氢脆与磷脆破坏
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除氢处理除氢处理,也称去氢处理,一般对电镀前后必须进行工序,特别是对高强度高硬度的零件在电镀工艺中。
氢脆原理铁零件镀锌过程中,除锌的电沉积外,往往伴随有氢离子还原析氢的副反应。
氢还原一部分变成气体逸出,还有一部分以氢的原子形态渗入到镀层和基体金属晶格的点阵中去,造成晶格歪扭,零件内应力增加,镀层和基体变脆,人们称之为氢脆。
氢脆对材料的力学性能危害很大,如不除去,会影响零件的寿命,甚至造成机器的破坏事故。
因此某些钢材或用于特殊条件下的零件,必须进行除氢处理,例如飞机上使用的镀锌件都要经过除氢处理。
弹性零件和高强度钢上镀锌也需要进行除氢。
除氢采用加热处理法将氢从零件内部赶出去。
除氢效果与除氢温度、保温时间有关。
温度高,时间长除氢越彻底。
但加热温度不能太高,超过250℃锌结晶组织变形、发脆,耐蚀性明显下降。
一般用l90℃~230℃,2h~3h。
渗碳件和锡焊件除氢温度是140℃~l60℃,保温3h。
在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。
因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)的同时,伴有氢气的析出(副反应)。
析氢的影响是多方面的,其中最主要的是氢脆。
氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一,析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂,造成严重的事故。
表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,氢脆的影响降低到最低限度。
氢脆氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。
曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40%~50%。
某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。
另外,有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。
一般如何测试氢脆?为了研究或防止氢脆,需要对金属的氢脆情况进行测试,以获取相关信息。
测试氢脆的方法有好几种,常用的有往复弯曲试验和延迟破坏试验。
(1)往复弯曲试验往复弯曲试验对低脆性材料比较灵敏,可以用来对不同基体材料在经过相同的电镀工艺处理后的氢脆程度进行比较,也可以对相同的基体材料上的不同电镀工艺的氢脆程度进行比较。
这种试验的方法是取一个待测试片,其尺寸规格为:150mm×l3mm×l. 5mm,表面粗糙度Ra=1.6。
对试片进行热处理使之达到规定的硬度,然后用往复弯曲机让试片在一定直径的轴上以一定的速度进行缓慢的弯曲试验,直至试片断裂。
弯曲方式有90。
往复弯曲和l80。
单面弯曲两种,以前一种方式应用较多,弯曲的速度是0.6./s。
如果是单面弯曲则所取的速度则为0.13。
/s。
评价的方法是将弯曲试验至断裂时的次数乘以角度,以获得弯曲角度的总和,其角度总值越大,氢脆越小。
测试时要注意以下几点。
①试片在进行热处理后如果有变形,应静压校平,不可以敲打校正,否则会使试片的内应力增加,影响试验结果。
②为了防止应力影响,电镀前应进行去应力,在电镀后则要进行除氢处理,这时检测的是残余氢脆的影响。
③弯曲试验时所用的轴的直径的选用很重要,因为评价这种试验结果的量化指标与轴径有关,对于小的轴径,则弯曲至断裂的次数就会少一些,具体选用什么轴径要通过对基体材料的空白试验来确定,并且在提供数据时要指明所用的轴径,否则参数没有可比性。
(2)延迟破坏试验延迟破坏试验是一种灵敏度较高的试验方法,适合用于高强度钢制品的氢脆检测。
这种氢脆测试也是在试验机上进行的,所用的试验机为持久强度试验机或蠕变试验机,检测试样在这种试验机上受到小于破坏程度的应力的作用,观测其直到断裂时的时间。
如果到规定的时间尚没有发生断裂,即为合格。
这种试验需要采用按一定要求制作的标准的测试验棒。
并且每次要使用三支同样条件的试样平行做试验,以使结果更为可信。
氢脆在热处理电镀中的危害氢脆是溶于钢中的氢,聚合为氢分子,造成应力集中,超过钢的强度极限,在钢内部形成细小的裂纹,又称白点。
氢脆只可防,不可治。
氢脆一经产生,就消除不了。
在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(10—6量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。
在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时,可使内氢减少)恢复钢材的性能。
因此内氢脆是可逆的。
热处理的方法是将工件加热至某一温度,保温一段时间,缓冷,使氢随溶解度逐渐变小,逐渐析出。
首先,尽量缩短酸洗时间;其次加缓蚀剂,减少产氢量。
压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀,造成材料塑性和强度降低,并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。
高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内,并在金属内部再结合成分子,产生很高的压力,严重时会导致表面鼓包或皱折;氢与钢中的碳结合,使钢脱碳,或使钢中的硫化物与氧化物还原。
造成压力容器氢脆破坏的氢,可以是设备中原来就存在的,例如,炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢,并溶解在液体金属中。
或设备在电镀或酸洗时,钢表面被吸附的氢原子过饱和,使氢渗入钢中;也可以是使用后由介质中吸收进入的,例如在石油、化工容器中,就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。
钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。
它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体,氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。
腐蚀特别严重的容器,宏观上可以发现氢脆所产生的鼓包。
介质中含氢(或硫化氢)的容器是否会发生氢脆,主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。
温度越高、氢分压越高,碳钢的氢脆层就越深,发生氢脆破裂的时间也越短,其中温度尤其是重要因素。
钢的含碳量越高,在相同的温度和压力条件下,氢脆的倾向越严重。
钢中添有铬、钛、钒等元素,可以阻止氢脆的产生。
出现氢脆的工件通过除氢处理(如加热等)也能消除氢脆,采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。
一、氢脆产生的机理因热处理、机加工、电镀、电焊、酸洗、磷化、材料腐蚀等因素导致氢原子渗入钢和其他金属如铝、钛合金中,由于在每一个铁离子的立方晶格中只能容纳一个氢原子,所以它虽自由的移动和扩散,但不可能有二个氢原子相遇形成氢分子,但被吸收的氢原子具有向应力集中的部位扩散和移动的能力,这时,如果在应力集中部位由于位错而产生晶格缺陷时,氢原子进入晶格间隙,相互汇合形成氢分子,从而致使钢的组织破坏,形成钢的氢脆。
而由于氢原子向应力集中的部位扩散和积聚需要时间,这就是为何氢脆主要的表现特征为延迟断裂。
二、造成产品氢脆的几大因素1、原材料钢的强度越高越容易导致氢脆。
高强度钢的韧性会随着其强度的增高而下降,因此这种材料对缺口、氢脆以及应力腐蚀很敏感,尤其是氢脆性会使这些材料在其设计载荷能力以下发生破坏。
也就是说材料在渗氢的情况下,在低于其屈服强度的应力条件下,容易发生早期脆性断裂,而且材料强度级别越高,渗氢程度越严重,所受应力越大,氢脆风险性也越大。
美国对氢脆敏感的SAE4340钢做过实验,当其抗拉强度低于1250MPa 时,吸收了1〜IOPPM的氢而不会发生氢脆,但经过热处理后,强度达到1760MPa〜1920MPa时,仅吸收了0.03〜0.05PPM的氢,就会发生显著的氢脆断裂。
而采用抗拉强度小于780MPa的普通钢,即使吸收了10~30PPM的氢,也未发现有氢脆断裂现象。
2、机械加工在电镀前的加工过程中,如轧制成型、机械加工、钻孔、磨削中,由于润滑剂的选用不当造成分解会导致氢渗入金属中。
硬化热处理后经机械加工、磨削、冷成型冷矫直处理的制件对氢脆损伤特别敏感。
同时如在冷轧、冲裁、压弯、磨削等机加工过程中使得零件表面产生加工裂纹,会导致零件裂纹处渗氢后很难经烘烤将氢析出。
同时裂纹处又是应力集中区,很容易造成零件在裂纹处延时断裂。
下图所示为一款65Mn材料的组合螺母,因表面有严重的机加工裂纹,导致在电镀后采用GBT/3098.17进行氢脆测试过程中发生氢脆断裂。