金屬氫脆原因及解決方法

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(yīng)）的同時(shí)，伴有氫氣的析出（副反應(yīng)）。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(yán)重的質(zhì)量隱患之一，析氫嚴(yán)重的零件在使用過程中就可能斷裂，造成嚴(yán)重的事故。表面處理技術(shù)人員必須掌握避免和消除氫脆的技術(shù)，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(yīng)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(shí)內(nèi)陸續(xù)發(fā)生斷裂，斷裂比例達(dá)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(guó)性攻關(guān)，制訂嚴(yán)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(yán)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?cái)嗔眩挥械拇慊鹆慵▋?nèi)應(yīng)力大）在酸洗時(shí)便產(chǎn)生裂紋。這些零件滲氫嚴(yán)重，無需外加應(yīng)力就產(chǎn)生裂紋，再也無法用去氫來恢復(fù)原有的韌性。

2 氫脆機(jī)理

延遲斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于零件內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴(kuò)散聚集，應(yīng)力集中部位的金屬缺陷多（原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等）。氫擴(kuò)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(gè)壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力，組成一個(gè)合力，當(dāng)這合力超過材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致斷裂發(fā)生。氫脆既然與氫原子的擴(kuò)散有關(guān)，擴(kuò)散是需要時(shí)間的，擴(kuò)散的速度與濃差梯度、溫度和材料種類有關(guān)。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(kuò)散，而在鎘、錫、鋅及其合金中氫的擴(kuò)散比較困難。鍍鎘層是最難擴(kuò)散的，鍍鎘時(shí)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(kuò)散，去氫特別困難。經(jīng)過一段時(shí)間后，氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，特別是進(jìn)入金屬內(nèi)部缺陷處的氫，就很難擴(kuò)散出來。常溫下氫的擴(kuò)散速度相當(dāng)緩慢，所以需要即時(shí)加熱去氫。溫度升高，增加氫在鋼中的溶解度，過高的溫度會(huì)降低材料的硬度，所以鍍前去應(yīng)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(shí)，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(shí)，采用化學(xué)除油、清洗劑或溶劑除油，滲氫量較少，若采用電化學(xué)除油，先陰極后陽極；在電鍍時(shí)，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

2.采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層

一般認(rèn)為，在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時(shí)，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(kuò)散性和低氫溶解度，滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會(huì)造成滲氫的涂層，如達(dá)克羅涂覆層可以代替鍍鋅，不會(huì)發(fā)生氫脆，耐蝕性提高7～10倍，附著力好，膜厚6～8um,相當(dāng)于較薄的鍍鋅層，不影響裝配。

3.鍍前去應(yīng)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(yīng)力較大，鍍前應(yīng)進(jìn)行回火處理，減少發(fā)生嚴(yán)重滲氫的隱患。

對(duì)電鍍過程中滲氫較多的零件原則上應(yīng)盡快去氫，因?yàn)殄儗又械臍浜捅韺踊w金屬中的氫在向鋼基體內(nèi)部擴(kuò)散，其數(shù)量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定“**在鍍后1h內(nèi)，但不遲于3h,進(jìn)行去氫處理”。國(guó)內(nèi)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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℃，保溫2～24h。具體的處理溫度和時(shí)間應(yīng)根據(jù)零件大小、強(qiáng)度、鍍層性質(zhì)和電鍍時(shí)間的長(zhǎng)短而定。去氫處理常在烘箱內(nèi)進(jìn)行。鍍鋅零件的去氫處理溫度為110～220℃，溫度控制的高低應(yīng)根椐基體材料而定。對(duì)于彈性材料、0.5mm以下的薄壁件及機(jī)械強(qiáng)度要求較高的鋼鐵零件，鍍鋅后必須進(jìn)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℃。

三、應(yīng)注意的問題

材料強(qiáng)度越大，其氫脆敏感性也越大，這是表面處理技術(shù)人員在編制電鍍工藝規(guī)范時(shí)必須明確的基本概念。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求抗拉強(qiáng)度σｂ>105kg/mm2的鋼材，要進(jìn)行相應(yīng)的鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫處理。法國(guó)航空工業(yè)對(duì)屈服強(qiáng)度σｓ>90kg/mm2的鋼件就要求作相應(yīng)去氫處理。

由于鋼材強(qiáng)度與硬度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，用材料硬度來判斷材料氫脆敏感比用強(qiáng)度來判斷更為直觀、方便。因?yàn)橐环萃晟频漠a(chǎn)品圖和機(jī)加工工藝都應(yīng)標(biāo)注鋼材硬度。在電鍍中我們發(fā)現(xiàn)鋼的硬度在HRC38左右時(shí)開始呈現(xiàn)氫脆斷裂的危險(xiǎn)。對(duì)高于HRC43的零件，鍍后應(yīng)考慮去氫處理。硬度為HRC60左右時(shí)，在表面處理之后必須立即進(jìn)行去氫處理，否則在幾小時(shí)之內(nèi)鋼件會(huì)開裂。

除了鋼材硬度外，還應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)：

①零件的使用安全系數(shù)：安全重要性大的零件，應(yīng)加強(qiáng)去氫；②零件的幾何形狀：帶有容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺口，小R等的零件應(yīng)加強(qiáng)去氫；③零件的截面積：細(xì)小的彈簧鋼絲、較薄的片簧極易被氫飽和，應(yīng)加強(qiáng)去氫；④零件的滲氫程度：在表面處理中產(chǎn)生氫多、處理時(shí)間長(zhǎng)的零件，應(yīng)加強(qiáng)去氫；⑤鍍層種類：如鍍鎘層會(huì)嚴(yán)重阻擋氫向外擴(kuò)散，所以要加強(qiáng)去氫；⑥零件使用中的受力性質(zhì)：當(dāng)零件受到高的張應(yīng)力時(shí)應(yīng)加強(qiáng)去氫，只受壓應(yīng)力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生氫脆；⑦零件的表面加工狀態(tài)：對(duì)冷彎、拉伸、冷扎彎形、淬火、焊接等內(nèi)部殘留應(yīng)力大的零件，不僅鍍后要加強(qiáng)去氫，而且鍍前要去應(yīng)力；⑧零件的歷史情況：對(duì)過去生產(chǎn)中發(fā)生過氫脆的零件應(yīng)特別加以注意，并作好相關(guān)記錄。

去氫脆

主要原因是電鍍工藝中導(dǎo)致的金屬“氫化”現(xiàn)象導(dǎo)致的，而你用的不合格品呢并不是電鍍工藝本身有問題，因?yàn)殡婂儯ㄕ婵斟兂猓┍緛砭蜁?huì)造成金屬氫化，但是目前有許多金屬表面處理商都去掉了最后一個(gè)工藝（特別是對(duì)于彈性元件很致命的）：那就是“去氫處理”工藝，也就是說正常情況下，對(duì)于有強(qiáng)度要求的金屬零件需要完成去氫后才能交給用戶的，但是為了節(jié)省生產(chǎn)成本，而用戶又不懂的情況下或者從來沒有要求過、驗(yàn)收過的情況下，省略這一工藝可以節(jié)省5~15%的成本呢。所以你感覺到電鍍后的螺栓、彈墊等零件在電鍍處理后“變脆”了。

一般地說：對(duì)于有強(qiáng)度要求的金屬零件的去氫處理要求是：120度~220度高溫保持1~2小時(shí)（電鍍結(jié)束后），具體情況需要按照零件要求來控制。