氢脆原因机理及常见控制手段.docx

一、氢脆产生的机理
因热处理、机加工、电镀、电焊、酸洗、磷化、材料腐蚀等因素导致氢原子渗入钢和其他金属如铝、钛合金中，由于在每一个铁离子的立方晶格中只能容纳一个氢原子，所以它虽自由的移动和扩散，但不可能有二个氢原子相遇形成氢分子，但被吸收的氢原子具有向应力集中的部位扩散和移动的能力，这时，如果在应力集中部位由于位错而产生晶格缺陷时，氢原子进入晶格间隙，相互汇合形成氢分子，从而致使钢的组织破坏，形成钢的氢脆。
而由于氢原子向应力集中的部位扩散和积聚需要时间，这就是为何氢脆主要的表现特征为延迟断裂。
二、造成产品氢脆的几大因素
1、原材料
钢的强度越高越容易导致氢脆。高强度钢的韧性会随着其强度的增高而下降，因此这种材料对缺口、氢脆以及应力腐蚀很敏感，尤其是氢脆性会使这些材料在其设计载荷能力以下发生破坏。也就是说材料在渗氢的情况下，在低于其屈服强度的应力条件下，容易发生早期脆性断裂，而且材料强度级别越高，渗氢程度越严重，所受应力越大，氢脆风险性也越大。
美国对氢脆敏感的SAE4340钢做过实验，当其抗拉强度低于1250MPa时，吸收了1～10PPM的氢而不会发生氢脆，但经过热处理后，强度达到1760MPa～1920MPa时，仅吸收了0.03～0.05PPM的氢，就会发生显著的氢脆断裂。而采用抗拉强度小于780MPa的普通钢，即使吸收了10～30PPM的氢，也未发现有氢脆断裂现象。
2、机械加工
在电镀前的加工过程中，如轧制成型、机械加工、钻孔、磨削中，由于润滑剂的选用不当造成分解会导致氢渗入金属中。
硬化热处理后经机械加工、磨削、冷成型冷矫直处理的制件对氢脆损伤特别敏感。同时如在冷轧、冲裁、压弯、磨削等机加工过程中使得零件表面产生加工裂纹，会导致零件裂纹处渗氢后很难经烘烤将氢析出。同时裂纹处又是应力集中区，很容易造成零件在裂纹处延时断裂。
下图所示为一款65Mn材料的组合螺母，因表面有严重的机加工裂纹，导致在电镀后采用GBT/3098.17进行氢脆测试过程中发生氢脆断裂。
3、热处理
热处理工艺对高强度钢、弹性紧固件电镀后的氢脆是有较大影响的，若硬度达45HRC时(碳钢类)，均会诱发或导致弹性紧固件断裂。

在确保热处理技术参数的前提下，选择适宜的加热温度，合理的加热时间，充分予以回火。以最大限度地消除组织应力和热应力，避免其有害影响。
4、应力腐蚀
由于内外应力而加速腐蚀的现象称为“应力腐蚀”。强度的提高是由合金元素和热处理工艺来决定的，但许多合金对应力腐蚀是敏感的（即易蚀的），应力腐蚀的形成是持续的表面拉伸应力和腐蚀介质联合作用下引起的破坏，它能导致正常的韧性材料产生裂纹和早期破坏，这种破坏也称为应力腐蚀开裂，其原因裂纹会沿着合金中不均匀的组织发展，而一般纯金属是不敏感的。随着抗拉强度的提高，应力腐蚀则越敏感，应力腐蚀裂纹容易产生，所以高强度钢在表面处理前必须进行去应力处理。

5、表面处理
①、在表面处理过程中，酸洗、阴极除油、电镀均会造成钢件渗氢。在航空业，抗拉强度Rm≥1300MPa以上的高强度钢，是被严令禁止采用酸洗、阴极除油、电镀的。
②、钢件上的镀层产生腐蚀，金属与水反应生成氢原子，氢原子被钢件吸收并扩散，这些微量的氢和应力共同作用，就可能导致高强度钢的氢脆断裂，我们通常称这种由于镀层腐蚀而导致的环境氢脆现象为“后脆”
③、在电镀镉、锌、镍、锡、铅、铬时，渗入钢件的氢容易残留下来，即这几个镀种容易导致渗氢。而铜、银、金、钨、铝等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解性，渗氢较少。
三、如何防止氢脆
1、材料的选择
①、在满足设计角度的前提下，在选材上尽可能不要选择高强度钢，如SAE4130、SAE4330、SAE4340、30CrMoSi、40CrNiMo、30CrMnSiNi2、40CrMnSiMoVa等。
②、选择优秀的原材料供应商，杜绝冷轧材料表面冷轧痕以及线材的表面拉丝痕现象。
2、机加工控制
①、选择合适的机加工润滑剂。
②、机加工模具、易损件定期更换，减少零件表面裂纹产生的几率。
4、热处理控制
①、如果有条件，则采用等温淬火的方式进行热处理加工。
②、淬火加热时应严防氧化和脱碳。
③、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。
4、消除应力
①、在表面处理前对零件进行去应力处理。
②、尽可能在热处理后杜绝机加工处理。
③、零件表面有腐蚀现象时，也应进行去应力处理。
④、去应力要求参照GB/T19349。
5、严格管控电镀工艺
①、在对零件除锈或去氧化皮时，尽量采用机械方法如喷砂、喷丸、磨光、振光除锈，若采用酸洗，需在酸洗液中添加缓蚀剂。
②、在除油时，采用生物除油、化学除油、清洗剂或溶剂除油，渗氢量少。若采用电化学除油，则必须采用阳极除油。
③、在电镀时，酸性镀液或高电流效率的镀液渗氢量少。一般而言，氯化物型镀锌电解液相对氢渗较少，产生氢脆的可能性也小；而氰化物镀锌电解液渗氢较多，产生氢脆的机率也较大。
④、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，如达克罗涂覆层可以代替电镀，不会发生氢脆。
6、严格管控去氢工艺
①针对高强度钢在电镀完毕后应按照顾客或标准要求进行去氢处理对电镀过程中渗氢较多的零件原则上应尽快去氢，
②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1小时内，但不迟于3小时进行去氢处理”。
③、对去氢炉的温度均匀性以及系统精度按照AMS2750D的要求进行严格管控。
④、以下紧固件产品电镀后必须进行去氢处理：
a、性能等级大于或等于10.9级的螺栓、螺钉和螺柱；
b 、硬度大于或等于370HV的弹性垫圈或弹性垫圈组合件；
c、性能等级大于或等于12级的螺母；
d、自攻螺钉、自攻自钻螺钉、自攻锁紧螺钉等表面淬硬类紧固件；
e、抗拉强度大于或等于1000Mpa或硬度大于或等于365HV金属弹性夹等紧固件。