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氢脆与电镀


1.氢脆的基本定义
氢脆(hydrogen embrittlement,HE) 又称氢致开裂或氢损伤,是一种由于金属材料中氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象。氢脆是溶于钢中的氢,聚合为氢分子,造成应力集中,超过钢的强度极限,在钢内部形成细小的裂纹。氢脆只可防,不可治。氢脆一经产生,就消除不了。在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(10的负6次方量级)在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时,可使内氢减少)恢复钢材的性能。因此,内氢脆是可逆的。

2.氢脆现象
氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40-50%。某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。另外,有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生裂纹,再也无法用去氢来恢复原有的韧性。

 


3.氢脆的机理
延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。因此,氢脆通常表现为延迟断裂。


氢原子具有最小的原子半径,容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难。镀镉层是最难扩散的,镀镉时产生的氢,最初停留在镀层中和镀层下的金属表层,很难向外扩散,去氢特别困难。经过一段时间后,氢扩散到金属内部,特别是进入金属内部缺陷处的氢,就很难扩散出来。常温下氢的扩散速度相当缓慢,所以需要即时加热去氢。温度升高,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去氢的温度选择,必须考虑不致于降低材料硬度,不得处于某些钢材的脆性回火温度,不破坏镀层本身的性能。

 


4.降低和消除氢脆的措施
4.1减少金属中渗氢的数量,必须尽量减少高强度/高硬度钢制紧固件的酸洗,因为酸洗可加剧氢脆。在除锈和氧化皮时,尽量采用喷砂抛丸的方法,若洛氏硬度等于或大于HRC 32的紧固件进行酸洗时,必须在制定酸洗工艺时确保零件在酸中浸泡的时间最长不超过10分钟。并应尽量降低酸液的浓度,并保证零件在酸中浸泡的时间不超过10分钟;在除油时,采用清洗剂或溶剂除油等化学除油方式,渗氢量较少,若采用电化学除油,先阴极后阳极,高强度零件不允许用阴极电解除油;在热处理时,严格控制甲醇和丙烷的滴注量;在电镀时,碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。


4.2采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层。一般认为,在电镀Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb时,渗入钢件的氢容易残留下来,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度,渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下,可采用不会造成渗氢的涂层,如机械镀锌或无铬锌铝涂层,不会发生氢脆,耐蚀性高,附着力好,且比电镀环保。


4.3镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患。若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大,镀前应进行回火处理,回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量,从而减轻发生氢脆的隐患。


4.4控制镀层厚度,由于镀层覆盖在紧固件表面,镀层在一定程度上会起到氢扩散屏障的作用,这将阻碍氢向紧固件外部的扩散。当镀层厚度超过2.5μm时,氢从紧固件中扩散出去就非常困难了。因此硬度<32HRC的紧固件,镀层厚度可以要求在12μm;硬度≥32HRC的高强度螺栓,镀层厚度应控制在8μm max。这就要求在产品设计时,必须考虑到高强度螺栓的氢脆风险,合理选择镀层种类和镀层厚度。

 


5.电镀工件的除氢处理
出现氢脆的工件通过除氢处理(如加热等)也能消除氢脆,采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。对于普通镀锌工件的除氢处理,一般都在200~240度的温度下,加热2~4小时可将大部分氢去除。

 

 

6.镀锌低氢脆的替代选择
对于目前一些电镀厂客户面临的镀锌工件的氢脆问题困惑和苦恼,使用海科顺的碱性锌镍合金电镀工艺将是一个非常完美的解决方案!
 

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