钢中氢气对特殊钢性能影响的研究

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钢中氢气对特殊钢性能影响的研究摘要:炼钢过程中,通常会从
大气中带入一些气体,或是反应中产生一些气体,这些都会对钢材性能产生有害影响,成为造成钢材显微缺陷的主要因素。

本文主要通过对特殊钢中的H2的来源、氢脆缺陷的研究,来探讨钢中H2对特殊钢性能的影响并提出相应对策。

中国论文网/2/view-12894878.htm
关键词:特殊钢,氢气,性能,影响
Abstract :Steelmaking process, usually  mix the some g as from
atmosphere,or produce some
 gas from the re action, these will prod uce harmful effects on  steel performance and  cause a 
microscopic defect of t he main factors of&nb sp;steel.This paper 
mainly research from t he source of the&nbsp ;special steel of  hydrogen and hydrogen&nbs p;brittleness defect to discusses steel 
of hydrogen influence  on the performance of  the special 
steel and put forward
 the corresponding cou ntermeasures.
Keywords: Special Steel, hydrogen, performance, research
中图分类号:TQ116.2文献标识码:A 文章编号:
1特殊钢概述
钢铁分为普钢和特钢,与普通钢比较,特殊钢具有更好的强韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。

中国特殊钢包括优质碳素结构钢、弹簧钢、轴承钢、高速工具钢、耐热钢和不锈钢等,通常用在动力设备、飞机的涡轮盘、坦克发动机的曲轴、汽车的发动机等中,承受旋转载荷、反复冲击载荷、高温低温载荷或者在腐蚀环境下工作,因此,对特殊钢的缺陷有着严格的要求,
一旦缺陷超标,将可能发生恶性事故,后果十分严重,因此特殊钢缺陷分析与对策在生产和事故分析中十分重要。

本文只是针对氢气对特殊钢性能的影响作了分析和总结。

2钢中氢的来源
氢气在炉气中的分压很低,因此钢中的氢气的主要来源是炉气中的水蒸气的分压力来决定的。

氢进入钢液的主要途径是:通过废钢表面铁锈;铁合金中的氢气;增碳剂、保温剂、造渣剂、沥青和焦油中的水分;为烤干的钢包、中间包、中注管、钢锭模的喷涂料;连铸结晶器渗水以及大气中的水分与钢水或炉渣作用而进入钢中。

氢在钢中能造成很多严重缺陷,如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓包、焊缝热影响区内的裂缝等。

3氢脆缺陷的研究
如前所述氢在钢中能造成很多严重缺陷,氢脆则最为严重。

氢脆是在应力和过量氢的作用下使金属材料塑性、
韧性下降的一种现象。

3.1几种主要的氢致脆化类型
3.1.1白点
在钢的纵向剖面上,白点呈发纹状。

这种白点在Cr-Ni结构钢的大锻件中最严重。

历史上曾因此造成许多重大事故,因此找出了精炼除气,锻后缓冷或等温退火等方法,以及在钢中加入稀土或其他微量元素使之减弱或消除。

3.1.2氢蚀
如果氢与钢中的碳发生反应,生成甲烷气体,也可以在钢中形成高压,并导致钢材塑性降低,这种现象称为氢蚀。

氢蚀脆化往往沿晶界发展,形成晶粒状端口。

甲烷气泡的形成和积聚到一定的量,需要一定的时间,并且温度越高,孕育期越短。

钢发生氢蚀的温度约为300~500摄氏度,低于200摄氏度时不发生氢蚀。

为了降低钢中的含碳量,减少形成甲烷的碳供应,或加入碳化物形成元素,如钛、钒等,它们形成的稳定碳化物不易分解,可延长氢蚀的孕育期。

3.1.3氢化物致脆
在纯钛、钒、锆、铌及其合金中,氢易形成氢化物使塑性变差、韧性降低,产生脆化。

3.1.4氢致延滞断裂
高强度的钢中含有适量的处于固溶状态的氢,在低于屈服强的应力持续作用下,经过一段孕育期后,在内部,特别是在三向拉力区形成裂纹,并且裂纹逐步扩展,最后会突然发生脆性断裂。

目前工程上所说的氢脆,大多数都是指这类氢脆而言的[3]。

3.2氢脆的影响因素及抑制措施
3.2.1钢铁基体的影响
并不是所有的金属在表面处理过程中都会产生氢脆, 从各种失效报告统计结果和研究数据以及大量的生产实践看, 氢脆主要产生在黑色金属的低合金高强度合金钢(抗拉强度不小于 1 050MPa)、不锈钢及弹性零件上, 其原因许多学者目前看法不尽一致。

弹性紧固件材料的表面缺陷对电镀锌后的氢脆有
严重的影响,如钢板表面轻微裂纹的重叠,斑痕蚀坑的夹杂和超过允许深度的脱碳层,压弯成型不当造成的表面擦划伤,局部应力集中等都会造成不良影响。

基体表面缺陷是电镀过程中原子氢陷阱的主要来源。

3.2.2处理工艺对氢脆的影响
3.2.2.1电镀工艺对氢脆的影响
(1)镀液体系对氢脆的影响及其抑制
电流效率越低,阴极附近氢离子浓度越高,形成阻挡层所需要的时间就越长,渗入基体的氢原子就越多;因此渗氢量的大小与镀液体系密切相关。

对电镀锌镍合金而言,渗氢量最大的是氯化物�C硫酸盐体系,其余依次是碱性体系、氧化锌�C氯化物体系、氨基磺酸盐(作为配位剂)体系和氯化物体系[4]。

实际生产中选择氯化物体系较好,因为其电流效率最高(可达95%以上)[6],阴极析氢量最少,相应渗入到基体的氢就较少。

(2)添加剂对氢脆的影响及其抑制
同一种镀液使用不同的添加剂,渗氢量也是不同的。

添加剂存在的未共用的电子对,与酸性溶液中的H+作用,减少了氢离子与电子结合成原子氢的机会,使渗透到金属中的氢原子减少,从而改善了镀层的氢脆性。

这类添加剂主要是杂环类、醛类及酮类等有机物。

(3)电镀工艺对氢脆的影响及其抑制
钢铁基体表面锌镍合金镀层中的氢要及时去除。

原则上电镀后应尽快除氢,因为镀层中的氢向钢基体内扩散聚集的数量随时间的延长而增加,导致引起氢脆的危险性增大[6]。

3.2.2.2酸洗对氢脆的影响及其抑制
酸洗是零件电镀过程中产生渗氢的主要环节,在酸洗中钢所吸收的氢量与时间的平方根成正比,直至达到饱和。

在pH较低的溶液中,其饱和值较高;而pH较高时,饱和值较低。

另外,氢进入
粗糙表面比进入光滑表面难,因此零件在加工时表面光洁度不必太高。

(1)高强度合金钢、弹性和长期受力零件的氧化皮去除, 严禁用强酸洗, 可采用喷砂、喷丸、液体喷砂或光饰等机械手段。

特别是不能用硫酸洗, 而且使用温度高, 造成工件吸氢可能性增加。

必须进行酸洗时, 应用稀的盐酸, 并加入缓蚀剂和表面活性剂, 一方面减缓酸和基体金属的反应, 减少氢气的生成;
(2)另一方面使生成的氢气易于脱离金属表面, 减少渗入基体的机会。

3.3防止氢脆的主要措施
决定氢脆的因素主要有环境、力学及材料三方面,因此要防止氢脆也要从这三方面制定对策。

(1)环境因素设法使氢不进入或少进入金属中。

例如采用表面涂层,使钢材表面与环境介质隔离,或在介质中加入抑制剂,如向干燥的氢中加入适量的氧气,由于氧原子优先吸附于裂纹顶端阻止氢原子向金属内部扩散,可以有
效地抑制裂纹的扩展。

对于需酸洗和电镀的机件,应制定正确的工艺,防止吸入过量的氢,并在酸洗和电镀后应及时烘烤去氢。

(2)力学因素在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余应力的因素。

采用表面处理,使表面获得残余应力层,对防止氢脆有良好的作用。

适当的加热及机械处理, 对于易产生氢脆的材料, 在表面处理前先进行加热、喷丸或振动等处理, 使工件上的氢气得以逸出, 应力得到充分释放,减少氢脆现象的产生。

加热是镀前处理最常用的除氢方式。

材料种类不同, 加热温度和除氢时间也不同。

一般来说, 温度越高、时间越长, 除氢效果越好。

但是温度过高, 反而不利于氢气的排出。

因此可根据材料的抗拉强度选择合适的除氢温度和时间。

工艺参数见表1, 表中Rm 为抗拉强度。

(3)材料因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢,氢脆敏感性也有较大
影响,一般按下列顺序递增:下贝氏体、回火马氏体或贝氏、球化或正火组织。

细化晶粒可提高抗氢脆能力,冷变形可使氢脆敏感性增大。

因此,正确制定钢的冷热加工工艺,可以提高机件的抗氢脆能力。

目前尚没有一种能够解释所有氢脆现象的理论,不同的理论有各自的不足和优点,氢脆理论还有待深入研究。

以上总结了一些降低氢脆的实际经验,以期能促进和指导实际生产
7 结束语
通过对特殊钢的性能要求及分析可知|:氢气是导致特殊钢中的显微缺陷的主要因素之一,氢脆影响特殊钢的性能,使钢的塑性、韧性下降,所以防止氢脆主要从环境、力学、材料三个方面来着手。

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