金属氢脆原因及解决办法.docx

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1、金属氢脆原因及解决办法目录1 .氢脆介绍11.1. 氢脆现象11. 2. 氢脆机理22.常见金属材料的氢脆特性32. 1.钢的氢脆问题42. 2.铜的氢脆问题42. 3.钮、银和钛的氢脆问题53.氢脆避免和消除的措施53. 1.减少金属和氢之间的接触53. 2.去除氢源并通过热处理使金属中的氢扩散出来来逆转氢脆53. 3.焊接过程63. 4.材料选择63. 5.减少金属中渗氢的数量63. 6.采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层63. 7.镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患64. 应注意的问题75. 如何去氢脆81.氢脆介绍1. 1.氢脆现象氢脆是金属材料因为吸收氢原子后而导致其延展性降低。氢原

2、子很小，可 以渗透进固体金属中。一旦被金属吸收，氢会降低金属中裂纹萌生和扩展所需 的应力，从而导致脆化。氢脆最显著的发生在钢材以及铁、锲、钛、钻及其合 金中。铜、铝和不锈钢则不易发生氢脆。自19世纪以来，关于氢脆本质的基本事实就已为人所知。钢材中的氢脆在 室温附近达到最大，大多数金属在150C以上的温度下相对不受氢脆的影响。 氢脆需要通水存在原子氢和机械应力来诱导裂纹扩大，尽管该应力可能会施加 或残留。氢脆在较低的应变率下增加。一般来说，强度更高的材料更容易发生 氢脆。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

3、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，经多次镀格之后， 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。金属可以从两种类型的来源暴露于氢：气态氢和在金属表面化学产生的氢。 气态氢是分子氢，不会引起脆化，尽管它会引起高温氢腐蚀（HTHA）。化学侵蚀 的原子氢会导致脆化，因为原子氢

4、在室温下会迅速溶解到金属中。气态氢存在 于压力容器和管道中。氢的电化学来源包括酸（可能在酸洗、蚀刻或清洗过程中 遇到卜腐蚀（通常是由于水腐蚀或阴极保护）和电镀。在焊接过程中或金属熔化 时，由于水分的存在，氢可能会在制造过程中引入金属中。实践中最常见的失 效原因是电镀控制不佳或焊条受潮。氢脆作为一个术语，可以专门用来指在相对较低的氢浓度下发生在钢和类 似金属中的脆化，或者它可以用来涵盖氢对金属的所有脆化作用。这些更广泛 的脆化效应包括氢化物形成，它发生在钛和帆中，但不发生在钢中，以及氢引 起的气泡，它只发生在高氢浓度下，不需要存在应力。然而，氢脆几乎总是与 高温氢腐蚀区分开来，它发生在温度高于4

5、00的钢中，并涉及甲烷袋的形成。 1. 2.氢脆机理氢脆是一个复杂的过程，涉及许多不同的微机制，并非所有微机制都需要 存在。这些机制包括脆性氢化物的形成，可导致高压气泡的孔隙的产生，增强 的内表面脱聚作用以及有助于裂纹扩展的裂纹尖端的局部塑性。己经提出了多 种机制并研究了扩散氢溶解到金属中后脆性的原因。1)内部压力：在高氢浓度下，吸收的氢物质在空隙中重新组合形成氢分子 (H2),从金属内部产生压力。该压力可以增加到形成裂纹的水平，通常称为氢 开裂(HlC),以及再试样表面形成气泡，称为氢致起泡。这些影响会降低延展性 和抗拉强度。2)氢增强局部塑性(HELP)：氢增加了裂纹尖端位错的成核和运动。

6、HELP通 过裂纹尖端的局部延性破坏导致裂纹扩展，而周围材料中发生的变形极小，从 而使断裂看起来很脆。3)氢减少位错发射：分子动力学模拟揭示了由融解氢抑制裂纹尖端的位错 发射引起的韧性到脆性转变。这可以防止裂纹尖端变圆，因此尖锐的裂纹会导 致脆性解理破坏。4)氢增加脱聚(HEDE)：间隙氢降低了金属原子断裂所需的应力。HEDE仅 在氢的局部浓度高时才会发生，例如由于氢在裂纹尖端、应力集中处或边缘位 错的张力场中的拉伸应力场中的溶解度增加。5)金属氢化物的形成：脆性氢化物与母材的形成使裂纹以脆性方式扩展。 这对于帆合金来说尤其是一个问题，但大多数结构合金不容易形成氢化物。6)相变：氢会在某种材料

7、中引起相变，新相的延展性可能较差。2.常见金属材料的氢脆特性氢会脆化多种金属，包括钢、铝(仅在高温下)和钛。等温淬火铁也很容易受 到影响，尽管等温淬火钢（以及可能的其他等温淬火金属）显示出更高的抗氢脆 性。2.1. 钢的氢脆问题通过阴极充电使钢因氢而脆化。热处理（烘烤）用于降低氢含量。由于较高的 氢含量，较低的烘烤时间导致较快的断裂时间。极限抗拉强度小于 IOoOMPa（145000psi）或者硬度洛氏硬度等级小于HRC32的钢通常被认为不 易发生氢脆。作为严重氢脆的一个例子，当光滑的样品暴露在高压氢中时， 17-4PH沉淀硬化不锈钢的断裂伸长率从17%下降到只有1.7%。随着钢的强度 增加，

8、断裂韧性降低，因此氢脆导致断裂的可能性增加。在高强度钢中，任何 硬度高于HRC32的材料都可能在引入氢的电镀工艺后发生早期氢裂纹。由于阴 极保护和其他来源的氢气随着时间的推移而积累，它们也可能在投入使用后的 几周到几十年的任何时间出现长期故障。在HRC32-36及以上的硬度范围内报 告了许多故障；因此，在质量控制期间应检查此范围内的零件以确保它们不会 受到影响。2. 2.铜的氢脆问题如果暴露于热氢中，含氧的铜合金会变脆。氢通过铜扩散并与铜的夹杂物反应，形成2个 金属CU原子和H2O（水），然后在晶界处形成加压气泡。这个过程会导致晶粒从字面上被迫 远离彼此，并且被称为蒸汽脆化（因为蒸汽直接在铜品

9、格内部产生，而不是因为铜暴露于外 部蒸汽导致问题）。(NW) O2. 3.钮、镇和钛的氢脆问题帆、银和钛的合金具有很高的氢溶解度，因此可以吸收大量的氢。这会导 致氢化物的形成，导致不规则的体积膨胀和延展性降低（因为金属氢化物是易碎 的陶瓷材料）。在寻找用于氢分离膜的非钿基合金时，这是一个特殊的问题。3.氢脆避免和消除的措施3.1. 减少金属和氢之间的接触可以通过集中方法来防止氢脆，所有这些方法都集中在尽量减少金属和氢 之间的接触，特别是在制造和电解水的过程中。应避免酸性等脆化程序，也应 避免增加与硫和磷酸盐等元素的接触。使用适当的电镀溶液和程序也有助于防 止氢脆。3. 2.去除氢源并通过热处理

10、使金属中的氢扩散出来来逆转氢脆如果金属还没有开始开裂，可以通过去除氢源并通过热处理使金属中的氢 扩散出来来逆转氢脆。这种被称为低氢退火或烘烤的去脆化过程用于克服电镀 等方法将氢引入金属的弱点，但由于必须达到足够的时间和温度，因此并不总 是完全有效。3. 3.焊接过程在焊接的情况下，通常对金属进行预热和后加热，以使氢气在造成任何损 坏之前扩散出去。这特别适用于高强度钢和低合金钢，例如铭/钥/钮合金。由 于氢原子重新结合到氢分子中需要时间，因此在焊接操作完成后的24小时内可 能发生焊接引起的氢裂纹。3. 4.材料选择防止这个问题的另一种方法是通过材料选择。这将对该过程产生固有的抵 抗力，并减少后处

11、理或持续监控故障的需要。某些金属或合金极易受到此问题 的影响，因此选择受影响最小的材料同时保持所需性能也将提供最佳解决方案。 3. 5.减少金属中渗氢的数量在除锈和氧化皮时，尽量采用吹砂除锈，若采用酸洗，需在酸洗液中添加 若丁等缓蚀剂；在除油时，采用化学除油、清洗剂或溶剂除油，渗氢量较少， 若采用电化学除油，先阴极后阳极；在电镀时，碱性镀液或高电流效率的镀液 渗氢量较少。3. 6.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、AK 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

12、术条件要求的情况下，可采用不会造成渗氢的涂层， 如达克罗涂覆层可以代替镀锌，不会发生氢脆，耐蚀性提高710倍，附着力好, 膜厚68 口 m,相当于较薄的镀锌层，不影响装配。3. 7.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， 减少发生严重渗氢的隐患。对电镀过程中渗氢较多的零件原则上应尽快去氢，因为镀层中的氢和表层 基体金属中的氢在向钢基体内部扩散，其数量随时间的延长而增加。新的国际 标准草案规定“最好在镀后Ih内，但不迟于3h,进行去氢处理”。国内也有相应 的标准，对电镀锌前、后的去氢处理作了规定。电镀后去氢处理工艺广泛采用 加热烘烤，常

13、用的烘烤温度为150300,保温224h0具体的处理温度和时 间应根据零件大小、强度、镀层性质和电镀时间的长短而定。去氢处理常在烘 箱内进行。镀锌零件的去氢处理温度为110220C,温度控制的高低应根据基 体材料而定。对于弹性材料、0.5mm以下的薄壁件及机械强度要求较高的钢铁 零件，镀锌后必须进行去氢处理。为了防止“镉脆”，镀镉零件的去氢处理温度不 能太高，通常为180200。4 .应注意的问题材料强度越大，其氢脆敏感性也越大，这是表面处理技术人员在编制电镀 工艺规范时必须明确的基本概念。国际标准要求抗拉强度b105kgmm2的钢 材，要进行相应的镀前去应力和镀后去氢处理。法国航空工业对屈服

14、强度 s90kgmm2的钢件就要求作相应去氢处理。由于钢材强度与硬度有很好的对应关系，因此，用材料硬度来判断材料氢 脆敏感比用强度来判断更为直观、方便。因为一份完善的产品图和机加工工艺 都应标注钢材硬度。在电镀中我们发现钢的硬度在HRC38左右时开始呈现氢脆 断裂的危险。对高于HRC43的零件，镀后应考虑去氢处理。硬度为HRC60左 右时，在表面处理之后必须立即进行去氢处理，否则在几小时之内钢件会开裂。除了钢材硬度外，还应综合考虑以下几点：零件的使用安全系数：安全重要性大的零件，应加强去氢；零件的几何形状：带有容易产生应力集中的缺口,小R等的零件应加强 去氢；零件的截面积：细小的弹簧钢丝、较薄

15、的片簧极易被氢饱和，应加强去 氢；零件的渗氢程度：在表面处理中产生氢多、处理时间长的零件，应加强 去氢；镀层种类：如镀镉层会严重阻挡氢向外扩散，所以要加强去氢；零件使用中的受力性质：当零件受到高的张应力时应加强去氢，只受压 应力时不会产生氢脆；零件的表面加工状态：对冷弯、拉伸、冷扎弯形、淬火、焊接等内部残 留应力大的零件，不仅镀后要加强去氢，而且镀前要去应力；零件的历史情况：对过去生产中发生过氢脆的零件应特别加以注意，并 作好相关记录。5 .如何去氢脆主要原因是电镀工艺中导致的金属“氢化”现象导致的，而你用的不合格品呢 并不是电镀工艺本身有问题，因为电镀（真空镀除外）本来就会造成金属氢化，但 是目前有许多金属表面处理商都去掉了最后一个工艺（特别是对于弹性元件很 致命的）：那就是“去氢处理”工艺，也就是说正常情况下，对于有强度要求的金 属零件需要完成去氢后才能交给用户的，但是为了节省生产成本，而用户又不 懂的情况下或者从来没有要求过、验收过的情况下，省略这一工艺可以节省 515%的成本呢。所以你感觉到电镀后的螺栓、弹垫等零件在电镀处理后“变脆” To一般地说：对于有强度要求的金属零件的去氢处理要求是：120度220度 高温保持12小时（电镀结束后），具体情况需要按照零件要求来控制。