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氫脆的控制
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。表面處理技術人員必須掌握避免和消除氫脆的技術,以使氫脆的影響降低到最低限度。
一、氫脆
1氫脆現(xiàn)象
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。
2 氫脆機理
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。
二、避免和消除的措施
.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)品技術條件要求的情況下,可采用不會造成滲氫的涂層,如達克羅涂覆層可以代替鍍鋅,不會發(fā)生氫脆,耐蝕性提高7～10倍,附著力好,膜厚6～8μｍ,相當于較薄的鍍鋅層,不影響裝配。
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。
三、應注意的問題
材料強度越大,其氫脆敏感性也越大,這是表面處理技術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,�。业鹊牧慵訌娙�;(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。
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