氢脆.doc

氢脆的控制在任何电镀溶液中,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,以使氢脆的影响降低到最低限度。一、氢脆 1氢脆现象 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。这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生裂纹,再也无法用去氢来恢复原有的韧性。 2 氢脆机理 延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。因此,氢脆通常表现为延迟断裂。氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难。镀镉层是最难扩散的,镀镉时产生的氢,最初停留在镀层中和镀层下的金属表层,很难向外扩散,去氢特别困难。经过一段时间后,氢扩散到金属内部,特别是进入金属内部缺陷处的氢,就很难扩散出来。常温下氢的扩散速度相当缓慢,所以需要即时加热去氢。温度升高,增加氢在钢中的溶解度,过高的温度会降低材料的硬度,所以镀前去应力和镀后去氢的温度选择,必须考虑不致于降低材料硬度,不得处于某些钢材的脆性回火温度,不破坏镀层本身的性能。二、避免和消除的措施 .1减少金属中渗氢的数量在除锈和氧化皮时,尽量采用吹砂除锈,若采用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等缓蚀剂;在除油时,采用化学除油、清洗剂或溶剂除油,渗氢量较少,若采用电化学除油,先阴极后阳极;在电镀时,碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。 2采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层一般认为,在电镀、时,渗入钢件的氢容易残留下来,而、等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度,渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下,可采用不会造成渗氢的涂层,如达克罗涂覆层可以代替镀锌,不会发生氢脆,耐蚀性提高710倍,附着力好,膜厚68,相当于较薄的镀锌层,不影响装配。 3镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大,镀前应进行回火处理,减少发生严重渗氢的隐患。对电镀过程中渗氢较多的零件原则上应尽快去氢,因为镀层中的氢和表层基体金属中的氢在向钢基体内部扩散,其数量随时间的延长而增加。新的国际标准草案规定“最好在镀后1内,但不迟于3,进行去氢处理”。国内也有相应的标准,对电镀锌前、后的去氢处理作了规定。电镀后去氢处理工艺广泛采用加热烘烤,常用的烘烤温度为150300,保温224。具体的处理温度和时间应根据零件大小、强度、镀层性质和电镀时间的长短而定。去氢处理常在烘箱内进行。镀锌零件的去氢处理温度为110220,温度控制的高低应根椐基体材料而定。对于弹性材料、0.5以下的薄壁件及机械强度要求较高的钢铁零件,镀锌后必须进行去氢处理。为了防止“镉脆”,镀镉零件的去氢处理温度不能太高,通常为180200。三、应注意的问题材料强度越大,其氢脆敏感性也越大,这是表面处理技术人员在编制电镀工艺规范时必须明确的基本概念。国际标准要求抗拉强度105/2的钢材,要进行相应的镀前去应力和镀后去氢处理。法国航空工业对屈服强度90/2的钢件就要求作相应去氢处理。由于钢材强度与硬度有很好的对应关系,因此,用材料硬度来判断材料氢脆敏感比用强度来判断更为直观、方便。因为一份完善的产品图和机加工工艺都应标注钢材硬度。在电镀中我们发现钢的硬度在38左右时开始呈现氢脆断裂的危险。对高于43的零件,镀后应考虑去氢处理。硬度为60左右时,在表面处理之后必须立即进行去氢处理,否则在几小时之内钢件会开裂。 除了钢材硬度外,还应综合考虑以下几点： (1)零件的使用安全系数:安全重要性大的零件,应加强去氢;(2)零件的几何形状:带有容易产生应力集中的缺口,小等的零件应加强去氢;(3)零件的截面积:细小的弹簧钢丝、较薄的片簧极易被氢饱和,应加强去氢;(4)零件的渗氢程度:在表面处理中产生氢多、处理时间长的零件,应加强去氢;(5)镀层种类:如镀镉层会严重阻挡氢向外扩散,所以要加强去氢;(6)零件使用中的受力性质:当零件受到高的张应力时应加强去氢,只受压应力时不会产生氢脆;(7)零件的表面加工状态:对冷弯、拉伸、冷扎弯形、淬火、焊接等内部残留应力大的零件,不仅镀后要加强去氢,而且镀前要去应力;(8)零件的历史情况:对过去生产中发生过氢脆的零件应特别加以注意,并作好相关记录。氢脆1.首先氢脆一经产生，就消除不了。 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，治不了。2 内氢脆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(106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。3.热处理对于你不适合。 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。 加热会破坏镀层。 4.如何防治。 你的情况主要是酸洗控制不好。 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、氢分压越突，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。如电镀件的去氢都在200240度的温度下，加热24小时可将绝大部分氢去除。 氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。 氢脆（hydrogen embrittlement）是指金属材料在冶炼，加工，热处理，酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象氢脆现象不仅在普通的钢材中有发现，而且在不锈钢，铝合金，钛合金，镍基合金和锆合金中也都有氢脆现象从机械性能上看，氢脆有以下表现： 氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段时期后会突然脆断氢脆的机理氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因：1. 在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹2. 在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷 甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤3. 在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近金属材料所外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断 另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展 还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展4. 某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂怎样防止氢脆氢脆给人类利用金属带来了风险，因此研究氢脆的目的主要在于防止氢脆，由于氢脆的原因很多，而且人类的认识也不够透彻完整，所以现在还无法完全防止氢脆目前防止氢脆的措施有以下几种：1. 避免过量氢带入-在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种添加剂和钢锭模进行烘烤保持干燥2. 去氢处理-减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢3. 钢中添加适当的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不可逆陷阱，使得材料中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低材料的氢脆倾向4. 发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以具有面心立方结构的相为基，再加其他强化措施，可使其满足使用强度要求5. 采用适当的防护措施-在酸洗或电镀时在酸液或电解液中添加缓蚀剂，使溶液中产生的大量氢原子在金属表面相互结合成氢分子直接从溶液中逸出，避免氢原子进入金属内部此外，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可避免构件与介质反应生成氢电镀氢脆防治为有效地提高弹性紧固件(弹簧垫圈、锥形垫圈、鞍形垫圈、波形垫圈等)抗蚀防护性能和装饰性，多半要进行表面处理，如发黑、磷化、电镀锌等处理。其中电解镀锌及钝化处理应用更为广泛。加上弹性紧固件的硬度一般在42-50HRc之间，由于材料及表面处理的原因，它对氢比较敏感，在电镀后，除氢处理未达到驱氢目的，其残存的氢会造成弹性紧固件的延迟断裂。目前，由延迟断裂氢脆引发的弹性紧固件断裂自然是一个严重的产品质量问题，人们可以采取各种技术来减少和预防弹性紧固件的氢脆问题。1材料缺陷的影响弹性紧固件材料表面缺陷对电镀锌的有害影响是不容忽视的，比如钢板表面轻微裂纹折叠、斑痕蚀坑夹杂和超过允许深度的脱碳层，都会对弹性紧固件镀锌产生十分有害的影响，压弯成型不当造成表面插划伤，局部应力集中等都会有不良影响。2热处理工艺的影响热处理工艺对弹性紧固件电镀锌后的氢脆是有较大影响的，若硬度达45HRc时(碳钢类)，均会诱发或导致弹性紧固件断裂。在确保热处理技术参数的前提下，选择适宜的加热温度，合理的加热时间，充分予以回火。以最大限度地消除组织应力和热应力，避免其有害影响。淬火加热时应严防氧化和脱碳，网带炉碳势控制在0.60%-0.70%,盐浴炉必须认真脱氧捞渣,进行硬度检测时,严格注意表面层造成硬度虚假现象，使硬度测试值失真。一般应控制在 42-44HRc为佳，不要超过45HRc。3电镀过程的影响弹性紧固件由于氢的侵袭往往发生氢脆断裂，造成重大损失。析氢渗氢在整个电解镀锌中是不可避免的，析出的氢能够渗入镀锌层，甚至渗入基体金属内。锌的吸氢大约在0.001% -0.100%,而铁碳合金吸氢在0.1%左右。氢在金属内使晶格扭曲，产生很大的内应力，致使其机械性能降低，析氢不仅对镀层性能产生不利影响，如产生针孔、麻点、气泡等缺陷，而且会渗透至基体金属中，使金属韧性大大降低，导致零件脆断。析氢的原因除在热处理外，较高的加热温度，氢很容易渗入零件应力集中的区域，酸洗和电镀都会发生析氢。4氢脆的预防电镀锌前必须严格控制阴极电解除油。对弹性紧固件（尤其是厚度?1mm），不宜采用阴极电解除油