鍍鋅彈簧墊圈氫脆斷裂失效分析

沙 明

無錫市宇新機械有限公司，江蘇無錫 214105

0 引言

彈簧墊圈是屬于螺紋緊固件連接件中的防松元件，它們的防松能力隨著螺紋連接副中的預緊力之增強而增強。是一種結構簡單、使用方便、被廣泛使用在螺紋連接副上起緊固防松作用的零件，被廣泛應用于汽車、工程機械、農業機械、家用電器等行業。但鍍鋅彈簧墊圈由于所用材料為彈簧鋼等因素影響，處理不好非常容易發生氫脆斷裂現象，而彈簧墊圈的氫脆通常表現為應力作用下的延遲斷裂現象。給正常的安全使用帶來了很大隱患。

圖1 正常狀態的彈簧墊圈

圖2 鍍鋅后氫脆斷裂狀態的彈簧墊圈

1 氫脆斷裂原因分析

影響鍍鋅彈簧墊圈產生氫脆斷裂的因素比較多，如原材料、熱處理加工、電鍍加工等環節，但電鍍處理工序是關鍵的因素之一，下面就一些影響因素進行簡要分析，以利于對它們的控制和改善。

1.1 原材料缺陷的影響

按標準制造彈簧墊圈的原材料一般為65Mn、70、60Si2Mn彈簧鋼，而65Mn材料用的比較普遍。按氫脆機理分析，碳鋼、低合金鋼和高強度鋼均有氫脆傾向，尤以高強度鋼最為嚴重，材料強度越大，其氫脆敏感性也越大。由于制造彈簧墊圈的材料都是經過冷拉加工，在拉伸應力狀態下，拉拔材料會隨著拉拔道次的增加表面的硬度也會提高，而冷作硬化程度也會強化。在酸洗和電鍍過程中，氫的溶解度和因此產生吸收氫的總量也將增加，也就是說零件的氫脆敏感性會越強，直徑較小的零件比直徑較大的零件氫脆敏感性強。另外，材料表面缺陷對電鍍鋅的有害影響是不容忽視的，比如原材料表面的裂紋、折疊、銹蝕、氧化皮、夾雜和超過允許深度的脫碳層，以及因盤絲繞盤成型加工不當造成表面擠傷、劃傷，都會對鍍鋅產生十分有害的影響。

1.2 熱處理工藝的影響

熱處理工藝對彈性緊固件電鍍鋅后的氫脆是有較大影響的，若硬度≥45HRC時，均會誘發或導致彈性緊固件斷裂。

在確保熱處理技術參數的前提下，選擇適宜的加熱溫度，合理的加熱時間，充分予以回火，以最大限度地消除組織應力和熱應力，避免其有害影響。淬火加熱時應嚴防氧化和脫碳。進行硬度檢測時，嚴格注意表面層造成硬度虛假現象，使硬度測試值失真。一般應控制在42HRC～44HRC為佳，不要超過45HRC。另外，眾所周知，65Mn 鋼有過熱及回火脆性傾向，鋼中加入錳則促進回火脆性的發展。資料表明：含錳量在 1.1% 時，不論快冷或慢冷沖擊韌度都很低，回火脆性傾向增加，所以錳鋼是屬于對回火脆性敏感的鋼。

1.3 電鍍過程的影響

彈簧墊圈由于氫的侵襲往往發生氫脆斷裂，造成重大損失。析氫滲氫在整個電解鍍鋅中是不可避免的，析出的氫能夠滲入鍍鋅層，甚至滲入基體金屬內。鋅的吸氫大約在0.001%～0.100%，而鐵碳合金吸氫在0.1%左右。氫在金屬內使晶格扭曲，產生很大的內應力，致使其機械性能降低，析氫不僅對鍍層性能產生不利影響，如產生針孔、麻點、氣泡等缺陷，而且會滲透至基體金屬中，使金屬韌性大大降低，導致零件脆斷。析氫的原因除在熱處理外，較高的加熱溫度，氫很容易滲入零件應力集中的區域，酸洗和電鍍都會發生析氫。另外，一般電鍍之前工件必須經過酸洗，在酸洗過程中工件除了表層氧化物與酸發生化學反應外，部分金屬也會和酸反應，產生的氫會大量進入金屬中，而酸洗液的成分、酸洗溫度、酸洗時間以及合金成分等都能影響氫含量。因此電鍍后在鍍層中和構件內部將含有大量的氫。

2 氫脆的預防

1）原材料在拉拔過程中，要保持材料表面光潔，無表面裂紋、銹蝕、氧化皮，以及影響鍍鋅的表面擠傷和劃傷。對拉拔道次較多的規格，要嚴格按工藝進行中間退火處理，消除拉拔過程產生的應力；

2）彈簧墊圈在熱處理過程中，要嚴格控制硬度范圍，一般控制在42HRC～44HRC，盡量不要超過45HRC。另外，彈簧墊圈在回火時，要盡量避開回火脆性區溫度，一般為250℃～350℃。另外，要嚴格執行工藝文件，不要為了提高產量而采取淬火拉高溫的違章行為，造成彈簧墊圈芯部晶粒粗大，最終影響產品鍍鋅質量，發生氫脆斷裂現象；

3）彈簧墊圈在鍍鋅過程中，要注意幾點：

（1）除油工序不宜采用陰極電解除油，而是采用陽極電解除油，化學除油或超聲波除油，也可選用金屬清洗劑除油；

（2）彈簧墊圈在清洗工序時，絕對不要采用強酸酸洗腐蝕來清潔表面，可以采用噴砂或噴丸等處理方法達到凈化、活化表面目的。也可以采用堿性的化學清洗劑來進行清潔表面；

（3）應選擇氫脆性較小的鍍鋅電解液，一般而言，氯化物型鍍鋅電解液相對析氫較少，產生氫脆的可能性也小；而氰化物鍍鋅電解液析氫、滲氫較多，產生氫脆的機率也較大；

（4）采用有效的驅氫工序驅散滲氫，減少氫脆應力。驅氫應在恒溫箱中進行，驅氫溫度一般為200℃～230℃，驅氫的最短時間一般為8h～12h。在電鍍鋅后鈍化前2h內進行，停留時間越短越好。

3 氫脆的檢測

將彈簧墊圈試件用平墊圈隔開穿在試棒上，按標準規定的試驗載荷進行壓縮擰緊，放置48小時以上，然后松開，目測彈簧墊圈表面。在不使用放大鏡的條件下檢查試樣。若無目測可見裂縫或短裂，則作為合格。

4 結論

鍍鋅彈簧墊圈氫脆斷裂現象雖然看似簡單，但解決起來卻比較棘手，這就要求在各加工的環節都要按照工藝文件的規定去嚴格執行，避免產生氫脆斷裂現象，只有這樣真正達到解決后顧之憂的目的。

[1]GB/T5267.1-2002 緊固件電鍍層[M].北京：中國標準出版社，2003.

[2]GB/T93-1987 標準型彈簧墊圈[M].北京：中國標準出版社，2004.

[3]GB/T94.1-2008 彈性墊圈技術條件彈簧墊圈[M].北京：中國標準出版社，2008.

[4]國家標準《緊固件》宣貫講義.北京：機械工業基礎標準情報網，1988：65-75.