氢脆及预防措施

时间 : 2019-07-06    来源:盈锋志诚嘉     作者:毛吉华

氢以原子态进入金属,以分子态使金属损伤,其损伤是一个从微观到宏观的过程,并以不同方式表现。氢致开裂是工程失效中最常见的现象,它涉及到氢的来源、材料的组织结构及金属受力的状况。
零件在下列情况下存在氢脆失效的危险:高抗拉强度或硬化或表面淬硬;吸附氢原子;在拉伸应力状态下。

图1  氢脆断裂形貌

一 氢脆机理

氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢原子向应力集中的部位扩散聚集,导致该位置应力加大,当这个应力值超过材料的屈服强度,就会出现开裂,并逐渐蔓延直至断裂。

氢脆破坏通常是发生在应力集中的位置,如螺栓头与杆过度的位置;氢脆断裂是一个过程,通常是发生在安装24h后。

氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属材料中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中扩散比较困难。镀镉层是最难扩散的。常温下氢的扩散速度很慢,所以需要加热来除氢。温度升高,会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除氢的温度选择,必须考虑到是否会导致降低此材料硬度和破坏镀层本身的性能。

二 氢脆的预防

1 保证材料的杂质成分在较低的水平。钢中的杂质元素容易在晶界偏聚,增加材料的氢脆敏感性。含碳量低且硫、磷等杂质含量较少的钢,氢脆敏感性低。对于同种材料而言,钢的强度等级越高,对氢脆越敏感。对于高强度紧固件,材料应该选用冶炼质量级别相对较高的钢。

2 综合考虑螺栓强韧性,尽可能降低材料使用应力。

高强度螺栓淬火后,在200-600℃回火温度范围内,氢脆敏感性随回火温度的升高逐渐减小。高于500℃回火,氢脆几乎不敏感,这与马氏体的充分回火有关。
氢在马氏体中的溶解度只有奥氏体的1//10,但扩散系数高出3-4个数量级,由此导致超出溶解极限的氢能够以很快的扩散速度向马氏体的晶体缺陷偏聚,进而引发局部应力集中,导致裂纹产生,并逐渐蔓延,导致氢脆发生。

3 表面处理时预防氢脆措施

对于高强度螺栓,应尽量避免采用渗氢严重的表面处理工艺,如电镀锌、强酸洗、电化学阴极除油和阴极、阳极交替除油等表面处理工艺。为去除螺栓表面氧化皮进行酸洗时,应尽量采用稀释的盐酸,并加入缓蚀剂和表面活性剂,严禁用强酸洗。   

采用低氢扩散性和低氢溶解度的涂层,在满足产品技术条件的情况下,可以采用不会造成渗氢的涂层,如达克罗涂层可以代替镀锌、锌镍合金涂层,不会发生氢脆,耐腐蚀性能不会受到影响。

4 镀后除氢

对电镀过程中渗氢较多的零件,镀后应尽快除氢。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。国际标准规定:最好在电镀1h内,但不迟于3h,进行去氢处理。国内也有相应的标准,对电镀锌前、后的去氢处理做了规定。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150-300℃,保温2-4h。具体的温度和时间根据零件大小、强度、镀层性质和电镀时间长度而定。