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4、用，是一种综合性能优良的结构材料。电镀防护时超高强度钢对氢脆较敏感、使用中又有拉应力存在时便可能发生氢脆，使构件机械性能失效，引发事故。系统分析了超高强度钢铁基体、电镀前处理、电镀工艺、镀后处理及机械磨削等对氢脆的影响，并给出了抑制措施。关键词：超高强度钢 电镀 氢脆 拉应力 抑制1 前言氢脆是一种由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属材料在低于材料屈服强度的静应力作用下发生延迟断裂的现象。当金属零件中含有一定量的氢，同时又存在一定的拉应力（工作应力与残余应力之和）时，则会发生滞后断裂（氢致延迟断裂）。一般情况下，在室温附近金属的氢脆最为敏感。随着航空工业发展，高机动性、大载量型飞机研发制造，
5、高强度钢、超高强度钢在航空制造业中得到广泛应用，飞机的关键、重要受力构件大多选用超高强度钢，但超高强度钢强度增大使得材料韧性降低，随之而来的是对缺口、氢脆及应力腐蚀问题更加敏感。目前采用铬锰硅镍钢系低合金钢。该合金钢强度高、物理性能也较好，但抗氢脆性能较差，表面处理防护后极易出现氢脆现象。氢致延迟断裂问题，它是一种廷迟破坏，高强度钢的延迟破坏所造成的事故已成为危及飞机飞行安全的严重问题。氢脆现象往往在结构处于低于正常设计载荷下突然发生断裂。因此氢脆断裂是难以预测的。但通过分析氢致延迟断裂现象的原因，在超高强度钢构件制造过程中加以控制，又是可以预防的。2 氢的来源和氢脆产生2.1 氢的来源(1)
6、任何电镀溶液中，不论ph值高低，水分子的离解，总会存在一定量的氢离子。因此，当金属在阴极析出时，往往伴有氢气的析出。(2)阴极电解除油时，有下列反应发生2h2o+2e=h2+2oh-从上述反应可以看出，阴极电解除油时也有氢气产生。(3)钢铁零件在酸侵蚀时，除去了氧化膜的溶液，基体金属同样也能与酸发生反应而放出氢气：fe+2hcl=fecl2+h2综上所述，零件在电镀、阴极电解除油和酸洗等过程中都回产生氢气。2.2 氢脆的产生氢脆是由于渗氢产生的内应力在外部拉应力作用下应力释放所产生的。金属渗氢产生氢脆的现象取决于氢向金属内扩散的过程和金属吸附或者夹带氢的能力氢并不能以分子状态渗入金属基体中，只
7、能以电离状态既质子状态溶解和扩散进入固态钢的晶格。渗入的氢从镀层中逸出，会导致镀层收缩、产生张应力；氢向底层或基体中扩散，会导致基体或底镀层膨胀，底镀层产生应力而镀层本身收缩，则产生张应力；如果在电镀过程中形成空穴，随后基体或底镀层中渗入的氢扩散入空穴，产生很大的压力，则底镀层产生张应力，而镀层产生压应力。3 氢脆的影响因素及抑制措施3.1 超高强度钢基体的影响超高强度该钢在30crmnsia高强度钢的基础上提高了锰和铬含量，并添加了140180(质量分数)的镍，使其淬透性得到明显提高，改善了钢的韧性和回火稳定性；经热处理后可获得高的强度、塑性和韧性，良好的抗疲劳性能和断裂韧度，低的疲劳裂纹扩
8、展速率，因而适宜制造高强度连接件、轴类零件以及起落架等重要受力结构件，但该钢对缺口和氢脆较强敏感性。金属元素吸氢的能力是不同的，实验证明，金属吸氢能力一次是pbticrmnfeconiznsncu,而超高强度钢恰恰含有上面的多种元素，因此只要环境中有氢原子，超高强度钢就有可能吸入氢。由于冶炼、机械加工、热处理等引起超高强度钢构件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，局部应力集中这些现象都会提高电镀氢脆产生的几率。基体表面缺陷是电镀过程中原子氢陷阱的主要来源。在局部应力集中处，阴极产生的氢原子自由能较低，极易附着在阴极上渗透进入基体。防止上述现象
9、要从冶炼着手采用干料，或进一步采用真空处理或真空冶炼，焊接时采用低氢焊条；另一方是进行排氢处理，如低合金结构钢锻件的冷却要缓慢以防止氢致开裂(白点)，低合金结构钢焊接时一般要焊前预热、焊后烘烤。避免夹杂和晶格缺陷，减少发生触氢几率，电镀前要消除机械加工时和热处理过程中在超高强度钢构件上产生的残余应力。3.2 镀前处理对氢脆的影响3.2.1 超高强度钢镀前基体应力对氢脆的影响及其消除以30crmnsini2a为列，淬火后在低温回火状态使用，回火马氏体组织对氢脆的敏感性比较大，在电镀前经过吹沙、喷丸、机械超精等工序时构件基体带有残余压应力，当残余局部压应力较大时候，电镀后会产生局部综合拉应力，氢致
10、延迟开裂创造了必要的应力条件，此在镀前要进行消除应力。确定镀前消除应力的温度，一般的原则是较其最低回火温度低2030，美国军标规定为(190?0)时间为4h，iso规定为200230时间为4h，其他表面处理件为(191?4) 4h，渗碳、磷化、表面淬火件为140?薄妫?h。但对于超高强度钢构件消除应力时间根据设计强度延长消除应力时间，一般为8h-24h。3.2.2 侵蚀对超高强度钢氢脆的影响及其消除侵蚀（活化）利用酸的腐蚀性，将构件表面锈蚀、氧化膜溶解和剥离掉及去除部分油污，是提高镀层结合力的因素之一。侵蚀是电镀过程中产生渗氢的环节之一，在侵蚀（活化）中钢所吸收的氢量与时间的平方根成正比，直至
11、达到饱和状态。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，因为粗糙表面上有促进原子氢转变为氢分子的活性点，因此在构件表面光洁度要求不高，尽量采用吹砂；若采用酸洗，需在酸洗液中添加若干缓蚀剂。但对于超高强度材料构件严禁使用强酸侵蚀，其表面氧化皮采用吹沙、机械抛光或喷丸等无氢方法去处。对于电镀前活化工序时，要采用弱酸同时要添加缓冲剂时间尽量短，若是在电镀工艺允许情况下最好采用阳极腐蚀作为活化工序。3.2.3 除油对超高强度钢氢脆的影响及其消除电镀除油方法有：有机溶剂除油；化学除油；蒸汽除油和电化学除油。前三种方法则渗氢量较少，电化学除油主要依靠
12、阴阳两极反应析出气体对零件表面溶液进行搅拌，从而促进油污脱离零件表面，同时零件表面的溶液不断地得到更换，加速皂化和乳化作用而将油污去除。阴极析氢阳极析出氧，阴极除油效率高，气泡小，数量多，但构件会渗氢。对于超高强度钢构件不允许阴极电解除油的，可选用前三种除油方式加阳极电解除油来保证被镀构件表面皂化性油和非皂化性油去除。3.3 超高强度钢电镀液对氢脆的影响及其抑制3.3.1 采用低氢脆镀液氢渗透受氢的浓度和镀层的阻挡作用所控制。电流效率越低，阴极析氢越严重，形成阻挡层所需要的时间就越长，渗入基体的氢就越多。超高强度钢防护性镀层尽量选用低氢镀液，例如镀镉钛(镀层含钛量为0.10.7)。能使引起氢脆
13、的初生氢减到及少量。特殊镀镉镀层多孔，氢原子容易脱附生氢分子被排除，对镀后除氢提供有利条件。3.3.2 高氢镀液氢脆的影响及其抑制除了防护性镀层外，超高强度钢电镀防护涉及到功能性镀层，选取高氢镀液，例如镀硬铬。电镀初期铬离子不能快速在金属基体表面还原析出铬原子来阻挡出生氢，氢渗入基体较多。镀铬过程中电流效率低其副反应析氢严重，电镀后铬镀层在自然界中易于钝化形成致密膜层对于除氢时氢的排出及其不利。构件尽量采取局部镀铬和一级镀铬（成品电镀），同时要在构件根部、转角、变径和镀层边缘区留有3mm-10mm非镀铬区，减少镀铬后应力集中现象发生。对于局部镀铬构件，非镀铬区域应采取低氢电镀，电镀时应将镀铬区
14、加以保护绝缘，其它金属不能在铬层表面上沉积，副反应吸氢严重，氢离子浓度较高，易发生渗氢进入铬镀层中。3.3.3 镀层厚度对氢脆的影响及其抑制电镀时间与镀层厚度成正比，时间越长副反应产生的氢离子浓度越高，所以尽量采取一级电镀。功能性镀层多采取的是二级电镀（加大电镀后由机械加磨削至成品），例如飞机起落架杆、轮轴、定位螺栓等镀铬构件。镀铬效率低电镀时间长（5h-8h）才能达到镀层厚度要求（100 m-180 m），电镀实践生产中由于尖端效应和边缘效应，镀铬区与非镀铬区临界边部铬层是中心部位1-2倍，临界部位一般是构件根部、转角、变径应力集中区。超高强度钢的疲劳强度，随镀铬层厚度的增加而降低，当铬层
15、达到200 m时，疲劳强度降低30左右，影响构件质量。镀铬层越厚，氢渗入到基体金属也越深，因此在这些区域做好辅助阴极较少电力线过于集中现象。同时对二级电镀镀层厚度要规定上限值，防止镀层过厚。不可为了获得均匀镀层将构件全部电镀后，再将非电镀区镀层去除方法。3.3.4 镀液工艺参数对氢脆的影响电流密度，当提高电流密度时加快氢离子得电析出，因此渗氢会随着电流密度升高而增加。但随着电流密度增大，阴极表面能快速形成一层疏松多孔镀层，减短出生氢时间，有利于氢的析出。电镀时一般要冲镀1min-5min。溶液的温度，一般电镀液随着温度升高析氢越少，但电流效率越低。溶液ph值，ph值越高含氢离子越多易渗氢。3.
16、4 镀后处理对氢脆的影响及其抑制3.4.1 除氢处理高强度钢电镀后必须进行除氢处理，镀层为cr、zn、cd、ni、sn、pb时，渗入构件的氢易残留下来；而cu、mo、al、ag、au、w等镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度，渗氢较少。渗入的氢多存在于镀层内或镀层与基体边境，随时问延长，氢将向基体渗入。原则上电镀后应尽快除氢，国标规定：最好在镀后1 h内或不迟于3 h进行除氢处理。但实践生产中由于拆卸非电镀区绝缘保护和镀件挂具，以及烘箱从室温升值所需温度都需要一定时间，电镀完成后一般需要2h-3h才能达到保温温度。不能为减少除氢间隔时间提前将除氢设备加热至保温温度，对镀层结合力有很大影响。除氢温度越
17、高越好，但不能高于回火温度，现在还有一种理论当温度到达400氢不再逸出。时间越长越好，第一小时除氢效率最高能达到70，随着时间延长效率越来越低。渗入氢虽然可逆，但不可能完全去除的，一般达到2ppm即可。高强度钢除氢时还应该注意如下几点：(1)构件放入除氢设备前，应对装载量进行计算，不能超载。(2)构件放置时，注意不能与箱壁接触，不能阻挡风道。构件在箱内因均匀摆放，以保证温度的均匀性。(3)构件的几何形状复杂，带有容易产生应力集中的缺口、小角度、变径等细小、较薄的构件应须延长除氢时间。(4)除氢前必须保持镀层表面清洁，防护性镀层在除氢后再进行钝化和老化处理，以保证除氢效果和钝化层的质量。(5)除
18、氢保温时间应连续，不可中间间断。要有升降温曲线。3.4.2 超高强度钢镀层返修氢脆影响超高强度钢构件电镀后尽量不要返工。如镀层不能挽救需要再次电镀，要使用碱性溶液退掉镀层，只能返修一次，并在构件上做返修标记，电镀后延长除氢时间。3.5机械加工对氢脆的影响及其抑制超高强度钢采用二级电镀后，需对镀层进行磨削达到成品尺寸，镀层的残余拉应力主要来源于此，磨削进给量越大，残余拉应力水平越高,正是这种应力存在为氢致延迟开裂创造了必须得应力条件，这种应力大小也是氢脆开裂的主要决定因素。适当控制镀层厚度，减少磨削量，严格控制镀层磨削加工的进给量，特别注意由于镀层厚度不均匀造成的局部进给量过大问题，可增加后续的
19、去应力回火。对有些构件需在镀层上开孔或扩孔时，应更变设计将此区域设为非功能性电镀区。4 结语对于高强度钢来说，在一定的应力水平下1ppm的氢含量也可能导致氢致延迟开裂，单纯从氢含量上控制氢脆问题是非常困难的，因此对于防护性镀层应采用无氢电镀，例如真空镀、离子镀等。对于功能性防护镀层，目前还没有更好方法来取代，期待有新的电镀配方出现。参考文献：1 helmut下,jonathan m.sofcstoo hot to handlej.americanceramic society bulletin,2004,83(7):12-152 贾玉平.铬锰硅钢的氢脆及防止措施j.桂航学术研究,1997(z1
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