除氫處理氫脆原理

鐵零件鍍鋅過程中，除鋅的電沉積外，往往伴隨有氫離子還原析氫的副反應。氫還原一部分變成氣體逸出，還有一部分以氫的原子形態(tài)滲入到鍍層和基體金屬晶格的點陣中去，造成晶格歪扭，零件內(nèi)應力增加，鍍層和基體變脆，人們稱之為氫脆。氫脆對材料的力學性能危害很大，如不除去，會影響零件的壽命，甚至造成機器的破壞事故。因此某些鋼材或用于特殊條件下的零件，必須進行除氫處理，例如飛機上使用的鍍鋅件都要經(jīng)過除氫處理。彈性零件和高強度鋼上鍍鋅也需要進行除氫。除氫采用加熱處理法將氫從零件內(nèi)部趕出去。除氫效果與除氫溫度、保溫時間有關。溫度高，時間長除氫越徹底。但加熱溫度不能太高，超過250℃鋅結(jié)晶組織變形、發(fā)脆，耐蝕性明顯下降。一般用l90℃~230℃，2h~3h。滲碳件和錫焊件除氫溫度是140℃~l60℃，保溫3h。

在任何電鍍?nèi)芤褐?由于水分子的離解,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)的同時,伴有氫氣的析出(副反應)。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),氫脆的影響降低到最低限度。

氫脆通常表現(xiàn)為應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,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,無需外加應力就產(chǎn)生裂紋,再也無法用去氫來恢復原有的韌性。

延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于零件內(nèi)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(chǎn)生巨大的壓力,這個壓力與材料內(nèi)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(fā)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(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。

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(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,如機械鍍鋅可以,不會發(fā)生氫脆,耐蝕性高,附著力好,厚5~100μm，成本低。

3 鍍前去應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)部殘留應力較大,鍍前應進行回火處理,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"最好在鍍后1h內(nèi),但不遲于3h,進行去氫處理"。國內(nèi)也有相應的標準,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150~300°C,保溫2~24h。具體的處理溫度和時間應根據(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110~220°C,溫度控制的高低應根椐基體材料而定。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180~200°C。

①將需除氫的鍍件放在烘箱內(nèi)(最好放在真空爐內(nèi))，或在熱油中(適用于鍍硬鉻件)，在200~250℃下處理2~3h。

②熱油中除氫能獲得與在烘箱中除氫具有同樣的效果，由于其受熱均勻，對鍍層還具有填充孔隙的作用，有利于提高鍍層的防護功能，對設備要求也更為簡單。

(2)根據(jù)工件的使用要求提出除氫方法例如鍍硬鉻，在鍍硬鉻時由于電流效率過低，只有13%~18%，大部分電流消耗在氫的析出上，氫頗易擴散到鍍層和基體金屬的晶格中，滲氫較為嚴重，從而引起疲勞強度的降低，影響動、靜負載強度，故在設計中應提出鍍鉻后除氫處理的要求(除氫是在200~220℃下熱處理2~3h)。經(jīng)除氫處理之后可驅(qū)除滲入鍍層和基體中60%~70%的氫，從而大大減輕了脆性而不會降低其硬度。

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,要進行相應的鍍前去應力和鍍后去氫處理。法國航空工業(yè)對屈服強度σs>90kg/mm2的鋼件就要求作相應去氫處理。

由于鋼材強度與硬度有很好的對應關系,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,應加強去氫;

(2)零件的幾何形狀:帶有容易產(chǎn)生應力集中的缺口,小R等的零件應加強去氫;

(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力時應加強去氫,只受壓應力時不會產(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)部殘留應力大的零件,不僅鍍后要加強去氫,而且鍍前要去應力;

(8)零件的歷史情況:對過去生產(chǎn)中發(fā)生過氫脆的零件應特別加以注意,并作好相關記錄。

在電鍍過程中,零部件滲氫的現(xiàn)象是非常普遍的,表面處理技術(shù)人員在編制鍍前去應力和鍍后去氫工藝時,不能照搬相關標準,應根據(jù)零件性質(zhì)和使用條件靈活制訂,否則會使生產(chǎn)成本大大增加,生產(chǎn)管理非常困難。

8.8級內(nèi)六角組合螺釘，其螺絲線材一般是用10B21的或45號鋼。10B21的螺絲線材的硬度通過加硬后能達到8.8級。為什么說8.8級的內(nèi)六角組合螺釘一定要除氫呢!原因很簡單，加硬后的螺絲，其表面層會產(chǎn)生氫氣，而氫氣與空氣當中的氧氣會發(fā)生化學反應。導致螺絲輕脆易掉。所以8.8級內(nèi)六角組合螺絲如果不除氫的話，這組合螺釘里的彈墊就很容易斷掉。

高強度組合螺絲里的彈墊如果不注意，就很容易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，導致彈墊很容易斷掉，或者壓平。所以我們在進行組合螺絲熱處理后，要拿去電鍍前，務必對組合螺絲進行除氫處理。除去組合螺釘周圍的氫氣。不并它和空氣當中的氧氣產(chǎn)生化學反應。導致螺絲頭部和彈墊有裂痕，易斷等。除好氫后在進行電鍍處理。這就是為了防松組合螺釘里的彈墊易斷分析當中的一個重要的原因。