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      氫脆與電鍍

      分類:
      技術資訊
      來源:
      發布時間:
      2019/10/12
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      1.氫脆的基本定義
      氫脆(hydrogen embrittlement,HE) 又稱氫致開裂或氫損傷,是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現象。氫脆是溶于鋼中的氫,聚合為氫分子,造成應力集中,超過鋼的強度極限,在鋼內部形成細小的裂紋。氫脆只可防,不可治。氫脆一經產生,就消除不了。在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內部的微量氫(10的負6次方量級)在內部殘余的或外加的應力作用下導致材料脆化甚至開裂。在尚未出現開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數小時,可使內氫減少)恢復鋼材的性能。因此,內氫脆是可逆的。

      2.氫脆現象
      氫脆通常表現為應力作用下的延遲斷裂現象。曾經出現過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件,在裝配之后數小時內陸續發生斷裂,斷裂比例達40-50%。某特種產品鍍鎘件在使用過程中曾出現過批量裂紋斷裂,曾組織過全國性攻關,制訂嚴格的去氫工藝。另外,有一些氫脆并不表現為延遲斷裂現象,例如:電鍍掛具(鋼絲、銅絲)由于經多次電鍍和酸洗退鍍,滲氫較嚴重,在使用中經常出現一折便發生脆斷的現象;獵槍精鍛用的芯棒,經多次鍍鉻之后,,墮地斷裂;有的淬火零件(內應力大)在酸洗時便產生裂紋。這些零件滲氫嚴重,無需外加應力就產生裂紋,再也無法用去氫來恢復原有的韌性。

       


      3.氫脆的機理
      延遲斷裂現象的產生是由于零件內部的氫向應力集中的部位擴散聚集,應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,產生巨大的壓力,這個壓力與材料內部的殘留應力及材料受的外加應力,組成一個合力,當這合力超過材料的屈服強度,就會導致斷裂發生。氫脆既然與氫原子的擴散有關,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。因此,氫脆通常表現為延遲斷裂。


      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。經過一段時間后,氫擴散到金屬內部,特別是進入金屬內部缺陷處的氫,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。

       


      4.降低和消除氫脆的措施
      4.1減少金屬中滲氫的數量,必須盡量減少高強度/高硬度鋼制緊固件的酸洗,因為酸洗可加劇氫脆。在除銹和氧化皮時,盡量采用噴砂拋丸的方法,若洛氏硬度等于或大于HRC 32的緊固件進行酸洗時,必須在制定酸洗工藝時確保零件在酸中浸泡的時間最長不超過10分鐘。并應盡量降低酸液的濃度,并保證零件在酸中浸泡的時間不超過10分鐘;在除油時,采用清洗劑或溶劑除油等化學除油方式,滲氫量較少,若采用電化學除油,先陰極后陽極,高強度零件不允許用陰極電解除油;在熱處理時,嚴格控制甲醇和丙烷的滴注量;在電鍍時,堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。


      4.2采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層。一般認為,在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。在滿足產品技術條件要求的情況下,可采用不會造成滲氫的涂層,如機械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層,不會發生氫脆,耐蝕性高,附著力好,且比電鍍環保。


      4.3鍍前去應力和鍍后去氫以消除氫脆隱患。若零件經淬火、焊接等工序后內部殘留應力較大,鍍前應進行回火處理,回火消除應力實際上可以減少零件內的陷阱數量,從而減輕發生氫脆的隱患。


      4.4控制鍍層厚度,由于鍍層覆蓋在緊固件表面,鍍層在一定程度上會起到氫擴散屏障的作用,這將阻礙氫向緊固件外部的擴散。當鍍層厚度超過2.5μm時,氫從緊固件中擴散出去就非常困難了。因此硬度<32HRC的緊固件,鍍層厚度可以要求在12μm;硬度≥32HRC的高強度螺栓,鍍層厚度應控制在8μm max。這就要求在產品設計時,必須考慮到高強度螺栓的氫脆風險,合理選擇鍍層種類和鍍層厚度。

       


      5.電鍍工件的除氫處理
      出現氫脆的工件通過除氫處理(如加熱等)也能消除氫脆,采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。對于普通鍍鋅工件的除氫處理,一般都在200~240度的溫度下,加熱2~4小時可將大部分氫去除。

       

       

      6.鍍鋅低氫脆的替代選擇
      對于目前一些電鍍廠客戶面臨的鍍鋅工件的氫脆問題困惑和苦惱,使用??祈樀膲A性鋅鎳合金電鍍工藝將是一個非常完美的解決方案!
       

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