消氫處理對(duì)核主泵緊固件鍍鉻層性能的影響

譚俊哲，趙國(guó)飛，李 剛，李連海

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽 110869）

緊固件是核主泵的關(guān)鍵零部件，其耐蝕性和耐磨性均要求極高，需經(jīng)過表面改性處理才可達(dá)到使用要求。電鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)[1，2]，在電鍍工業(yè)中占有極其重要的地位，并被列為三大鍍種之一。金屬表面鍍鉻層可以有效地保護(hù)金屬表面而避免進(jìn)一步的磨損和腐蝕[3，4]，這是由于鉻本身具有的優(yōu)良的耐磨損腐蝕性和很強(qiáng)的鈍化能力。

由于電鍍過程中必須進(jìn)行酸洗活化處理，所以析氫和滲氫現(xiàn)象在整個(gè)電解電鍍中是不可避免的，析出的氫能夠滲入電鍍層以及基體金屬內(nèi)。析氫不僅會(huì)降低鍍層的性能，如產(chǎn)生針孔、麻點(diǎn)、氣泡等缺陷，而且還會(huì)降低基體金屬的韌性，從而導(dǎo)致螺栓裝配后可能在遠(yuǎn)小于其正常破壞應(yīng)力的連接狀態(tài)下發(fā)生斷裂。本文將系統(tǒng)評(píng)價(jià)核主泵螺栓緊固件鍍鉻脫氫處理前后鍍層組織、成分、硬度及氫含量的變化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為ASTM A479 403馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示，試片尺寸30mm×80mm×3mm。ASTM A479 403不銹鋼化學(xué)成分（ωB%） 如下：C=0．06～0．13；S≤0．50；Mn=0．25～0．8；Cr=11．5～13．0；Ni≤0．50；S≤0．015；P≤0．015；Al≤0．05；Co≤0．05；Mo=0．20～0．60；Sn≤0．05。

試驗(yàn)前，用磨床將試片表面氧化皮等雜質(zhì)磨掉，然后依次用320#、600#、800#砂紙對(duì)試片表面進(jìn)行打磨，隨后在丙酮中超聲波清洗，去除表面油污等污漬，置于干燥箱中備以待用。采用的直流電鍍工藝對(duì)試樣進(jìn)行鍍鉻處理，鍍液采用標(biāo)準(zhǔn)電鍍液（鉻酸酐 250g/L，硫酸 2．5g/L），電鍍時(shí)間 2h。電鍍后將試樣放入電爐中進(jìn)行消氫處理，溫度為240℃，保溫時(shí)間3h。

1.2 檢測(cè)方法

依照ASTM B487－2002《用橫斷面顯微觀察法測(cè)定金屬及氧化層厚度的試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，從待測(cè)件上指定部位垂直于鍍鉻層用線切割切出尺寸適當(dāng)?shù)慕孛鏄訅K，截面樣塊用XQ－2B金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌，制成可供觀察的金相樣品。分別用360#，600#，800#，1200#，2000# 砂紙進(jìn)行打磨，之后用金剛石研磨膏在金相拋光機(jī)上拋光。用酒精清洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干，然后用 FeCl3∶HCl∶H2O=1∶1∶4的溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間約為1分鐘。用S—3400N型掃描電鏡觀察樣品截面組織形貌。

采用D/Max—7000PC型X射線衍射儀對(duì)電鍍鉻涂層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。將制備的電鍍鉻試樣切成8mm×8mm×3mm的樣品，用酒精將電鍍鉻層表面清洗干凈并吹干以作檢測(cè)。X射線衍射條件設(shè)定為：工作電壓40kV，電流30mA，掃描速度 2°/min，掃描角度范圍 40°～100°。

根據(jù)實(shí)施途徑的不同，氫含量檢測(cè)法可以分成物理法和電化學(xué)法兩種。本文采用TCH—600氮、氫、氧分析儀來測(cè)量試樣中氫的含量，具體方法是將隨螺栓鍍鉻試片投入經(jīng)脫氣的熱石墨坩堝中，在氬氣保護(hù)下熔融，氫被熱分解并以氫的形式釋放，由熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)[5]。試樣尺寸為15mm×5mm×3mm，每組三個(gè)試樣，測(cè)得相應(yīng)工藝條件下試片的氫含量取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍鉻試片除氫前后鍍層的組織形貌

圖1為鍍鉻試樣除氫前后表面組織形貌。由圖可以看出，除氫處理前后，鍍鉻試樣表面均存在微裂紋。圖1a為未除氫處理的鍍鉻層表面形貌，其表面出現(xiàn)微裂紋的原因主要是由于鉻在沉積過程中，總伴隨著氫的析出。因此，在鉻沉積的初期，形成的鉻氫化合物比較復(fù)雜，一般是由六方晶格的氫化鉻（Cr2H或CrH2）、面心立方晶格（CrH或CrH2）組成，但是以六方晶格的氫化鉻為主。然而這種晶體結(jié)構(gòu)介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的狀態(tài)之間，只有當(dāng)晶粒尺寸特別小的情況下才能夠穩(wěn)定存在，而當(dāng)晶體尺寸達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，這種晶體結(jié)構(gòu)將自發(fā)的由六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)[6]。這種晶格結(jié)構(gòu)間的變化，將同時(shí)伴隨著體積的改變，會(huì)導(dǎo)致體積縮小大概15%，同時(shí)，不穩(wěn)定的鉻氫化合物也會(huì)分解產(chǎn)生氫。尤其對(duì)于那些對(duì)氫比較敏感的金屬基體來說，在鉻還沒有將待鍍基體完全覆蓋時(shí)，基體金屬就會(huì)吸收這些氫原子，從而導(dǎo)致基體金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在上述鉻氫化合物發(fā)生相變引起結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的體積變化以及基體金屬吸氫而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的共同作用下，鍍鉻層就會(huì)具有較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)鍍層的內(nèi)應(yīng)力超過鍍層的強(qiáng)度極限時(shí)就引起鍍層開裂，從而出現(xiàn)微裂紋。圖1b為除氫處理后的鍍鉻層表面形貌，鍍鉻試樣經(jīng)過除氫工藝后，鍍層表面有一部分微裂紋重新閉合。

圖1 鍍鉻試樣除氫前后表面組織形貌

2.2 鍍鉻試片除氫處理前后鍍層的相結(jié)構(gòu)

圖2 為鍍鉻試樣除氫前后鍍鉻層XRD譜。由圖可以看到，經(jīng)過除氫處理后，鉻層的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生了較大變化，尤其是鉻晶粒的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)面已經(jīng)由（211）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?10）晶面，（110）晶面衍射峰強(qiáng)度大約提升至原來的2倍。與此同時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過除氫處理后，鍍層的XRD譜出現(xiàn)整體向右微小偏移現(xiàn)象，這是由于鍍鉻層在沉積過程中，鍍層中所形成的鉻氫化合物分解產(chǎn)生氫，導(dǎo)致鍍層中形成較大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)經(jīng)過除氫處理后，鍍層中的部分氫被排出，會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致晶面間距減小，使得衍射峰的位置向右發(fā)生偏移[7]。

圖2 鍍鉻試樣除氫前后鍍鉻層XRD譜

表1 鍍鉻試樣ASTM A479 403除氫前后氫含量測(cè)試結(jié)果（μg/g）

2.3 鍍鉻試樣除氫前后氫含量測(cè)定

表1為鍍鉻試樣在去氫處理前后氫含量測(cè)試結(jié)果。由表可知，馬氏體不銹鋼在鍍鉻后，相同尺寸的鍍鉻試樣中鍍鉻層中的含氫量要比基材多。試片經(jīng)過除氫處理后，大部分氫被釋放出來，鍍鉻層中內(nèi)應(yīng)力降低，部分微裂紋重新閉合，這也進(jìn)一步證明了除氫前后，鍍層表面微裂紋數(shù)量的變化與鍍層中氫含量有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）鍍鉻層經(jīng)過除氫工藝處理后，表面微裂紋數(shù)量減少。

（2）鍍鉻層經(jīng)過除氫工藝處理后，鍍層的XRD譜整體向右發(fā)生微小偏移，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

（3）鍍鉻層經(jīng)除氫工藝處理后，鍍層中的氫含量有所降低。