氢脆防护技术解读

1.控制氢脆断裂的思路

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一经产生，就消除不了，重在预防。

（氢在承受静载的紧固件中的扩散可以通过氢脆断裂前的延迟时间而直接观察到。由于材料的氢脆倾向、材料中氢的总量、氢的扩散比以及旋加应力水平的不同，氢脆断裂时间延迟的变化很大，从几分钟到几天或几周不等，紧固件处理过程中对氢的吸收是累积性的，单一的某种处理引入零件的氢或许不足以导致氢脆，但多种处理引入零件的氢的累积却有可能导致氢脆）

2.氢脆现象

氢脆：是指氢原子侵入基体材料中而引起的材料延迟失效断裂。它的发生需要满足两个条件：a、金属有较高的含氢量；b、一定的外力作用。

3.氢脆机理

延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。因此,氢脆通常表现为延迟断裂。

4.氢脆形成的环节

第一类主要是由外部环境侵入的氢（外氢）引起的延迟断裂。如裸露在空气表面外壳等连接使用的螺栓、螺母，在潮湿空气、雨水等环境中长期暴露而发生；

第二类酸洗、电镀处理的制造过程中侵入钢中的氢（内氢）引起的延迟断裂。如镀锌螺栓等在加载后，经过几小时或几天的较短时间后而发生。对于前者，一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀，腐蚀坑处腐蚀反应生成的氢侵入而引起的；后者是由于制造过程如酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起的。

热处理

对于高强度螺纹紧固件，尤其是10.9级和12.9级螺钉，不但使用中碳合金结构钢，而且还要进行调质热处理。对于自攻螺钉、自攻锁紧螺钉等，都要求进行浅层渗碳（碳氮共渗）。为了避免加热中螺纹氧化、脱碳，且得到光亮和光洁的表面，采用保护气氛或渗碳气氛，气氛常采用高纯度甲醇经高温催化裂解：CH3OH→CO+2H2，炉内气氛成分H2氢气（64%）、CO二氧化碳（32%）、CO2二氧化碳（﹤1%）、CH4叔碳原子（0.2%）、CH3OH（余量）。在淬火加热和渗碳（碳氮共渗）时，较高的加热温度下，氢很容易渗入工件应力集中的区域（如螺钉头杆结合处）。渗入钢中的氢一般以原子状态存在，但为降低能量，总是与杂质原子、位错、空位、晶粒边界及滑移带等相互作用，并力图结合成氢分子。氢的这一行为对钢的氢脆破坏有重要影响。

电镀酸洗

电镀工艺都有一个共同的前提，必须除去紧固件表面黑色氧化层，使金属具有光亮。为此，就必须对紧固件进行酸洗。酸洗是把紧固件放在稀盐酸中搅动1--10min。酸洗是紧固件电镀过程中产生渗氢作用的主要环节，紧固件在酸洗时存在反应：Fe+2HCl=FeCl2+H2↑。在酸洗中钢所吸收的氢是随时间的越长而成线性增长达到饱和值，在PH值较低的溶液中其饱和值较高，而PH值较高则饱和值较低。

除油

在电镀除油过程中渗氢的环节主要存在于电镀除油中，由于阴极除油的速度较快，多数企业采取阴极和阴阳交替联合除油。但阴极除油过程会产生大量的氢原子，附着在紧固件表面，从而产生渗氢。

电镀过程

如镀锌过程中，阴极上除了锌的沉积外还有氢的析出。因此，镀锌时同时会产生渗氢现象。但由于锌有阻

止氢渗透作用，当紧固件表面沉积一薄层锌后，该镀层将阻碍氢原子向紧固件内部扩散。同理，若紧固件在镀锌前已有渗氢，镀锌后其内部的氢亦不易逸出。

5.调查：

社内80%使用中碳钢，依据2010年IQC线材检验记录：屈服强度：580-620MPa，硬度：210-250HV。

6.社内潜在风险：

线材屈服强度＞620MPa、硬度≥310HV时，钢的屈服点愈高愈容易发生氢脆破坏，即使只含少量的氢气，也可能导致破坏。

材料强度对氢脆敏感性的影响是：随着钢的强度的提高，其变脆指数也升高，而持久强度降低，说明钢的强度越高，对氢脆越敏感越大。

7.改善计划：

热处理改善：

1.渗碳热处理严格控制外协厂甲醇和甲苯的的添加，防止因高纯度甲醇使用经高温催化裂解导致氢渗入工件应力集中的区域。

a.调查现外协热处理厂渗碳工艺甲醇和甲苯的添加量。

b.依据国家与行业标准，试行甲醇和甲苯的添加量的管制。

c.分别各发5批样品进行试样，以不同热处理参数加工部品惊醒性能试验结果，以试验结果作为依据确定管制方法是否有效果，是否纳入寸金要求进行管制

2.热处理去应力内部残余未驱除导致材料脆化甚至开裂。

a.热处理渗碳后回火时间严格要求控制2小时MIN，防止应力内部残余未驱除。（个人分析认为先力得之所以断头发现的概率比宝强高，问题主要出在回火时间上，先力得1小时.宝强两小时，回火的好处：1.回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量，从而减轻发生氢脆的隐患。 2.帮助氢气的逸出）。

a.1发联络函对先力得进行要求其回火时间增加到2小时

a.2实施过程受到阻碍请高层介入协调工作

电镀改善：

1.电镀酸洗：

a.镀前的酸洗和碱洗以及随后的电镀过程中，表面吸收了氢原子，沉积的金属镀层后俘获氢(任何一种酸，都能产生氢，当与钢作用时，都将导致钢的韧性下降。)

a.1在酸洗液中加入缓蚀剂，减少产氢量以及对钢的韧性的影响。

①调查现外协电镀厂酸洗工艺是否添加缓蚀剂，如添加了解品牌.型号.

②寸金提出外协电镀厂酸洗工艺添加缓蚀剂的要求，实施过程中如有厂家不同意或不配合请高层协调处理工作。（行业调查1公升溶液添加2-5克，成本几乎忽略不计）

a.2严格控制电镀电镀酸洗时间最长不可超过5分钟，浓度控制在3%--5%之间。

①品管部作成其要求发出电镀厂，驻厂人员进行监督

2.电镀除氢：

a.1因为镀层中的氢和表层基体金属中的氢在向钢基体内部扩散,其数量随时间的延长而增加。新的国际标准草案规定“最好在镀后1ｈ内,但不迟于2ｈ,除氢温度：200℃，至少烘烤4小时。（150--200℃保温可以排除氢脆，但温度过高，例如，400℃以上，氢在钢中溶解度也增加，氢不再自动从钢中逸出，达不到驱氢的目的。）

3.电镀不良返电控制：

电镀不良返电镀部品不可超过2次，超过2次直接报废处理，除氢时间至少8小时。