氢脆是金属或合金吸收氢原子和有应力存在的条件下产生的脆性现象。氢脆主要发生在低合金高强度钢、不锈钢及弹性零件上, 造成氢脆的主要原因是表面处理过程中产生的氢渗入金属内部, 使晶格排列混乱, 产生扭曲, 造成内应力增加, 使金属或镀层产生脆性, 引起制件断裂、强度降低或镀层开裂及脱落。
1.引起氢脆的原因
(1)基体材料的影响 并不是所有的金属在表面处理过程中都会产生氢脆, 从各种失效报告统计结果和研究数据以及大量的生产实践看, 氢脆主要产生在黑色金属的低合金高强度合金钢(抗拉强度不小于1 050MPa)、不锈钢及弹性零件上, 其原因许多学者目前看法不尽一致。
(2)除油工序的影响 除油的方法多种多样, 但除油方法会引起氢脆只有两种, 即阴极电解除油和酸性溶液除油。阴极电解除油时, 大部分氢原子以氢气的方式散发到空气中, 极少部分氢原子则会渗透到金属内部, 使金属产生氢脆, 而且油污越重, 产生氢脆的可能性越大。其原因是: 一方面油污重时,除油时间长, 析出氢气多, 产生氢脆的可能性就大;另一方面, 厚重的油污使工件表面产生的氢气难于逸出, 致使渗氢的机会增大。酸性除油既具有除油功能, 又具有酸洗功能。酸洗产生的氢气渗入金属内部致使工件产生氢脆。
(3)酸洗工序的影响 酸洗过程中, 随着金属的溶解, 初生的氢在材料亚表面上富集, 沿晶间渗入金属内部, 特别是在铁及镍金属上, 这种扩散趋势更大。
(4)电镀或化学处理过程的影响 电镀过程中,作为阴极的工件上除发生金属离子的还原反应外,还会发生H+的还原反应, 阴极的过电位越高, 越易发生H+的还原, 氢原子会进入镀层或铁基体。不同金属的吸氢是不同的, 铬镀层的吸氢程度较大, 约占镀层质量的0. 45% ; 其次是铁族金属, 约占镀层质量的0. 1% 。
2.预防措施
(1)适当的加热及机械处理 对于易产生氢脆的材料, 在表面处理前先进行加热、喷丸或振动等处理, 使工件上的氢气得以逸出, 应力得到充分释放,减少氢脆现象的产生。加热是镀前处理最常用的除氢方式。材料种类不同, 加热温度和除氢时间也不同。一般来说, 温度越高、时间越长, 除氢效果越好。但是温度过高, 反而不利于氢气的排出。因此可根据材料的抗拉强度选择合适的除氢温度和时间。工艺参数见表1, 表中Rm 为抗拉强度。
(2)采用适当的除油工艺 对于黑色金属特别是低合金高强度钢、弹性和长期受力零件、高过载等抗拉强度高的零件以及马氏体不锈钢等严禁采用阴极电解除油, 可用阳极电解除油、超声波除油等方法。
(3)采用合理的酸洗工艺 高强度合金钢、弹性和长期受力零件的氧化皮去除, 严禁用强酸洗, 可采用喷砂、喷丸、液体喷砂或光饰等机械手段。特别是不能用硫酸洗, 因为硫酸黏稠, 酸洗速度慢, 生成的氢气难以快速从工件上脱离, 而且使用温度高, 造成工件吸氢可能性增加。必须进行酸洗时, 应用稀的盐酸, 并加入缓蚀剂和表面活性剂, 一方面减缓酸和基体金属的反应, 减少氢气的生成; 另一方面使生成的氢气易于脱离金属表面, 减少渗入基体的机会。
(4)选择合适的表面处理工艺 如对高强度钢和弹性和长期受力零件尽量选用涂覆或化学处理工艺, 避免氢气的产生。必须进行电镀的零件, 可选用吸氢较少的电镀层。研究发现: 在以钢铁件为基体的阳极性镀层中, 镉比锌更易于吸氢; 在阴极性镀层中, 镍比锡更易吸氢。另外, 还应选择电流效率高的工艺, 如镀锌工艺中, 氰化镀锌的 ! 为60% ~ 85% ,铵盐镀锌的 ! 为94%~ 98% , 锌酸盐镀锌的 ! 为70%~ 85%。ISO2081 规定, 对于抗拉强度Rm 大于1 240MPa的钢零件, 不允许进行镀锌、镀镉。通过实验发现, 高温磷化对高强度、高应力或弹簧类制件氢脆影响较大, 制件脆断机率随磷化时间的延长和温度的增高而加大。
(5)表面处理后进行除氢处理: 对于Rm 超过1 050MPa的钢零件必须在镀覆后4h内进行除氢处理, 根据材料的抗拉强度和镀覆层种类选择合适的除氢工艺。
3.结论
在表面处理过程中, 氢脆的产生是不可避免的。氢脆的发生会导致金属内部晶格混乱扭曲, 造成金属和镀层产生脆性, 严重时可导致零件强度降低、断裂, 甚至失效。通过加热、喷丸或振动等方式消除材料应力; 采用适当的除油、酸洗及表面处理工艺等尽量减少过程中氢气的产生, 将吸氢的可能减少到最小; 处理结束后再对零件实施除氢处理, 使渗入金属的氢得以逸出; 以上措施可以有效地防止氢脆的产生。