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鋼材氫脆產(chǎn)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(shuō)明氫脆產(chǎn)生的原因,并以液壓主控閥閥芯為例講述發(fā)生氫脆的薄弱點(diǎn),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(yīng)力集中,超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限,在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋,又稱白點(diǎn)。氫脆主要發(fā)生在低合金高強(qiáng)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(guò)程中產(chǎn)生的氫滲入到金屬內(nèi)部導(dǎo)致晶格排列混亂,產(chǎn)生扭曲,造成內(nèi)應(yīng)力增加,使金屬或鍍層產(chǎn)生脆性,從而引起零件的斷裂或鍍層的脫落。在過(guò)程中氫脆的發(fā)生需要滿足兩個(gè)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(dǎo)致的滯后開裂的特性,嚴(yán)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(shè)計(jì)加工時(shí),尤其是液壓元件工作在高壓下,更需要嚴(yán)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(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象,通過(guò)研究數(shù)據(jù)及實(shí)踐來(lái)看,在零件表面處理后氫脆主要產(chǎn)生于以下材料中。

(1)抗拉強(qiáng)度在981N/mm2(或硬度在38HRC)以上的經(jīng)過(guò)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(qiáng)度1236N/mm2以上(或36HRC以上)實(shí)施熱處理的馬氏體的不銹鋼產(chǎn)品。

現(xiàn)在的加工中,可導(dǎo)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(shí),會(huì)產(chǎn)生氫且滲入到零件中,從而導(dǎo)致氫脆


三、氫脆的案例分析

液壓產(chǎn)品一般需在高壓下工作,部分零件承受的力較大,當(dāng)零件吸氫后,在其薄弱地方會(huì)發(fā)生斷裂,如圖1所示的閥芯。

圖1  主控閥閥芯示意


閥芯內(nèi)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(qiáng)的抗沖擊性及韌性,同時(shí)為了達(dá)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(shí)間較長(zhǎng),滲氫嚴(yán)重。

該閥芯材質(zhì)為42CrMo,調(diào)質(zhì)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(jī)所用,額定工作壓力31.3MPa,而且由于挖掘機(jī)的特性,沖擊壓力的峰值可達(dá)到60MPa以上,該閥芯電鍍后沒(méi)有去氫脆處理,因此在挖掘機(jī)上使用一段時(shí)間后發(fā)生斷裂,如圖2所示。

圖2  閥芯斷裂


在發(fā)生斷裂后,對(duì)閥芯進(jìn)行了理化分析,實(shí)測(cè)閥芯心部硬度為34.5HRC,并對(duì)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(guò)晶相圖4可以看出,電鍍后閥芯晶相圖中出現(xiàn)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(yù)防

去除零件吸附氫氣而產(chǎn)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(jīng)過(guò)吸附氫氣工序之后馬上實(shí)施,最長(zhǎng)不得超過(guò)4h。

第二,干燥處理的時(shí)間及溫度按附表中要求執(zhí)行,原則上必須一次處理完成,處理開始后,不能中斷,按規(guī)定的時(shí)間連續(xù)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(shí)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(shí)施最終工序后的干燥處理時(shí)間在4h以內(nèi)時(shí),可只實(shí)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(shè)計(jì)及加工時(shí),也應(yīng)提前預(yù)防氫脆的產(chǎn)生,如可適當(dāng)?shù)貙?duì)易產(chǎn)生氫脆的材料在表面處理前進(jìn)行加熱、噴丸或振動(dòng)等處理,使工件上的氫氣得以逸出,應(yīng)力得到釋放,減少氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)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(xué)除油、清洗劑或溶劑除油;在除銹和氧化皮時(shí),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(jié)語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō),材料強(qiáng)度越大,其氫脆敏感性也越大,除了硬度以外,還應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn):

(1)使用安全系數(shù)大的零件,應(yīng)加強(qiáng)去氫處理。

(2)截面積小的零件,如細(xì)小的彈簧、較薄片簧等。

(3)帶有易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺口狀零件。

表面處理過(guò)程中的氫脆危害極大,去氫脆要求是技術(shù)人員在設(shè)計(jì)加工時(shí)必須明確的概念,根據(jù)不同的零件及使用的情況采取適當(dāng)?shù)拇胧赃_(dá)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(shù)部;

許躍雷,力士德工程機(jī)械股份有限公

來(lái)源:《金屬加工(熱加工)》雜志


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