎘零件的去氫處理溫度不能太高,通常為180200℃。

三、應(yīng)注意的問題

材料強度越大,其氫脆敏感性也越大,這是表面處理技術(shù)人員在編制電鍍工藝規(guī)范時必須明確的基本概念。國際標準要求抗拉強度σb>105kg/mm2的鋼材,要進行相應(yīng)的鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫處理。法國航空工業(yè)對屈服強度σs>90kg/mm2的鋼件就要求作相應(yīng)去氫處理。

由于鋼材強度與硬度有很好的對應(yīng)關(guān)系,因此,用材料硬度來判斷材料氫脆敏感比用強度來判斷更為直觀、方便。因為一份完善的產(chǎn)品圖和機加工工藝都應(yīng)標注鋼材硬度。在電鍍中我們發(fā)現(xiàn)鋼的硬度在HRC38左右時開始呈現(xiàn)氫脆斷裂的危險。對高于HRC43的零件,鍍后應(yīng)考慮去氫處理。硬度為HRC60左右時,在表面處理之后必須立即進行去氫處理,否則在幾小時之內(nèi)鋼件會開裂。

除了鋼材硬度外,還應(yīng)綜合考慮以下幾點:

①零件的使用安全系數(shù):安全重要性大的零件,應(yīng)加強去氫;②零件的幾何形狀:帶有容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺口,小R等的零件應(yīng)加強去氫;③零件的截面積:細小的彈簧鋼絲、較薄的片簧極易被氫飽和,應(yīng)加強去氫;④零件的滲氫程度:在表面處理中產(chǎn)生氫多、處理時間長的零件,應(yīng)加強去氫;⑤鍍層種類:如鍍鎘層會嚴重阻擋氫向外擴散,所以要加強去氫;⑥零件使用中的受力性質(zhì):當零件受到高的張應(yīng)力時應(yīng)加強去氫,只受壓應(yīng)力時不會產(chǎn)生氫脆;⑦零件的表面加工狀態(tài):對冷彎、拉伸、冷扎彎形、淬火、焊接等內(nèi)部殘留應(yīng)力大的零件,不僅鍍后要加強去氫,而且鍍前要去應(yīng)力;⑧零件的歷史情況:對過去生產(chǎn)中發(fā)生過氫脆的零件應(yīng)特別加以注意,并作好相關(guān)記錄。

去氫脆

主要原因是電鍍工藝中導(dǎo)致的金屬“氫化”現(xiàn)象導(dǎo)致的,而你用的不合格品呢并不是電鍍工藝本身有問題,因為電鍍(真空鍍除外)本來就會造成金屬氫化,但是目前有許多金屬表面處理商都去掉了最后一個工藝(特別是對于彈性元件很致命的):那就是“去氫處理”工藝,也就是說正常情況下,對于有強度要求的金屬零件需要完成去氫后才能交給用戶的,但是為了節(jié)省生產(chǎn)成本,而用戶又不懂的情況下或者從來沒有要求過、驗收過的情況下,省略這一工藝可以節(jié)省5~15%的成本呢。所以你感覺到電鍍后的螺栓、彈墊等零件在電鍍處理后“變脆”了。

一般地說:對于有強度要求的金屬零件的去氫處理要求是:120~220度高溫保持1~2小時(電鍍結(jié)束后),具體情況需要按照零件要求來控制。


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