氫能應用的大BUG---氫脆的前世今生

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。

?

一、氫脆到底是個啥？

1 氫脆現象

氫脆導致的金屬開裂現象，圖源自好漢科普

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。

2 氫脆機理

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。

?

二、如何避免和消除氫脆

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6～8um,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。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℃，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℃，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℃。

?

三、處理材料的關鍵要點

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。

?

四、去掉氫脆可不可行

主要原因是電鍍工藝中導致的金屬“氫化”現象導致的，而你用的不合格品呢并不是電鍍工藝本身有問題，因為電鍍(真空鍍除外)本來就會造成金屬氫化，但是目前有許多金屬表面處理商都去掉了最后一個工藝(特別是對于彈性元件很致命的)：那就是“去氫處理”工藝，也就是說正常情況下，對于有強度要求的金屬零件需要完成去氫后才能交給用戶的，但是為了節省生產成本，而用戶又不懂的情況下或者從來沒有要求過、驗收過的情況下，省略這一工藝可以節省5~15%的成本呢。所以你感覺到電鍍后的螺栓、彈墊等零件在電鍍處理后“變脆”了。

一般地說：對于有強度要求的金屬零件的去氫處理要求是：120度~220度高溫保持1~2小時(電鍍結束后)，具體情況需要按照零件要求來控制。

來源：杭州馳飛 杭州馳飛超聲波CHEERSONIC

原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：氫能應用的大BUG---氫脆的前世今生