降低鋼鐵零件在鍍鎘過程中的氫脆性

李 濤

(中航起落架燎原分公司，陜西漢中 723200)

降低鋼鐵零件在鍍鎘過程中的氫脆性

李 濤

(中航起落架燎原分公司，陜西漢中 723200)

鋼鐵零件在鍍鎘過程中由于氫原子滲透到鎘鍍層內以及金屬晶格間形成氫分子，電鍍后如果除氫不徹底會造成零件表面出現起泡，空洞和麻點，并且在使用過程中可能產生氫脆斷裂。特別是針對航空產品中的受力件，會嚴重影響使用壽命。通過對不同工藝的應用和實際操作過程中經驗的總結以及缺口拉伸試驗，尋找出了預防氫脆斷裂的措施和方法，對鋼鐵零件的鍍鎘有著實際的指導意義。

鋼件;鍍鎘;析氫;氫脆;除氫

引 言

氫脆現象存在于各種金屬的電鍍以及表面處理過程，并且根據基體材料的不同和鍍層種類的不同產生的氫脆性也不同。一般情況下，高強度鋼零件對氫脆的敏感性比較強。目前，航空、航海以及電子工業中的很多零件都采用鍍鎘工藝，特別是對飛機起落架上的一些重要和關鍵的受力零部件都采用高強度鋼，如果在鍍鎘后，不及時進行消除氫脆，很容易在外力的條件下發生斷裂，造成事故。此外，由于金屬鎘的熔點為320.9℃，在除氫過程中，當溫度超過230℃時，鎘層會變軟，甚至熔融到鋼鐵零件的晶格間，造成零件“鎘脆”斷裂，同時過高的溫度也會降低鐵基金屬基體的硬度，影響材料本身的性能。因此，對于鍍鎘而言，提高鍍鎘溶液的氫過電位，合理的選擇電鍍的工藝，選擇除氫的溫度和時間，可以預防零件產生氫脆斷裂［1］。

1 氫脆的產生

1.1 氫脆的定義

氫離子在陰極還原后，一部分形成氫氣逸出，一部分以原子形態滲入到基體金屬及鍍層中，使基體金屬及鍍層的韌性下降而變脆，這種現象就叫“氫脆”。

1.2 影響析氫的因素

1)酸洗。在前處理酸洗過程中，鋼件本身和酸發生反應置換出氫氣。對于強度大于1 370Mpa的鋼鐵零件，盡可能在電鍍前不要進行酸洗或陽極酸洗。

2)電鍍過程。在電鍍溶液中，由于水分子的離解，總是或多或少的存在著一定量的氫離子，當金屬在陰極析出時，往往伴有氫氣的析出。如果電鍍時陰極極化作用較大，或者氫的電位較低，氫氣的析出更加猛烈。析氫的過程為:a.水合氫離子H3O+從溶液中轉移到陰極表面附近;b.水合氫離子H3O+在陰極上脫水還原，生成的氫原子吸附在電極表面，H3O+→H吸+H2O;c.兩個吸附的氫原子結合成氫分子，H吸+H吸→H2;d.氫分子聚合成小氣泡，并逐漸長大，最后離開電極表面而逸出。

2 氫脆試驗

2.1 試樣的準備

試驗采用強度為1 787 Mpa的AISI4340圓形缺口試樣進行。

2.2 試驗過程

2.2.1 鍍 鎘

對試棒使用含有光亮劑的光亮鍍鎘和不含光亮劑的低氫脆鍍鎘的工藝方法進行電鍍，在(190±5)℃下進行不同時間的消除氫脆烘烤處理。

1)光亮鍍鎘電解液的組成及操作條件

2)低氫脆鍍鎘電解液及參數

2.2.2 消除氫脆烘烤溫度

上面提到金屬鎘在θ超過230℃時會變軟，造成“鎘脆”，所以根據國內和國際標準，一般選擇θ為(190±5)℃。

2.2.3 拉伸試驗

按照ASTM F519中描述的方法，對試棒分別施加缺口拉伸強度(U.T.S)75%的力值，進行200h以上的恒定載荷。

2.3 試驗的結論

對于高強度鋼試件，光亮鍍鎘所產生的氫脆性比低氫脆鍍鎘所產生的氫脆性要高。并且當除氫的t小于23h時，試棒在200h的載荷內會發生斷裂。

3 氫脆的預防和控制

3.1 影響氫過電位的因素

1)陰極材料。陰極材料不同，氫過電位不同，不同材料在相同條件下電鍍時，表面放出的氫氣量不同。例如在鍍鎘時，由于氫在鎘上的過電位比鋼的大，為了避免開始時析出大量的氫，可以使用8.5 A/dm2的電流先在鋼上沖擊電鍍一層鎘，沖擊電流控制在1min左右。

2)陰極的表面狀態。凡是表面吹砂后粗糙的零件，氫過電位低，電鍍時容易析氫。或者酸洗時“過腐蝕”的零件表面，氫過電位大大降低，導致大量的氫氣析出，因此對于強度超過1 370Mpa的鋼鐵零件，在電鍍前盡量避免和酸性腐蝕溶液接觸，以減少析氫。

3)電鍍溶液。電鍍溶液中絡合劑的性質和含量都會影響析氫的多少，一般情況下，絡合物的能力越強，其游離量越多，析氫就越多。

3.2 根據鋼件的抗拉強度選擇鍍鎘工藝

1)對于強度小于等于1 370MPa的鋼鐵零件，一般情況下采用光亮鍍鎘，具體的槽液控制見2.2.1。

2)對于強度大于1 370MPa的鋼鐵零件，一般情況下采用低氫脆鍍鎘工藝，具體的槽液控制見2.2.1。

3.3 根據鋼件的抗拉強度選擇除氫條件

對不同抗拉強度的鋼鐵零件，應選擇不同的除氫工藝條件，表1和表2列舉出一些常用零件的除氫工藝規范。

表1 滾柱軸承架、滾圈螺栓和軸承滾針的端面墊圈的消除應力和除氫條件

表2 除表1零件外其余鋼件的消除應力和除氫條件

4 結論

在鍍鎘過程中，氫脆的產生是不可避免的。但是通過提高電鍍時氫過電位，選擇合適的工藝方法和參數，合理的對鋼鐵零件進行消除氫脆的處理，可以很大程度上降低和預防氫脆的發生和危害。

［1］胡傳炘.表面處理技術手冊［M］.北京:北京工業大學出版社，1997:69-70.

Improvement of Hydrogen Embrittlement of Steel Products during Cyanide Cadmium Plating

LI Tao
(Liaoyuan Branch，AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corp.，Hanzhong 723200，China)

During the cadmium plating process，the atoms of hydrogen were penetrated into the steel products and then changed into hydrogen molecules.So the surface problems of blistering，void and pock would be formed if the hydrogen was not removed throughoutly after plating.And then the hydrogen embrittlement failure of aviation products would be caused in the application，and thus the life time of stressed component was greatly reduced.In this paper，by analyzing the processing techniques，practical operation experiences and tension experiment of notch specimen，the prevention measurements and methods for hydrogen embrittlement were found，and had an instruction effect on the cadmium plating.

steel product;Cadmium electroplating;hydrogen evolution;hydrogen embrittlemen;hydrogen removal

TQ153.17

B

1001-3849(2012)08-0034-03

2011-05-13

2012-05-15