螺丝氢脆防制.doc

螺絲氫脆預防與控制廖光磊摘要氫脆會導致螺絲遽然斷裂，影響使用安全，是螺絲工業須重視的問題，本文針對氫脆發生的原因、防制方法及試驗程序討論分析，具有參考價值。前言當氫原子大量進入鋼鐵或合金之內部時，會使延展性及負荷承受力降低，或產生裂痕，即使承受之應力仍明顯低於材料之降伏強度或設計強度時，亦會遽然造成因氫原子引起的延遲脆裂現象，此現象即稱為氫脆。在螺絲之酸洗、電鍍、皮膜披覆等過程或在成形、切削、車鑽、焊接等機械加工過程由於潤滑劑不良均會產生氫，氫原子對螺絲機械性質的影響及可能造成的氫脆問題有必要深入研究及預防，以維護螺絲的品質與確保使用安全。一、螺絲氫脆原因螺絲之製造及處理過程，尤其是電鍍及電鍍前的酸洗時，螺絲表面會吸收氫原子，氫原子會陷入沈澱附著的金屬鍍層，當螺絲施力鎖緊時，氫原子會移動至應力集中的地方，承受的應力增強時，表面會產生微小裂痕，此時氫原子會再迅速滲入新產生的裂痕中，如此因應力產生裂痕加上氫原子滲入，不斷的重覆作用直到螺絲斷裂為止。承受的應力除了外部施加的，也可能是內部殘留的或兩者合成的。高強度、高硬度的碳鋼螺絲或合金鋼螺絲，容易發生氫脆，而電鍍及皮膜披覆的螺絲特別有氫脆的問題，此情形在許多不同的機械設備或結構上皆有例證。氫脆造成螺絲斷裂成兩部份，發生於螺絲完成裝配及鎖緊後的使用期間內，通常是在數十個小時內就發生斷裂且毫無預警或有可見的徵兆，可能瞬間就形成危害。高強度小尺寸的自攻螺絲(Tapping Screw)也容易氫脆，所以螺絲製造商要特別注意預防。二、氫脆預防與控制氫脆的預防與控制指的是針對電鍍及酸洗使用無氫脆或少氫脆的製造程序。例如：(一)盡量減少會產生氫原子的製程或化學處理1.避免陰極清洗、浸泡或活性化處理，宜使用鹼劑清洗或陽極鹼洗。2.水洗前使用蒸汽溶劑脫脂。3.使用噴砂、高壓蒸汽或滾轉等機械方式除銹以替代酸洗。4.使用抑制性的酸性浴電鍍，其中的抑制劑可以減少氫原子的產生及防止氫原子滲入鋼鐵表面。(二)使用防止或減少氫脆的鍍金披覆技術。1.機械鍍金不用電或酸鹼等溶液，無電解作用，不會發生氫脆。2.熱浸鍍鋅也少有氫脆現象，因製造規範要求，硬度35HRC以上的螺絲禁止熱浸鍍鋅，例如洛氏硬度高於SAE 5級，ASTM A325或ASTM A449的螺絲，因高強度的熱浸鍍鋅螺絲容易發生與氫脆類似的應力腐蝕或應力腐蝕破裂現象。3.真空鍍金或有機披覆替代電鍍。使用低氫脆或無氰化鍍金浴，用特殊成份的鍍金浴在特定條件下操作，可減少氫原子產生及在烘烤時容易將氫原子排除。(三)適當的熱處理可清除殘留應力及降低材料對氫脆的敏感性，可分電鍍及酸洗前的熱處理與電鍍後的熱處理，目的是將氫原子排出，消除氫脆及減少氫脆的風險，此處理一般稱為低溫烘烤，原文為Baking，再詳細介紹如後。三、氫脆消除前處理ASTM B849是敘述鐵或鋼消除氫脆的程序，與ISO 9587相同，其實就是熱處理（低溫烘烤）的規定，藉著熱處理可以將鋼鐵中的應力消除亦即達到消除氫脆的目的。適用於抗拉強度1000Mpa (145Ksi)以上且烘烤溫度190230時不會對性質有不利影響之經機械加工的鋼鐵零件，在電鍍、酸洗、磷酸鹽處理、化學披覆及其他易受氫脆的處理前實施烘烤。抗拉強度1000Mpa可相當於硬度300HV10, 303HB或31HRC，若小於1000Mpa則不一定需要烘烤。表一為高強度鋼應力消除熱處理的分級，級數由SR-0至SR-8共9級，每級代表不同的抗拉強度及所需烘烤的溫度與時間。買方可在採購訂單或零件藍圖上要求電鍍商、供應商或表面處理商依據指定之等級實施熱處理，如未指定則應使用SR-1，其烘烤時間最長，至少24小時，SR-0表示不需熱處理。如果無法得知抗拉強度或僅知最小抗拉強度，熱處理的方式可由已知或量測後得知的硬度值所對應的抗拉強度而決定。亦可以較高的烘烤溫度與較短的烘烤時間作適當配合，惟需注意對性質不會有不利影響，如回火鋼烘烤溫度至少需比回火溫度低50。若經過冷加工而引導出有利的壓應力者，實施應力消除熱處理時，烘烤溫度勿超過230。若不希望表面硬化區域之硬度因熱處理後降低，可使用較低的烘烤溫度烘烤至少8小時，但勿低於130，此方式適用於抗拉強度1400Mpa (203ksi)以下的鋼鐵零件。四、氫脆消除後處理ASTM B850是敘述鐵或鋼電鍍後消除氫脆的程序，與ISO 9588相同，也是熱處理（低溫烘烤）的規定。表二為高強度鋼氫脆消除熱處理的分級，級數由ER-0至ER-17共18級，每級代表不同的抗拉強度及所需烘烤的溫度與時間。買方可指定等級要求電鍍商、供應商或表面處理商實施熱處理，只要按照該等級規定的溫度及時間烘烤即可。如買方只要求熱處理而未指定等級，則應使用ER-1，其烘烤時間最長，至少22小時，ER-0則不需熱處理，除非指定ER-0，否則抗拉強度1000Mpa (145ksi)以上者均應熱處理，抗拉強度1000Mpa以下者不一定要熱處理。若不知抗拉強度或僅知最小抗拉強度時，熱處理的方式可由已知或量測得知的硬度所對應的抗拉強度而決定。電鍍後應盡早實施熱處理，最好在電鍍後1小時內，勿遲於3小時，因時間若有所延遲，可能會嚴重影響烘烤的效果及效率。電鍍後如需鉻酸鹽皮膜處理，則應先實施熱處理，因鉻酸鹽皮膜在66時會發生變化。25mm以上的螺絲須於電鍍後立即實施熱處理且至少23小時。抗拉強度1400Mpa (203ksi)以下經表面硬化或全硬化的電鍍件如不希望熱處理後硬度降低，可以較低的溫度烘烤至少8小時，但勿低於130。抗拉強度1400Mpa (203ksi)以下的電鍍件，一般烘烤至少16小時，14011800Mpa的電鍍件則需烘烤至少22小時。五、氫脆試驗為了了解電鍍螺絲是否有氫脆現象或需驗證該螺絲烘烤處理是否良好？有一些已標準化的試驗方法被應用，例如ASTM F606、ASTM B839、MIL STD 1312、SAE J81、SAE J78等，但是螺絲製造業者並不十分熱衷採用，因試驗所耗費的成本高且試驗時間長，又判定允收的標準較嚴。所以也有試驗方法因實務需要被螺絲製造商或儀器商開發出來，以防止電鍍螺絲在使用時發生氫脆需要回收而耗費巨大的成本。例如FIP 1000即是Greenslade & Co.所開發的自攻螺絲性能規範，適用3/8in及10mm以下之自攻螺絲。FIP 1000有關電鍍自攻螺絲氫脆試驗的程序，是從每批25萬支以下的螺絲中抽取13支，裝於測試平板上(7085HRB)如圖一，先以扭力扳手將其中5支旋斷，求其平均斷裂扭力後乘80%即是測試鎖緊扭力。然後以此扭力鎖緊其他8支，經24小時後再以原扭力鎖緊一次，假如24小時內有任一螺絲斷裂或於再鎖緊時斷裂，則此批螺絲不合格。該規範也要求所有電鍍自攻螺絲必須在電鍍後以205烘烤至少4小時，以消除氫脆。Greenslade & Co.總裁Joe Greenslade曾在2000年5月惠達螺絲世界雜誌發表個人經驗，指出限制自攻螺絲心部硬度在2835HRC之間可有效減少氫脆，其方法是電鍍後一小時內，以190205烘烤8小時，再從該批螺絲中抽樣105支執行氫脆試驗，其中5支先求出斷裂扭力後乘80%再鎖其他100支，48小時後再以原扭力鎖緊，觀察是否有任何一支螺絲斷裂，則此批不合格。ASTM F606是有關電鍍螺栓氫脆試驗的程序，適用於1/41 1/2 in螺栓。是從待測螺栓批中抽取3支裝於拉力機上，配合螺帽，以扭力扳手鎖緊直到75%之抗拉強度，記錄此時扭力值，三個扭力的平均值即為氫脆試驗之鎖緊扭力。然後將3支螺栓裝於測試治具上如圖二、三，該治具包括一塊墊楔、一塊平板及經硬化之墊圈，墊楔硬度45 HRC，薄端厚度為螺栓直徑的一半，表三為墊楔的角度，平板材質及硬度與墊楔相同，厚度為鎖緊螺帽後外露3條完整螺紋，硬化墊圈硬度為3845HRC，符合ASTM F436。以鎖緊扭力鎖緊，經48小時後觀察是否有斷裂現象或以20倍率以上之放大鏡檢查有無裂紋，且旋鬆螺栓之扭力不得低於鎖緊扭力之90%。ASTM B839為電鍍螺絲採用墊楔法氫脆試驗的程序，惟試驗的說明更為詳細及完整，氫脆試驗分為Grade 48、96、200等3個等級，即分別於試驗48, 96, 200小時後檢查是否有斷裂情形，除放大鏡外亦可使用磁粉或液滲檢測有無裂痕？ASTM F606的螺栓氫脆試驗方法可能是由ASTM B839演進而來。SAE J81及SAE J78為自攻螺絲性能規範，其氫脆試驗的敘述及相關說明較少，但試驗方法較簡單，其螺絲裝於測試平板上的旋緊扭力是直接查表得知。SAE J81亦有要求自攻螺絲電鍍後1小時內，必須以190230烘烤至少4小時。六、結論從以上討論分析得知，螺絲氫脆的預防與控制需要先了解氫脆產生的原因，而氫脆的原因可歸為氫原子與應力持續性之交互作用所造成。應力分為外部應力與螺絲內部殘留應力，外部應力視螺絲受力情況而定，與使用環境無關。但內部殘留應力及氫原子的數量可以有效控制，除了要依據製造規範的要求選用材料、製造、熱處理、回火及進行電鍍後之烘烤外，就是盡量採用少氫原子的前處理作業。如無適當的製造規範可依循或製造規範相關說明欠詳細時，亦可參照ASTM B849在電鍍前實施應力消除之烘烤處理，同時也可參照ASTM B850在電鍍後實施氫脆消除（排除氫原子）之烘烤處理，因許多螺栓或自攻螺絲電鍍後烘烤處理的要求皆是引用該兩份規範的規定。螺絲氫脆的問題與材料、機械加工、熱處理、電鍍（包括前後處理）及鍍層等皆有關連，是否某個製程因操作不當或控制不良導致氫脆，必須加以鑑別及妥善矯正。又產品之允收判定亦與試驗方法及抽樣計畫有關，不論如何抽樣，都不允許樣本數中有任何一個氫脆試驗不合格，否則全批拒收，因此製程品質管制及電鍍流程非常重要，應確實依照相關標準或規範正確作業，才能有效減少及降低氫脆的風險，達成氫脆防制的目的。七、參考文獻1.薛錦，應力腐蝕與環境氫脆，西安交大出版社，June. 1991.2.Joe Creenslade，限制心部硬度在2835 HRC之間以降低自攻螺絲之氫脆化風險，螺絲世界雙月刊62期，May, 2000.3.Hydrogen Embrittlement Prevention and Control, ASTM (American Society for Testing and Materials).4.Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement of Iron Base Alloys, NACE (National Association of Corrosion Engineers), June, 1973.5.Hydrogen Embrittlement and Stress Corrosion Cracking, ASM (American Society for Metals), 1984.6.IFI-142, Hydrogen Embrittlement Risk Management, 1997.7.Platings and Coatings, Fastener Standards, IFI Sixth Edition, 1988.8.FIP 1000, Tapping Screw Performance Specifications, March, 1988.9.ASTM B839, Standard Test Method for Residual Embrittlement in Metallic Coated, Externally Threaded Articles, Fasteners, and Rod-Inclined Wedge Method, 1994.10.ASTM B849, Standard Specification for Pre-Treatments of Iron or Steel for Reducing Risk of Hydrogen Embrittlement, 1994.11.ASTM B850, Standard Specification for Post-Coating Treatments of Iron or Steel for Reducing Risk of Hydrogen Embrittlement, 1994.12.ASTM F606, Standard Test Methods for Determine the Mechanical Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, and Rivets, 1998.13.SAE J81, Thread Rolling Screws, 1997.表一高強度鋼應力消除熱處理分級等級抗 拉 強 度Mpa溫度時間hrSR-0(不適用)SR-1 1800200-230min 24SR-2A 1800190-220min 24SR-31401 to 1800200-230min 18SR-4A1450 to 1800190-220min 18SR-5A 1034177-205min 3SR-61000 to 1400200-230min 3SR-7A1050 to 1450190-220min 1SR-8表面硬化零件 1400130-160min 8註：SR-2A, SR-4A, SR-5A 及SR-7A僅使用於聯邦標準QQ-C-320，不適用其他標準。表二高強度鋼氫脆消除熱處理分級等級抗 拉 強 度Mpa溫度時間hrER-11701 to 1800190-220min 22ER-21601 to 1700190-220min 20ER-31501 to 1600190-220min 18ER-41401