氫脆的控製

    在任何電鍍溶液中,由於(yu) 水分子的離解,總或多或少地存在一定數量的氫離子。因此,電鍍過程中,在陰極析出金屬(主反應)的同時,伴有氫氣的析出(副反應)。析氫的影響是多方麵的,其中最主要的是氫脆。氫脆是表麵處理中最嚴(yan) 重的質量隱患之一,析氫嚴(yan) 重的零件在使用過程中就可能斷裂,造成嚴(yan) 重的事故。表麵處理技術人員必須掌握避免和消除氫脆的技術,以使氫脆的影響降低到最低限度。 

    一、氫脆

    1 氫脆現象

    氫脆通常表現為(wei) 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,在裝配之後數小時內(nei) 陸續發生斷裂,斷裂比例達40%～50%。某特種產(chan) 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(guan) ,製訂嚴(yan) 格的去氫工藝。另外,有一些氫脆並不表現為(wei) 延遲斷裂現象,例如:電鍍掛具(鋼絲(si) 、銅絲(si) )由於(yu) 經多次電鍍和酸洗退鍍,滲氫較嚴(yan) 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,經多次鍍鉻之後,墮地斷裂;有的淬火零件(內(nei) 應力大)在酸洗時便產(chan) 生裂紋。這些零件滲氫嚴(yan) 重,無需外加應力就產(chan) 生裂紋,再也無法用去氫來恢複原有的韌性。 

    2 氫脆機理

    延遲斷裂現象的產(chan) 生是由於(yu) 零件內(nei) 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(chan) 生巨大的壓力,這個(ge) 壓力與(yu) 材料內(nei) 部的殘留應力及材料受的外加應力,組成一個(ge) 合力,當這合力超過材料的屈服強度,就會(hui) 導致斷裂發生。氫脆既然與(yu) 氫原子的擴散有關(guan) ,擴散是需要時間的,擴散的速度與(yu) 濃差梯度、溫度和材料種類有關(guan) 。因此,氫脆通常表現為(wei) 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(chan) 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。經過一段時間後,氫擴散到金屬內(nei) 部,特別是進入金屬內(nei) 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(hui) 降低材料的硬度,所以鍍前去應力和鍍後去氫的溫度選擇,必須考慮不致於(yu) 降低材料硬度,不得處於(yu) 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量

     在除鏽和氧化皮時,盡量采用吹砂除鏽,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,先陰極後陽極;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塗層 一般認為(wei) ,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(chan) 品技術條件要求的情況下,可采用不會(hui) 造成滲氫的塗層,如達克羅塗覆層可以代替鍍鋅,不會(hui) 發生氫脆,耐蝕性提高7～10倍,附著力好,膜厚6～8μｍ,相當於(yu) 較薄的鍍鋅層,不影響裝配。 

    3　鍍前去應力和鍍後去氫以消除氫脆隱患

    若零件經淬火、焊接等工序後內(nei) 部殘留應力較大,鍍前應進行回火處理,減少發生嚴(yan) 重滲氫的隱患。 對電鍍過程中滲氫較多的零件原則上應盡快去氫,因為(wei) 鍍層中的氫和表層基體(ti) 金屬中的氫在向鋼基體(ti) 內(nei) 部擴散,其數量隨時間的延長而增加。新的國際標準草案規定“最好在鍍後1ｈ內(nei) ,但不遲於(yu) 3ｈ,進行去氫處理”。國內(nei) 也有相應的標準,對電鍍鋅前、後的去氫處理作了規定。電鍍後去氫處理工藝廣泛采用加熱烘烤,常用的烘烤溫度為(wei) 150～300°Ｃ,保溫2～24ｈ。具體(ti) 的處理溫度和時間應根據零件大小、強度、鍍層性質和電鍍時間的長短而定。去氫處理常在烘箱內(nei) 進行。鍍鋅零件的去氫處理溫度為(wei) 110～220°Ｃ,溫度控製的高低應根椐基體(ti) 材料而定。對於(yu) 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,鍍鋅後必須進行去氫處理。為(wei) 了防止“鎘脆”,鍍鎘零件的去氫處理溫度不能太高,通常為(wei) 180～200°Ｃ。 

    三、應注意的問題

    材料強度越大,其氫脆敏感性也越大,這是表麵處理技術人員在編製電鍍工藝規範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,要進行相應的鍍前去應力和鍍後去氫處理。法國航空工業(ye) 對屈服強度σｓ>90ｋｇ/ｍｍ2的鋼件就要求作相應去氫處理。 由於(yu) 鋼材強度與(yu) 硬度有很好的對應關(guan) 係,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(wei) 直觀、方便。因為(wei) 一份完善的產(chan) 品圖和機加工工藝都應標注鋼材硬度。在電鍍中我們(men) 發現鋼的硬度在ＨＲＣ38左右時開始呈現氫脆斷裂的危險。對高於(yu) ＨＲＣ43的零件,鍍後應考慮去氫處理。硬度為(wei) ＨＲＣ60左右時,在表麵處理之後必須立即進行去氫處理,否則在幾小時之內(nei) 鋼件會(hui) 開裂。 

    除了鋼材硬度外,還應綜合考慮以下幾點：

    (1)零件的使用安全係數:安全重要性大的零件,應加強去氫;(2)零件的幾何形狀:帶有容易產(chan) 生應力集中的缺口,小Ｒ等的零件應加強去氫;(3)零件的截麵積:細小的彈簧鋼絲(si) 、較薄的片簧極易被氫飽和,應加強去氫;(4)零件的滲氫程度:在表麵處理中產(chan) 生氫多、處理時間長的零件,應加強去氫;(5)鍍層種類:如鍍鎘層會(hui) 嚴(yan) 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:當零件受到高的張應力時應加強去氫,隻受壓應力時不會(hui) 產(chan) 生氫脆;(7)零件的表麵加工狀態:對冷彎、拉伸、冷紮彎形、淬火、焊接等內(nei) 部殘留應力大的零件,不僅(jin) 鍍後要加強去氫,而且鍍前要去應力;(8)零件的曆史情況:對過去生產(chan) 中發生過氫脆的零件應特別加以注意,並作好相關(guan) 記錄。