高強度緊固件電鍍中的氫脆問題分析

楊智清 曹玲玲

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

電鍍表面處理由于工藝成熟和成本可控，成為緊固件常用的一類表面處理方式，如鍍鋅、鍍銅、鍍鋅鎳、鍍鋅鐵、鍍鉻等。但是近年來，在汽車和其他各類機械設(shè)備多次發(fā)現(xiàn)表面電鍍的緊固件（尤其是高強度緊固件）存在氫脆的質(zhì)量風險。氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲斷裂，是電鍍過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種破壞現(xiàn)象。由于氫原子擴散需要時間，而斷裂瞬時發(fā)生，事先毫無征兆，一旦發(fā)生氫脆斷裂，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，而且還會對人們的生產(chǎn)生活造成巨大危害?；诖?，文章探討了相應(yīng)的預防措施和控制方法。

1 氫脆的機理

1.1 主要理論

目前普遍認為氫脆發(fā)生的主要理論有4種。

1）高壓氫氣理論。在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷附近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋。

2）晶格脆化理論。某些金屬與氫有較大的親和力，過飽和氫與這種金屬原子易結(jié)合生成氫化物，或在外力作用下，應(yīng)力集中區(qū)聚集的高濃度的氫與該種金屬原子結(jié)合生成氫化物。氫化物是一種脆性相組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導致脆性斷裂。

3）錯位理論。按一定規(guī)則周期性排列的晶格中發(fā)生原子錯位，氫原子易于聚集在位錯附近。在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴散或跟隨位錯向應(yīng)力集中區(qū)域運動。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰@樣在高氫區(qū)會生出裂紋并擴展，導致脆斷。

4）氫表面吸附理論。在晶體中存在著很多的微裂紋，氫向裂紋聚集時吸附在裂紋表面，使表面能降低，因此裂紋容易擴展[1-2]。

1.2 產(chǎn)生原因

由于材料性能、加工工藝、服役環(huán)境及受力狀態(tài)不同，氫脆斷裂在工程上的表現(xiàn)有較大差異。根據(jù)引起氫脆的氫之來源不同，氫脆可分成兩大類：一類為內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接、電鍍或酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；第2類氫脆稱為環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其他含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆[3]。

1.3 電鍍過程中氫的來源

在電鍍前清洗時，通常采用酸洗除銹和氧化皮，酸洗溶液中含有氫；電鍍過程中，作為陰極的被鍍零件在獲得鍍層的同時在零件金屬內(nèi)部也滲入了氫；不同基體的材料，陰極滲氫程度也不同，如Pd＞Ti＞Cr＞Mn等。由此可見，電鍍中高強度緊固件的氫脆問題主要來自內(nèi)部。

1.4 氫脆常見的破壞位置

螺栓頭桿結(jié)合部位是常見的氫脆破壞位置，斷口常常像刀劈一樣，如圖1所示。氫脆破壞總是發(fā)生在應(yīng)力集中最大處。如果螺栓完全擰緊，破壞通常是在螺栓頭與桿體結(jié)合處；如果在螺栓安裝中有直線度超差或彎曲，破壞將很可能出現(xiàn)在螺紋嚙合處。

圖1 螺栓氫脆常見的破壞位置

2 高強度緊固件的氫脆檢查方法

抗拉強度高于1 000 MPa的螺栓、螺釘和螺柱，芯部硬度為270～370 HV、最低表面硬度為0.3 kg力載荷下450 HV的自攻、自擠螺釘，硬度大于40 HRC的彈性墊圈等高強度緊固件都存在發(fā)生氫脆的風險。氫脆問題不可避免，而且從其產(chǎn)生的機理來看，沒有一種合適的方法來判斷是否存在氫脆風險。文章參考GB/T 3098.17提供的平行支承面法，對制造過程中工藝狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)的差異和變化進行評估，探討高強度緊固件的氫脆檢查方法。

2.1 螺栓類緊固件的氫脆檢查方法

預載荷試驗應(yīng)在適當?shù)脑囼瀶A具上進行，如圖2和圖3所示。緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點以內(nèi)，或者處在破壞扭矩的范圍內(nèi)。扭矩既可通過匹配螺母（或螺栓）施加，也可通過轉(zhuǎn)動攻有螺紋的鋼板施加，保證相應(yīng)緊固件所需應(yīng)力處于其屈服點內(nèi)；也允許采用在破壞扭矩范圍內(nèi)的其他加載方法和夾具。該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持48 h以上。每隔24 h應(yīng)將緊固件再擰緊到初始應(yīng)力或扭矩，同時檢查緊固件是否因氫脆已發(fā)生破壞。

圖2 普通螺栓類緊固件用試驗夾具

圖3 無平支承面的緊固件用試驗夾具

2.2 自攻自擠類緊固件的氫脆檢查方法

預載荷試驗方法同2.1節(jié)，相關(guān)試驗夾具是一塊鋼板。螺釘頭下可用一個硬度等級為300 HV的墊圈，以保護鋼板。鋼板的最小厚度為1d，其他的所有要求均與對螺栓、螺釘和螺柱的要求相同。圖4示出自攻、自擠類緊固件用的試驗夾具。

圖4 自攻和自擠類緊固件用試驗夾具

2.3 墊圈類緊固件的氫脆檢查方法

將若干個彈簧墊圈試件裝到螺紋公稱直徑與彈簧墊圈公稱直徑相同的螺栓上。用平墊圈將各彈簧墊圈試件相互隔開。平墊圈的硬度應(yīng)大于彈簧墊圈試件的硬度，且其最低硬度為40 HRC。錐形彈性墊圈應(yīng)成對試驗，將組裝件擰緊，直至將彈簧（性）墊圈試件完全壓平。圖5示出墊圈類緊固件用的試驗夾具。

圖5 墊圈類緊固件用試驗夾具

3 預防氫脆的若干技術(shù)途徑

由于電鍍過程滲氫造成的氫脆問題不可避免，所以對于對氫脆敏感的高強度緊固件，需對其過程工藝包含電鍍過程進行嚴格控制，以最大程度降低氫脆發(fā)生的風險。

3.1 電鍍件嚴格按標準要求及時驅(qū)氫

高強度緊固件在電鍍后2 h內(nèi)需及時進行驅(qū)氫處理。根據(jù)材質(zhì)及鍍層的不同，驅(qū)氫工藝也不同，例如：普通電鍍鋅的低碳合金鋼緊固件的驅(qū)氫烘烤溫度為190～210℃，烘烤時長為4～24 h。其目的是通過加強氫原子的熱運動，使聚集于材料表面的氫原子從工件表面逸出或在內(nèi)部擴散，降低局部濃度，減輕氫原子的聚集，以防止氫脆斷裂。

需要注意的是，驅(qū)氫處理并不能使氫原子全部逸出工件表面，氫原子向金屬內(nèi)部擴散需要的能量比較小，而向外擴散要克服表面能和金屬鍍層的阻礙，所以逸出表面的氫原子只是一部分，驅(qū)氫只能減輕而不能徹底消除氫脆風險。另外，如果對對氫脆敏感的高強度緊固件進行重復電鍍，盡管每次電鍍后都嚴格執(zhí)行驅(qū)氫工藝，但氫原子在材料內(nèi)部會逐漸累積，其氫脆的風險也會越來越高，所以具有氫脆傾向的高強度緊固件不允許多次電鍍。

3.2 表面處理時充分考慮防氫脆措施

對于高強度緊固件，應(yīng)盡量避免采用滲氫嚴重的表面處理工藝，如電鍍鋅、強酸洗、電化學陰極除油以及陰極、陽極交替除油等表面處理工藝。高強度緊固件除油時可用陽極電解除油；為去除緊固件表面氧化皮進行酸洗時，應(yīng)盡量采用稀釋的鹽酸并加入緩蝕劑和表面活性劑，嚴禁用強酸洗，同時可研究采用噴砂、噴丸及液體噴砂等機械手段代替酸洗；電鍍過程中使用的電流密度、溶液溫度和pH值對材料滲氫量均有影響，可以考慮降低電流密度，使沉積金屬的電流效率下降，從而減少吸附氫原子的覆蓋率，滲氫的程度也會相應(yīng)減少。

3.3 其他預防氫脆的措施

除了在電鍍過程中減少接觸氫的機會以及嚴格執(zhí)行驅(qū)氫工藝之外，還可以通過選擇無氫脆風險的涂覆表面處理方式，如機械鍍鋅、粉末滲鋅及鋅鋁涂層等。此外，還可以通過優(yōu)選高強度、高韌性及抗延遲斷裂性能好的材料來降低高強度緊固件發(fā)生氫脆的風險。

4 結(jié)論

為了避免由電鍍工藝導致的氫脆破壞問題，緊固件制造商都在尋找避免氫脆問題的方法，包括采用低氫清洗和低氫電鍍，其目的是減少接觸氫氣的機會。設(shè)計上要充分考慮材料強度對氫脆敏感性的影響，盡量降低其強度水平；在加工過程中，應(yīng)盡可能避免在零件表面產(chǎn)生機械損傷；要采用低氫脆電鍍工藝，必要時采用無氫脆的鋅鋁涂層等防腐表面處理方法；電鍍后要采用合理的驅(qū)氫工藝，進行嚴格除氫處理。

目前，氫脆問題雖然不能被完全消除，但隨著新材料的研發(fā)，低成本的表面處理替代方案或許是徹底解決該問題的突破口。