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金属氢脆的成因和去氢脆的方法

来源:合肥安丽禹杰环保科技有限公司 发布日期:2021-03-26 访问量:1078

电镀溶液中,由于水分子的离解作用,氢离子总量或多或少。所以在电镀时,阴极析出金属(主反应)时,氢析出(副反应)时也会出现。氢析出的影响是多方面的,其中氢脆是主要的。氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一,严重析氢的零件在使用过程中会发生断裂,从而引起严重事故。为了将氢脆的影响降到最低,表面处理技师必须掌握避免和消除氢脆的技术。

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第一,氢脆。

氢脆现象

氢脆是应力作用下发生延迟断裂的常见现象。曾有汽车弹簧、垫圈、螺钉、片弹簧等镀锌件在装配后几小时内相继发生断裂,断裂比例达40%~50%。某些特殊产品的镀镉件在使用过程中发生了大量裂纹断裂,组织了全国性的攻关,制定了严格的去氢工艺。此外,氢脆还没有表现出明显的延迟性断裂现象,如:电镀铁丝(钢丝、铜丝)因多次电镀和酸洗而导致渗氢现象严重,在使用中常出现一折便发生脆断现象;猎枪精锻芯棒在经过多次镀铬处理后,掉地断裂;部分淬火零件在酸洗时产生裂纹(内应力大)。这类部件渗氢严重,在没有应力的情况下会产生裂纹,再也不能用去氢来恢复原来的韧性。

二氢脆机理

延时断裂现象是由零件内部氢扩散聚集到应力集中的部位而引起的,该部位存在许多金属缺陷(原子点阵错位,空穴等)。氢气向这些缺陷扩散时,氢原子变成了氢分子,从而产生了很大的压力,这种压力和材料内部的残余应力以及材料所受的外部应力形成了一种合力,当这种合力超过材料的屈服强度时,就会引起断裂。由于氢脆与氢原子的扩散有关,扩散需要时间,扩散速度与浓差梯度、温度和物质种类有关。所以氢脆通常表现为延迟断裂。

由于其原子半径极小,氢原子很容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中很难扩散。镀镉是最难扩散的一层,镀镉时所产生的氢气,最初停留在镀层内部,而金属表面层下面则不易向外扩散,极难脱氢。在一定时间之后,氢扩散到金属内部,尤其是进入金属内部缺陷处的氢,则难以扩散出去。氢气在常温下扩散得很慢,因此需要立即加热去氢。提高温度,增加氢气在钢中的溶解度,过高的温度会降低材料的硬度,因此选择镀前去应力和镀后去氢的温度,要考虑不致降低材料的硬度,不能处于某些钢材的脆性回火温度,不能破坏镀层本身的性能。

第二,避免和消除措施。

一、减少金属中的氢渗量。

除锈、氧化皮时,应尽量采用吹砂除锈,如采用酸洗,应在酸洗液中加入若丁等防腐剂;除油时,应采用化学除油剂、清洗剂或溶剂除油,如采用电化学除油剂,则应先阴极后阳极;如采用电镀,则采用碱性镀液或电流效率高的镀液,则渗氢量较小。

采用低氢分散、低氢溶解度的镀膜工艺。

通常认为,在电镀Cr,Zn,Cd,Ni,Sn,Pb时,钢制件易残留氢,而Cu,Mo,Al,Ag,Au,W等金属镀层具有低氢扩散和低氢溶解度,不易渗出氢。当产品技术条件符合要求时,可采用不渗氢的镀层,如达克罗镀层可代替镀锌,不产生氢脆,耐蚀性提高7~10倍,结合力好,膜厚6~8um,相当于薄的镀锌,不影响装配。

镀前去应力,镀后去氢,消除了氢脆隐患。

如果工件经过淬火、焊接等工序后,内部残余应力较大,则在镀前进行回火处理,以减少可能出现严重渗氢的隐患。

对于电镀过程中氢渗漏较多的工件,原则上应尽快去氢,因为镀层中的氢气和基体金属表面上的氢气会扩散到基体内,而且氢气量会随着时间的增加而增加。最新国际标准草案规定,“最好在镀后1小时内,但不迟于3小时去氢处理”。我国已制定了相应的标准,对电镀锌前后去氢进行了规范。电镀脱氢处理工艺广泛采用加热烘烤,常用的烘烤温度为150~300℃,2~24h保温。根据零件尺寸、强度、镀层性质及电镀时间长短,确定具体的处理温度和时间。脱氢通常在炉子里进行。镀锌件的脱氢处理温度在110~220℃之间,其控温应根据基质材料确定。对弹性材料,0.5mm以下薄壁零件,以及对机械强度要求较高的钢铁零件,镀锌后必须进行脱氢处理。为防止“镉脆”,对镀镉件进行脱氢处理的温度不宜过高,一般在180~200℃之间。

第三,需要注意的问题。

表面处理技术人员在制定电镀规范时,必须对材料强度越大,其对氢脆的敏感度就越大。根据国际标准,抗拉强度σb>105kg/mm2的钢,必须进行相应的镀前去应力和镀后去氢处理。对于屈服强度σs>90kg/mm2的钢件,法国航空工业要求相应的去氢处理。

因为钢的强度和硬度有很好的对应关系,所以用钢的硬度来判断氢脆敏感比用钢的强度直观、方便。由于一个完整的产品图纸和机械加工工艺,应该标明钢的硬度。我们发现,钢在HRC38左右电镀后,有发生氢脆断裂的危险。HRC43以上的零件,镀后应考虑去氢处理。当硬度HRC60左右,在表面处理后必须立即去氢,否则钢件在几小时内就会破裂。

除钢的硬度外,还应综合考虑以下因素:

①零件的使用安全系数:对重要零件进行了安全防护,加强了去氢;②零件的几何形状:有一个容易产生应力集中的缺口,加强了去氢;③零件的截面积:细小的弹簧钢丝,较薄的片簧,很容易被氢饱和,加强了去氢;③零件的渗氢度:在表面处理过程中,多产生氢脆,处理时间长的零件,加强了去氢;⑤镀镉层:镀镉层会严重阻碍氢的向外扩散,因此加强了去氢;③使用零件时的受力特性:加强了去氢,不仅在镀后要加强了去氢,而且在使用过程中,对过去生产中出现过氢脆的零件要特别注意,并做好相关记录。

脱氢脆化

在电镀过程中产生的金属“氢化”现象是主要原因,而您所使用的不合格产品呢,不是电镀工艺本身的问题,因为电镀(真空镀除外)本来就会导致金属氢化,但现在有很多金属表面处理者已经去除了最后一道工序(尤其是对弹性很致命的部分):即“去氢”工序,即正常情况下,对于要求强度的金属,必须先去氢,然后再将其送到用户手中,但为节约生产成本,而用户又不懂或从未要求验收的情况下,省去这道工序可节省5~15%的成本。因此,在电镀处理后,您会感觉到螺栓、弹垫等零件变脆了。

一般来说:对于金属零件有强度要求的脱氢处理要求是:120度~220度高温保持1~2小时(电镀结束后),具体情况要根据零件要求进行控制。