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              螺絲知識

              緊固件氫脆是如何產生的?危害有哪些,如何檢查及防止?

              氫脆現象解釋

              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,在裝配之后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,有一些氫脆并不表現為延遲斷裂現象,例如:電鍍掛具(鋼絲、銅絲)由于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,經多次鍍鉻之后,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。

              氫脆是溶于鋼中的氫,聚合為氫分子,造成應力集中,超過鋼的強度極限,在鋼內部形成細小的裂紋。氫脆現象又稱白點

              氫脆后的產品圖片

              內氫脆
              在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內部的微量氫(10—6量級)在內部殘余的或外加的應力作用下導致材料脆化甚至開裂。在尚未出現開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數小時,可使內氫減少)恢復鋼材的性能。因此內氫脆是可逆的。

              方法

              熱處理的方法是將工件加熱至某一溫度,保溫一段時間,緩冷,使氫隨溶解度逐漸變小,逐漸析出。
              加熱會破壞鍍層。

              防治方法

              主要是將酸洗控制好。
              首先,盡量縮短酸洗時間;其次加緩蝕劑,減少產氫量。
              壓力容器的氫脆(或稱氫損傷)是指它的器壁受到氫的侵蝕,造成材料塑性和強度降低,并因此而導致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態滲入金屬內,并在金屬內部再結合成分子,產生很高的壓力,嚴重時會導致表面鼓包或皺折;氫與鋼中的碳結合,使鋼脫碳,或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容器氫脆破壞的氫,可以是設備中原來就存在的,例如,煉鋼、焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫,并溶解在液體金屬中?;蛟O備在電鍍或酸洗時,鋼表面被吸附的氫原子過飽和,使氫滲入鋼中;也可以是使用后由介質中吸收進入的,例如在石油、化工容器中,就有許多介質中含氫或含混有硫化氫的雜質。鋼發生氫脆的特征主要表現在微觀組織上。它的腐蝕面??梢姷戒摰拿撎艰F素體,氫脆層有沿著晶界擴展的腐蝕裂紋。腐蝕特別嚴重的容器,宏觀上可以發現氫脆所產生的鼓包。介質中含氫(或硫化氫)的容器是否會發生氫脆,主要決定于操作溫度、氫的分壓、作用時間和鋼的化學成分。溫度越高、氫分壓越突,碳鋼的氫脆層就越深,發生氫脆破裂的時間也越短,其中溫度尤其是重要因素。鋼的含碳量越高,在相同的溫度和壓力條件下,氫脆的傾向越嚴重。鋼中添有鉻、鈦、釩等元素,可以阻止氫脆的產生。
              出現氫脆的工件通過除氫處理(如加熱等)也能消除氫脆,采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。如電鍍件的去氫都在200~240度的溫度下,加熱2~4小時可將絕大部分氫去除。
              氫在常溫常壓下不會對鋼產生明顯的腐蝕,但當溫度超過300℃和壓力高于30MPa時,會產生氫脆這種腐蝕缺陷,尤其是在高溫條件下。如合成氨生產過程中的脫硫塔、變換塔、氨合成塔;煉油過程中的一些加氫反應裝置;石油化工生產過程中的甲醇合成塔等。

              機理

              延遲斷裂現象的產生是由于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。經過一段時間后,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后去氫的溫度選擇,必須考慮不致于降低材料硬度,不得處于某些鋼材的脆性回火溫度,不破壞鍍層本身的性能。
              控制

              在任何電鍍溶液中,由于水分子的離解,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,以使氫脆的影響降低到最低限度。

              措施

              1、減少金屬中滲氫的數量
              在除銹和氧化皮時,盡量采用吹砂除銹,若采用酸洗,需在酸洗液中添加若丁等緩蝕劑;在除油時,采用化學除油、清洗劑或溶劑除油,滲氫量較少,若采用電化學除油,先陰極后陽極;在電鍍時,堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。
              2、采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層
              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,可采用不會造成滲氫的涂層,如達克羅涂覆層可以代替鍍鋅,不會發生氫脆,耐蝕性提高7~10倍,附著力好,膜厚6~8μm,相當于較薄的鍍鋅層,不影響裝配。
              3、鍍前去應力和鍍后去氫以消除氫脆隱患
              若零件經淬火、焊接等工序后內部殘留應力較大,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盡快去氫,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。
              防氫脆現象產品
              新的國際標準草案規定“最好在鍍后1h內,但不遲于3h,進行去氫處理”。國內也有相應的標準,對電鍍鋅前、后的去氫處理作了規定。電鍍后去氫處理工藝廣泛采用加熱烘烤,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。對于彈性材料、0.5mm以下的薄壁件及機械強度要求較高的鋼鐵零件,鍍鋅后必須進行去氫處理。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。

              分析預防

              為有效地提高彈性緊固件(彈簧墊圈、錐形墊圈、鞍形墊圈、波形墊圈等)抗蝕防護性能和裝飾性,多半要進行表面處理,如發黑、磷化、電鍍鋅等處理。其中電解鍍鋅及鈍化處理應用更為廣泛。
              加上彈性緊固件的硬度一般在42-50HRc之間,由于材料及表面處理的原因,它對氫比較敏感,在電鍍后,除氫處理未達到驅氫目的,其殘存的氫會造成彈性緊固件的延遲斷裂。
              目前,由延遲斷裂氫脆引發的彈性緊固件斷裂自然是一個嚴重的產品質量問題,人們可以采取各種技術來減少和預防彈性緊固件的氫脆問題。
              1、材料缺陷的影響
              彈性緊固件材料表面缺陷對電鍍鋅的有害影響是不容忽視的,比如鋼板表面輕微裂紋折疊、斑痕蝕坑夾雜和超過允許深度的脫碳層,都會對彈性緊固件鍍鋅產生十分有害的影響,壓彎成型不當造成表面插劃傷,局部應力集中等都會有不良影響。
              2、熱處理工藝的影響
              熱處理工藝對彈性緊固件電鍍鋅后的氫脆是有較大影響的,若硬度≥45HRc時,均會誘發或導致彈性緊固件斷裂。
              在確保熱處理技術參數的前提下,選擇適宜的加熱溫度,合理的加熱時間,充分予以回火。以最大限度地消除組織應力和熱應力,避免其有害影響。淬火加熱時應嚴防氧化和脫碳,網帶爐碳勢控制在0.60%-0.70%,鹽浴爐必須認真脫氧撈渣,進行硬度檢測時,嚴格注意表面層造成硬度虛假現象,使硬度測試值失真。一般應控制在42-44HRc為佳,不要超過45HRc。
              3、電鍍過程的影響
              彈性緊固件由于氫的侵襲往往發生氫脆斷裂,造成重大損失。析氫滲氫在整個電解鍍鋅中是不可避免的,析出的氫能夠滲入鍍鋅層,甚至滲入基體金屬內。鋅的吸氫大約在0.001%-0.100%,而鐵碳合金吸氫在0.1%左右。氫在金屬內使晶格扭曲,產生很大的內應力,致使其機械性能降低,析氫不僅對鍍層性能產生不利影響,如產生針孔、麻點、氣泡等缺陷,而且會滲透至基體金屬中,使金屬韌性大大降低,導致零件脆斷。析氫的原因除在熱處理外,較高的加熱溫度,氫很容易滲入零件應力集中的區域,酸洗和電鍍都會發生析氫。
              4、氫脆的預防
              (1)電鍍鋅前必須嚴格控制陰極電解除油。對彈性緊固件(尤其是厚度≤1mm),不宜采用陰極電解除油,而是采用陽極電解除油、化學除油或超聲波除油,也可以選用金屬清洗劑除油(效果較好)。
              (2)對彈性緊固件不宜采用強酸腐蝕,而是采用噴砂或噴丸等處理方法達到凈化、活化表面目的。必須進行酸洗活化處理時,選用鹽酸較硫酸為好。注意掌握酸洗時間不宜過長(每次控制30-60s),以多次短時間比長時間酸洗效果好。
              (3)應選擇氫脆性較小的鍍鋅電解液,一般而言,氯化物型鍍鋅電解液相對析氫較少,產生氫脆的可能性也??;而氰化物鍍鋅電解液析氫、滲氫較多,產生氫脆的機率也較大。
              (4)采用有效的驅氫工序驅散滲氫,減少氫脆應力。驅氫溫度一般為190-230℃,驅氫時間6-8h。在電鍍鋅后鈍化前2h內進行,停留時間越短越好。
              為了研究或防止氫脆,需要對金屬的氫脆情況進行測試,以獲取相關信息。測試氫脆的方法有好幾種,常用的有往復彎曲試驗和延遲破壞試驗。
              (1)往復彎曲試驗往復彎曲試驗對低脆性材料比較靈敏,可以用來對不同基體材料在經過相同的電鍍工藝處理后的氫脆程度進行比較,也可以對相同的基體材料上的不同電鍍工藝的氫脆程度進行比較。這種試驗的方法是取一個待測試片,其尺寸規格為:150mm×13mm×1.5mm,表面粗糙度Ra=1.6。對試片進行熱處理使之達到規定的硬度,然后用往復彎曲機讓試片在一定直徑的軸上以一定的速度進行緩慢的彎曲試驗,直至試片斷裂。彎曲方式有90。往復彎曲和180。單面彎曲兩種,以前一種方式應用較多,彎曲的速度是0.6./s。如果是單面彎曲則所取的速度則為0.13。/s。評價的方法是將彎曲試驗至斷裂時的次數乘以角度,以獲得彎曲角度的總和,其角度總值越大,氫脆越小。
              測試時要注意以下幾點。
              ①試片在進行熱處理后如果有變形,應靜壓校平,不可以敲打校正,否則會使試片的內應力增加,影響試驗結果。
              ②為了防止應力影響,電鍍前應進行去應力,在電鍍后則要進行除氫處理,這時檢測的是殘余氫脆的影響。
              ③彎曲試驗時所用的軸的直徑的選用很重要,因為評價這種試驗結果的量化指標與軸徑有關,對于小的軸徑,則彎曲至斷裂的次數就會少一些,具體選用什么軸徑要通過對基體材料的空白試驗來確定,并且在提供數據時要指明所用的軸徑,否則參數沒有可比性。
              (2)延遲破壞試驗延遲破壞試驗是一種靈敏度較高的試驗方法,適合用于高強度鋼制品的氫脆檢測。這種氫脆測試也是在試驗
              機上進行的,所用的試驗機為持久強度試驗機或蠕變試驗機,檢測試樣在這種試驗機上受到小于破壞程度的應力的作用,觀測其直到斷裂時的時間。如果到規定的時間尚沒有發生斷裂,即為合格。這種試驗需要采用按一定要求制作的標準的測試驗棒。并且每次要使用三支同樣條件的試樣平行做試驗,以使結果更為可信。
              這種試樣的形狀和尺寸要求如圖2-1,氫脆試樣棒示意其中關鍵位就是處于試樣中間軸徑最小的地方(直徑4.5mm士0.05mm)。如果有較為嚴重的氫脆,斷裂就從此處發生。試樣應先退火后再經車工加工為接近規定尺寸的初件,經熱處理達到規定的抗拉強度后,再加工到精確尺寸。試樣在電鍍前要消除應力,其工藝與電鍍件的真實電鍍過程相同。鍍層的厚度要求在12μm左右。試驗所用的負荷是進行空白測試時的75%。如果經過200h仍不斷裂,即為合格。

              檢測方法

              范圍:本標準規定檢查緊固件氫脆的測試方法:適用于螺栓,螺柱,螺釘,螺母。墊圈定義:
              1氫脆敏感性:由于鋼緊固件中存在著游離的 氫,在承受相應等級的拉應力并或處于不利于服役條下,鋼緊固件表現為一種脆性的破壞特性。
              2氫脆傾向:如果緊固件由對氫脆敏感的鋼制成,并吸收了氫,其破壞傾向就會增大。 3生產批:同一標記的,用同一爐線材制造的,在整個連續周期內,采用相同或類似工藝并經過相同的熱處理和涂層覆蓋工藝的緊固件數量。試樣:實驗用的螺栓螺母等應來自同一批生產,其工藝應一致。試樣以目視觀察,應看不見裂縫. 使用設備:實驗板,扭力扳手。預載荷:平行支持面法。測試程序:一、螺栓、螺釘、螺母或螺柱 1在實驗板上安裝5個螺栓或螺釘,使其緊貼實驗板表面.. 2用適當的扭力扳手擰緊組合件,直至達到各自的屈服點,擰緊扭矩的加載對象應一致,最大擰緊速度20R/MIN. 3記錄 5個實驗組合的屈服點分別對應的扭矩值。并算出平均值和最大最小值之間的差異,如差值小于平均值的15%,則此平均值作為實驗樣品的擰緊扭踞值。如果差值操過了15%,則應將試樣分別擰緊直各自的屈服點。4在實驗板上擰緊規定的試樣,達到實驗擰緊扭矩,或是符合1-3條規定的屈服點。注:A實驗時,承受應力之未旋合螺紋長度≥1D,且伸出螺母之完整螺紋長度應<5P B 螺母的實驗與螺栓相同。二:彈簧墊圈 1將規定數量的試樣,用增墊圈相互隔開,裝到螺紋公稱直徑與其公稱直徑相同的實驗螺栓 (錐型彈簧性墊圈應成對隔開) 2擰緊實驗組合件(螺帽)直至壓平彈簧性墊圈。三:1實驗最少應持續48小時,實驗件應每隔24小時重新擰緊一次,并施加到初始實驗擰緊扭矩功載荷。 2在實驗結束前,應又一次擰緊實驗件,擰緊前應擰退1/2圈,以確認短裂是否發生在螺紋旋合部件實驗評估:實驗結束后,在不使用放大鏡的條件下檢查試樣。若無目測可見之裂縫或短裂,則作為合格。注意事項:
              1、實驗實施過程中,應特別注意有氫脆條件的緊固件試樣可能突然斷裂,從而造成傷害,因此應適當使用設備,以免傷害發生。
              2、螺栓、螺釘、螺柱或螺母試樣在實驗前應進行潤滑,以提高實驗的可靠性。
              3、本實驗的靈敏度應取決于實驗的開始時間 ,所以最好在制造結束后24小時內進行,延長時間將會減少查出氫脆的可能性。

              4、實驗中試樣出現裂縫,掉頭或是斷裂,并不一定是表面處理工藝引起的氫脆所致,可以用沒有經過表面處理的緊固件進對比實驗,以確定產生氫脆的制程。 硅油檢測法:用200#硅油加熱到200℃±10℃恒溫,慢慢將試樣置入有硅油的容器中,5分鐘后檢查,若無連續氣泡產生,則視合格。

              注意事項

              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范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后去氫處理。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。
              由于鋼材強度與硬度有很好的對應關系,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注鋼材硬度。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。對高于HRC43的零件,鍍后應考慮去氫處理。硬度為HRC60左右時,在表面處理之后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)零件的使用安全系數: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,不僅鍍后要加強去氫,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,并作好相關記錄。


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