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鋼材氫脆產生的原因有哪些?去氫脆處理的主要措施有哪些?去氫脆處理!

本文主要說明氫脆產生的原因,并以液壓主控閥閥芯為例講述發生氫脆的薄弱點,最后闡明了去氫脆處理的主要措施。


一、氫脆的定義

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,又稱白點。氫脆主要發生在低合金高強度鋼、不銹鋼及彈性零件上,造成氫脆的主要原因是表面處理,如電鍍、氮化等零件的處理過程中產生的氫滲入到金屬內部導致晶格排列混亂,產生扭曲,造成內應力增加,使金屬或鍍層產生脆性,從而引起零件的斷裂或鍍層的脫落。在過程中氫脆的發生需要滿足兩個條件:金屬有較高的含氫量;有一定的外力作用。

由于氫脆所導致的滯后開裂的特性,嚴重影響零部件的使用性能,存在較大的安全隱患。因此在零件的設計加工時,尤其是液壓元件工作在高壓下,更需要嚴格控制。


二、去氫脆處理適用的范圍及工序

并不是所有金屬在表面處理過程中都會產生氫脆現象,通過研究數據及實踐來看,在零件表面處理后氫脆主要產生于以下材料中。

(1)抗拉強度在981N/mm2(或硬度在38HRC)以上的經過熱處理的碳素鋼及合金鋼零件。

(2)硬度為370HV以上的彈簧鋼(包含琴鋼絲、油回火鋼絲、高碳鋼絲)的零件。

(3)在抗拉強度1236N/mm2以上(或36HRC以上)實施熱處理的馬氏體的不銹鋼產品。

現在的加工中,可導致氫脆的工序主要有酸洗、電鍍、氮化、電解,以上工序在處理零件表面時,會產生氫且滲入到零件中,從而導致氫脆


三、氫脆的案例分析

液壓產品一般需在高壓下工作,部分零件承受的力較大,當零件吸氫后,在其薄弱地方會發生斷裂,如圖1所示的閥芯。

圖1  主控閥閥芯示意


閥芯內部為中空,由于功能要求,中空處需要與單向閥配合密封,閥芯處于高壓工作,這就需要與單向閥的配合處具有較強的抗沖擊性及韌性,同時為了達到一定的耐磨要求,許多廠家選擇該種閥芯表面鍍鉻處理,而且要求的鍍層較厚,但由于鍍鉻工藝本身電流效率低,因此需要電鍍的時間較長,滲氫嚴重。

該閥芯材質為42CrMo,調質處理后硬度為32~36HRC,裝配后要求鍍鉻層厚度0.04~0.06mm。閥芯為液壓挖掘機所用,額定工作壓力31.3MPa,而且由于挖掘機的特性,沖擊壓力的峰值可達到60MPa以上,該閥芯電鍍后沒有去氫脆處理,因此在挖掘機上使用一段時間后發生斷裂,如圖2所示。

圖2  閥芯斷裂


在發生斷裂后,對閥芯進行了理化分析,實測閥芯心部硬度為34.5HRC,并對閥芯電鍍前及電鍍后的截面分別做了金相分析,如圖3、圖4所示。通過晶相圖4可以看出,電鍍后閥芯晶相圖中出現明顯的沿晶斷裂的特征——冰糖狀斷口。

圖3  閥芯電鍍前晶相

圖4  閥芯電鍍后晶相


四、去氫脆的措施及預防

去除零件吸附氫氣而產生的氫脆,一般選擇使用干燥處理,干燥處理一般分為:

(1)一般性干燥處理,干燥溫度200℃左右。

(2)低溫干燥處理,干燥溫度在180℃以下。

干燥處理的方法如下:

第一,干燥處理最好是在經過吸附氫氣工序之后馬上實施,最長不得超過4h。

第二,干燥處理的時間及溫度按附表中要求執行,原則上必須一次處理完成,處理開始后,不能中斷,按規定的時間連續保持并完成。

第三,鍍層剝離后再次電鍍的情況,或在電鍍之后又實施其他鍍層的,脆化工序兩次以上的情況,從最初的工序到實施最終工序后的干燥處理時間在4h以內時,可只實施最終工序后的干燥處理,其他的可以省略。

去氫脆處理的工藝要求


在零件的設計及加工時,也應提前預防氫脆的產生,如可適當地對易產生氫脆的材料在表面處理前進行加熱、噴丸或振動等處理,使工件上的氫氣得以逸出,應力得到釋放,減少氫脆現象的產生;在滿足性能的前提下,盡量采用滲氫量少的工藝,如表面處理的除油、除銹等,可采用化學除油、清洗劑或溶劑除油;在除銹和氧化皮時,盡量采用吹砂除銹,若采用酸洗,需要在酸洗液中添加緩蝕劑等


五、結語

一般來說,材料強度越大,其氫脆敏感性也越大,除了硬度以外,還應綜合考慮以下幾點:

(1)使用安全系數大的零件,應加強去氫處理。

(2)截面積小的零件,如細小的彈簧、較薄片簧等。

(3)帶有易產生應力集中的缺口狀零件。

表面處理過程中的氫脆危害極大,去氫脆要求是技術人員在設計加工時必須明確的概念,根據不同的零件及使用的情況采取適當的措施,以達到消除氫脆的目的。

作者:鞏秀江,山東中川液壓有限公司技術部;

許躍雷,力士德工程機械股份有限公

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志


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