控制超高強(qiáng)度鋼零件電鍍滲氫，預(yù)防氫脆發(fā)生的方法

李　博

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

控制超高強(qiáng)度鋼零件電鍍滲氫，預(yù)防氫脆發(fā)生的方法

李博

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：超高強(qiáng)度鋼是一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，氫脆敏感性高。零件的電鍍過(guò)程極易發(fā)生滲氫，可導(dǎo)致氫脆延遲性斷裂，引發(fā)事故。對(duì)電鍍過(guò)程滲氫的主要環(huán)節(jié)(前處理、電鍍過(guò)程及后處理等)進(jìn)行分析、研究，總結(jié)出了控制滲氫，防止氫脆發(fā)生的實(shí)用、有效方法；對(duì)氫脆試驗(yàn)方法作了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼；電鍍；滲氫；氫脆；控制；方法

氫脆是一種由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬材料在低于材料屈服強(qiáng)度的靜應(yīng)力作用下發(fā)生延遲斷裂的現(xiàn)象[1]。氫脆一旦產(chǎn)生，就無(wú)法消除，所以重在預(yù)防、控制。研究表明，高強(qiáng)度鋼發(fā)生氫脆斷裂需同時(shí)滿足3個(gè)條件：1)具有相當(dāng)高的強(qiáng)度水平；2)含氫超過(guò)某一最低值，且氫能通過(guò)鋼自由擴(kuò)散；3)承受超過(guò)某一最低值的靜載荷應(yīng)力[2]。從材料本身的性能來(lái)看，強(qiáng)度越高，氫脆敏感性越大，發(fā)生氫脆的可能性越大。本文結(jié)合解決某型起落架300M鋼活塞桿鍍鎘鈦后花盤(pán)發(fā)生氫脆性開(kāi)裂(見(jiàn)圖1)問(wèn)題，對(duì)超高強(qiáng)度鋼零件電鍍過(guò)程滲氫的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出切實(shí)可行的控制方法，防止了氫脆的發(fā)生，保證了零件的電鍍質(zhì)量。

圖1　花盤(pán)孔氫脆性開(kāi)裂

1電鍍滲氫的主要環(huán)節(jié)

某型起落架300M鋼活塞桿采用的電鍍工藝為鍍硬鉻和鍍鎘鈦。工藝流程為：鍍前驗(yàn)收→消除應(yīng)力→除油→吹砂→水洗→裝掛和保護(hù)→除油→水洗→鍍硬鉻→除氫→裝掛和保護(hù)→除油→酸腐蝕→水洗→鍍鎘鈦→除氫→活化→水洗→出光→水洗→鈍化。

1.1鍍前處理

鍍前處理一般包括消除應(yīng)力、吹砂、除油和酸腐蝕(活化)等工序，但只有除油和酸腐蝕可能發(fā)生滲氫。

1)除油。常用有機(jī)溶劑除油、蒸汽除油、化學(xué)除油和電化學(xué)除油。有機(jī)溶劑除油、蒸汽除油和化學(xué)除油滲氫量較少。電化學(xué)除油主要依靠陰、陽(yáng)兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，陰極析出氫，陽(yáng)極析出氧。陰極除油效率高，氣泡小，數(shù)量多，鍍件容易滲氫；陽(yáng)極除油效率低，氣泡大，數(shù)量少，但鍍件不容易滲氫。

2)酸腐蝕。酸腐蝕是去除零件表面氧化物及部分油污，提高鍍層結(jié)合力的主要手段。酸腐蝕時(shí)常伴隨Fe+2H+= Fe2++H2↑反應(yīng)發(fā)生，它是高強(qiáng)度鋼零件電鍍滲氫的主要環(huán)節(jié)。

1.2電鍍過(guò)程

電鍍時(shí)零件為陰極，發(fā)生主反應(yīng) Mn++ne→M，同時(shí)一定伴隨副反應(yīng) H++e→H，H+H→H2↑或(H3O)++e→H+H2O的發(fā)生，因此氫的滲入是不可避免的。

1)鍍液體系。在不同性質(zhì)的槽液中電鍍，零件的滲氫程度不同。一般而言，溶液的 pH值越小，含氫離子越多，零件越易滲氫。另外，生產(chǎn)實(shí)踐表明，有機(jī)雜質(zhì)對(duì)松孔鍍鎘、鍍鎘鈦槽液的氫脆性影響較大。

2)添加劑。同一種鍍液使用不同的添加劑，滲氫量也是不同的。某些添加劑的中心原子有未共用的電子對(duì)，能與酸性溶液中的質(zhì)子H+配位，形成帶正電的陽(yáng)離子。這種陽(yáng)離子被吸附在金屬表面的陰極區(qū)，阻止溶液中氫離子進(jìn)一步接近陰極金屬，提高了氫離子放電的活化能，減少了氫離子與電子結(jié)合成原子氫的機(jī)會(huì)，使?jié)B透到金屬中的氫原子減少，從而改善了鍍層的氫脆性。這類(lèi)添加劑主要是雜環(huán)類(lèi)、醛類(lèi)及酮類(lèi)等有機(jī)物。

3)工藝參數(shù)。電鍍的工藝參數(shù)主要包括電流密度、溫度和時(shí)間。在相同的電鍍?nèi)芤褐校娏髅芏仍酱笤接欣跉潆x子得電子，導(dǎo)致滲氫量增加；但大電流密度會(huì)促使零件表面快速生成一薄層疏松多孔的鍍層，有利于氫的析出。電鍍一般隨著槽液溫度的升高，析氫量減少，電流效率降低，陰極附近氫離子形成阻擋層所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，滲入基體的氫原子就越多。電鍍時(shí)間越長(zhǎng)，滲氫量越大。

4)鍍層厚度。鍍層越厚電鍍所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，副反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子越多，越易滲氫；同時(shí)鍍層越厚，越不利于滲入氫的逸出。

1.3后處理

后處理一般包括除氫、鈍化等工序。除氫是通過(guò)加溫將滲入到零件基體或鍍層中的氫原子驅(qū)散出去，進(jìn)而減少氫原子結(jié)合成氫分子的機(jī)會(huì)，達(dá)到控制滲氫的目的。鈍化及鈍化的前處理活化、出光工序均在酸性溶液中進(jìn)行，滲氫不可避免。

1.4鍍層返修

鍍層返修中的補(bǔ)鍍或退除鍍層重新電鍍會(huì)產(chǎn)生滲氫現(xiàn)象。

2控制電鍍過(guò)程滲氫，預(yù)防氫脆的做法

2.1前處理

1)消除應(yīng)力。為減少超高強(qiáng)度鋼零件在機(jī)械加工、磨削、冷成形和冷矯正等工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并防止鍍覆時(shí)開(kāi)裂，鍍覆前均要求消除應(yīng)力，溫度為190±10 ℃，時(shí)間≥4 h。

2)除油。對(duì)超高強(qiáng)度鋼零件不允許陰極電化學(xué)除油，可選用有機(jī)溶劑除油、蒸汽除油和化學(xué)除油加陽(yáng)極電化學(xué)除油的方式進(jìn)行。生產(chǎn)中，一般選用大電流密度及時(shí)間≤5 min的電化學(xué)除油，效果最佳。

3)酸腐蝕。超高強(qiáng)度鋼零件不允許用強(qiáng)酸溶液進(jìn)行表面活化、清理，表面氧化皮的清理一般采用噴砂方法。若要進(jìn)行酸腐蝕，一般采用弱酸溶液或在稀強(qiáng)酸溶液中添加緩蝕劑形成的混合溶液，并且嚴(yán)格控制腐蝕時(shí)間。

2.2電鍍過(guò)程

1)鍍液體系。對(duì)超高強(qiáng)度鋼的防護(hù)選用低氫脆鍍層鍍液體系。例如：鍍鎘鈦(鍍層含鈦量為0.1%～0.7%)代替普通鍍鎘，能使引起氫脆的初生氫大大減少；松孔鎘代替普通鍍鎘，其鍍層多孔，有利于氫的逸出。另外，控制鍍液pH值(例如，鍍鎘鈦溶液pH控制為6～7)，加強(qiáng)槽液維護(hù)，定期過(guò)濾槽液，濾除混入的有機(jī)雜質(zhì),均能預(yù)防氫脆的發(fā)生。

2)添加劑。根據(jù)鍍液的不同，有針對(duì)性的選擇雜環(huán)類(lèi)、醛類(lèi)及酮類(lèi)等有機(jī)物添加劑，可有效控制零件電鍍時(shí)的滲氫。

3)工藝參數(shù)。同一種鍍液體系，選用不同的工藝參數(shù)得到的鍍層性質(zhì)也不同。例如，在組分為氰化鈉、氧化鎘和碳酸鈉的鍍鎘溶液中，在17～33 ℃的溫度下，電流密度為6.5～8.5 A/dm2時(shí)，電鍍即為低氫脆鎘，電流密度為1.5～2 A/dm2時(shí)，電鍍卻為普通鎘。另外，在電鍍開(kāi)始時(shí)，采用正常電流密度的1.5～2倍的大電流沖擊電鍍30～90 s，有利于在陰極表面迅速形成覆蓋層，能有效阻止氫原子的滲透。

4)鍍層厚度。在滿足圖樣或數(shù)模要求的情況下，電鍍時(shí)嚴(yán)格控制鍍層厚度，一般不允許加大電鍍。

2.3后處理及返修

1)除氫。超高強(qiáng)度鋼電鍍后應(yīng)盡快除氫，因?yàn)殄儗又械臍湎蜾摶w內(nèi)擴(kuò)散聚集的數(shù)量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，導(dǎo)致引起氫脆的危險(xiǎn)性增大[3]。電鍍距除氫的時(shí)間間隔越短越好，最長(zhǎng)≤4 h。超高強(qiáng)度鋼零件鍍鉻、鍍鎘鈦后除氫要求溫度為190±10 ℃，時(shí)間≥12 h。

2)返修。對(duì)不合格鍍層需要退除返修時(shí)，應(yīng)先除氫，退除后再除氫，并嚴(yán)格限制返修≤3次。

3控制氫脆的試驗(yàn)方法

生產(chǎn)上控制氫脆的試驗(yàn)方法有缺口拉伸試驗(yàn)和測(cè)氫儀法。

1)缺口拉伸試驗(yàn)。選用符合HB 5067.1要求的試樣(見(jiàn)圖2)，材料為300M鋼，數(shù)量為4根；對(duì)電鍍后的缺口拉伸試樣加載200 h，檢查其是否斷裂，判斷氫脆性是否合格。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確性高；缺點(diǎn)：周期較長(zhǎng)，及時(shí)性差。

圖2　缺口拉力試棒

2) 測(cè)氫儀法。測(cè)氫儀是一種測(cè)量電鍍時(shí)氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器，在2 h內(nèi)就能斷定槽液氫脆性是否合格，電鍍產(chǎn)品是否可接受。優(yōu)點(diǎn)是周期短，及時(shí)性好；缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性差。

當(dāng)上述兩種試驗(yàn)方法發(fā)生沖突時(shí)，以缺口拉伸試驗(yàn)方法為準(zhǔn)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

1)電鍍過(guò)程中零件的滲氫是不可避免的，但通過(guò)控制前處理、優(yōu)選槽液、優(yōu)化工藝參數(shù)、嚴(yán)格除氫及加強(qiáng)槽液維護(hù)等方法的實(shí)施，能夠達(dá)到控制的目的。

2)控制超高強(qiáng)度鋼零件電鍍過(guò)程滲氫是從源頭上預(yù)防零件服役過(guò)程中發(fā)生氫脆性斷裂、引發(fā)事故的最直接和最根本的方法。

3)控制氫脆的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便、易行。生產(chǎn)中若能付諸實(shí)施，對(duì)預(yù)防氫脆的發(fā)生定能起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 宣曉東.高強(qiáng)度鋼的表面防護(hù)及氫脆問(wèn)題[J].電鍍與精飾,1998,20 (3):27-29.

[2] 徐德明，劉穎.金屬腐蝕與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[3] 商紅武，安茂忠，楊培霞.電鍍過(guò)程中氫脆的產(chǎn)生及其抑制措施[J].電鍍與涂飾,2008,27(12):4-7.

責(zé)任編輯彭光宇

Method for Controlling Electroplating Absorption Hydrogen of Ultrahigh-strength

Steels to Prevent Hydrogen Embrittlement

LI Bo

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corp.Ltd., Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

Abstract：Ultrahigh-strength steel is a kind of structural material of premium properties, and its sensitivity of hydrogen embrittlement is high. The electroplating process of the part is very easy to cause absorption hydrogen, and it may result in hydrogen embrittlement delay fracture in use with accident. By analyzing and researching main factor-preprocessing affected absorption hydrogen of electroplating process, electroplating process, and postplating etc, summarize a practical and valid method that controls absorption hydrogen of electroplating process to prevent hydrogen embrittlement. Make a brief introduction to test method for hydrogen embrittlement.

Key words:ultrahigh-strength steels，electroplating，absorption hydrogen，hydrogen embrittlement，controlling，methods

收稿日期：2015-01-16

作者簡(jiǎn)介：李博(1969-)，男，高級(jí)工程師，主要從事飛機(jī)起落架表面處理工藝等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 153.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B