除氫處理

除氫處理，也稱去氫處理，一般對電鍍前後必須進行工序，特別是對高強度高硬度的零件在電鍍工藝中。

基本介紹

• 中文名：除氫處理
• 也稱：去氫處理
• 一般：對電鍍前後必須進行工序
• 目的：降低氫脆的影響降低到最低限度

氫脆的原理與預防

鐵零件鍍鋅過程中，除鋅的電沉積外，往往伴隨有氫離子還原析氫的副反應。氫還原一部分變成氣體逸出，還有一部分以氫的原子形態滲入到鍍層和基體金屬晶格的點陣中去，造成晶格歪扭，零件內應力增加，鍍層和基體變脆，人們稱之為氫脆。氫脆對材料的力學性能危害很大，如不除去，會影響零件的壽命，甚至造成機器的破壞事故。

因此某些鋼材或用於特殊條件下的零件，必須進行除氫處理，例如飛機上使用的鍍鋅件都要經過除氫處理。彈性零件和高強度鋼上鍍鋅也需要進行除氫。除氫採用加熱處理法將氫從零件內部趕出去。除氫效果與除氫溫度、保溫時間有關。溫度高，時間長除氫越徹底。但加熱溫度不能太高，超過250℃鋅結晶組織變形、發脆，耐蝕性明顯下降。一般用l90℃～230℃，2h～3h。滲碳件和錫焊件除氫溫度是140℃～l60℃，保溫3h。

在任何電鍍溶液中,由於水分子的離解,總或多或少地存在一定數量的氫離子。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,氫脆的影響降低到最低限度。

氫脆

氫脆通常表現為應力作用下的延遲斷裂現象。曾經出現過汽車彈簧、墊圈、螺釘、片簧等鍍鋅件,在裝配之後數小時內陸續發生斷裂,斷裂比例達40%～50%。某特種產品鍍鎘件在使用過程中曾出現過批量裂紋斷裂,曾組織過全國性攻關,制訂嚴格的去氫工藝。另外,有一些氫脆並不表現為延遲斷裂現象,例如:電鍍掛具(鋼絲、銅絲)由於經多次電鍍和酸洗退鍍,滲氫較嚴重,在使用中經常出現一折便發生脆斷的現象;獵槍精鍛用的芯棒,經多次鍍鉻之後,墮地斷裂;有的淬火零件(內應力大)在酸洗時便產生裂紋。這些零件滲氫嚴重,無需外加應力就產生裂紋,再也無法用去氫來恢復原有的韌性。

氫脆機理

延遲斷裂現象的產生是由於零件內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,產生巨大的壓力,這個壓力與材料內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。經過一段時間後,氫擴散到金屬內部,特別是進入金屬內部缺陷處的氫,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後去氫的溫度選擇,必須考慮不致於降低材料硬度,不得處於某些鋼材的脆性回火溫度,不破壞鍍層本身的性能。

避免和消除的措施

1　減少金屬中滲氫的數量

在除銹和氧化皮時,儘量採用吹砂除銹,若採用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等緩蝕劑;在除油時,採用化學除油、清洗劑或溶劑除油,滲氫量較少,若採用電化學除油,先陰極後陽極;在電鍍時,鹼性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

2　採用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍塗層

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。在滿足產品技術條件要求的情況下,可採用不會造成滲氫的塗層,如機械鍍鋅可以,不會發生氫脆,耐蝕性高,附著力好,厚5～100μm，成本低。

3　鍍前去應力和鍍後去氫以消除氫脆隱患

若零件經淬火、焊接等工序後內部殘留應力較大,鍍前應進行回火處理,減少發生嚴重滲氫的隱患。

對電鍍過程中滲氫較多的零件原則上應儘快去氫,因為鍍層中的氫和表層基體金屬中的氫在向鋼基體內部擴散,其數量隨時間的延長而增加。新的國際標準草案規定"最好在鍍後1h內,但不遲於3h,進行去氫處理"。國內也有相應的標準,對電鍍鋅前、後的去氫處理作了規定。電鍍後去氫處理工藝廣泛採用加熱烘烤,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零件大小、強度、鍍層性質和電鍍時間的長短而定。去氫處理常在烘箱內進行。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。對於彈性材料、0.5mm以下的薄壁件及機械強度要求較高的鋼鐵零件,鍍鋅後必須進行去氫處理。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。

一般除氫方法

①將需除氫的鍍件放在烘箱內(最好放在真空爐內)，或在熱油中(適用於鍍硬鉻件)，在200～250℃下處理2～3h。

②熱油中除氫能獲得與在烘箱中除氫具有同樣的效果，由於其受熱均勻，對鍍層還具有填充孔隙的作用，有利於提高鍍層的防護功能，對設備要求也更為簡單。

(2)根據工件的使用要求提出除氫方法例如鍍硬鉻，在鍍硬鉻時由於電流效率過低，只有13%～18%，大部分電流消耗在氫的析出上，氫頗易擴散到鍍層和基體金屬的晶格中，滲氫較為嚴重，從而引起疲勞強度的降低，影響動、靜負載強度，故在設計中應提出鍍鉻後除氫處理的要求(除氫是在200～220℃下熱處理2～3h)。經除氫處理之後可驅除滲入鍍層和基體中60%～70%的氫，從而大大減輕了脆性而不會降低其硬度。

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範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後去氫處理。法國航空工業對屈服強度σs>90kg/mm2的鋼件就要求作相應去氫處理。

由於鋼材強度與硬度有很好的對應關係,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。因為一份完善的產品圖和機加工工藝都應標註鋼材硬度。在電鍍中我們發現鋼的硬度在HRC38左右時開始呈現氫脆斷裂的危險。對高於HRC43的零件,鍍後應考慮去氫處理。硬度為HRC60左右時,在表面處理之後必須立即進行去氫處理,否則在幾小時之內鋼件會開裂。

除了鋼材硬度外,還應綜合考慮以下幾點：

(1)零件的使用安全係數:安全重要性大的零件,應加強去氫;

(2)零件的幾何形狀:帶有容易產生應力集中的缺口,小R等的零件應加強去氫;

(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: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生氫脆;

(7)零件的表面加工狀態:對冷彎、拉伸、冷扎彎形、淬火、焊接等內部殘留應力大的零件,不僅鍍後要加強去氫,而且鍍前要去應力;

(8)零件的歷史情況:對過去生產中發生過氫脆的零件應特別加以注意,並作好相關記錄。

在電鍍過程中,零部件滲氫的現象是非常普遍的,表面處理技術人員在編制鍍前去應力和鍍後去氫工藝時,不能照搬相關標準,應根據零件性質和使用條件靈活制訂,否則會使生產成本大大增加,生產管理非常困難。