李　博

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

控制超高強度鋼零件電鍍滲氫，預防氫脆發(fā)生的方法

李博

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：超高強度鋼是一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，氫脆敏感性高。零件的電鍍過程極易發(fā)生滲氫，可導致氫脆延遲性斷裂，引發(fā)事故。對電鍍過程滲氫的主要環(huán)節(jié)(前處理、電鍍過程及后處理等)進行分析、研究，總結(jié)出了控制滲氫，防止氫脆發(fā)生的實用、有效方法；對氫脆試驗方法作了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：高強度鋼；電鍍；滲氫；氫脆；控制；方法

氫脆是一種由于氫滲入金屬內(nèi)部導致?lián)p傷，從而使金屬材料在低于材料屈服強度的靜應力作用下發(fā)生延遲斷裂的現(xiàn)象[1]。氫脆一旦產(chǎn)生，就無法消除，所以重在預防、控制。研究表明，高強度鋼發(fā)生氫脆斷裂需同時滿足3個條件：1)具有相當高的強度水平；2)含氫超過某一最低值，且氫能通過鋼自由擴散；3)承受超過某一最低值的靜載荷應力[2]。從材料本身的性能來看，強度越高，氫脆敏感性越大，發(fā)生氫脆的可能性越大。本文結(jié)合解決某型起落架300M鋼活塞桿鍍鎘鈦后花盤發(fā)生氫脆性開裂(見圖1)問題，對超高強度鋼零件電鍍過程滲氫的主要環(huán)節(jié)進行分析，提出切實可行的控制方法，防止了氫脆的發(fā)生，保證了零件的電鍍質(zhì)量。

圖1　花盤孔氫脆性開裂

1電鍍滲氫的主要環(huán)節(jié)

某型起落架300M鋼活塞桿采用的電鍍工藝為鍍硬鉻和鍍鎘鈦。工藝流程為：鍍前驗收→消除應力→除油→吹砂→水洗→裝掛和保護→除油→水洗→鍍硬鉻→除氫→裝掛和保護→除油→酸腐蝕→水洗→鍍鎘鈦→除氫→活化→水洗→出光→水洗→鈍化。

1.1鍍前處理

鍍前處理一般包括消除應力、吹砂、除油和酸腐蝕(活化)等工序，但只有除油和酸腐蝕可能發(fā)生滲氫。

1)除油。常用有機溶劑除油、蒸汽除油、化學除油和電化學除油。有機溶劑除油、蒸汽除油和化學除油滲氫量較少。電化學除油主要依靠陰、陽兩極發(fā)生的電化學反應，陰極析出氫，陽極析出氧。陰極除油效率高，氣泡小，數(shù)量多，鍍件容易滲氫；陽極除油效率低，氣泡大，數(shù)量少，但鍍件不容易滲氫。

2)酸腐蝕。酸腐蝕是去除零件表面氧化物及部分油污，提高鍍層結(jié)合力的主要手段。酸腐蝕時常伴隨Fe+2H+= Fe2++H2↑反應發(fā)生，它是高強度鋼零件電鍍滲氫的主要環(huán)節(jié)。

1.2電鍍過程

電鍍時零件為陰極，發(fā)生主反應 Mn++ne→M，同時一定伴隨副反應 H++e→H，H+H→H2↑或(H3O)++e→H+H2O的發(fā)生，因此氫的滲入是不可避免的。

1)鍍液體系。在不同性質(zhì)的槽液中電鍍，零件的滲氫程度不同。一般而言，溶液的 pH值越小，含氫離子越多，零件越易滲氫。另外，生產(chǎn)實踐表明，有機雜質(zhì)對松孔鍍鎘、鍍鎘鈦槽液的氫脆性影響較大。

2)添加劑。同一種鍍液使用不同的添加劑，滲氫量也是不同的。某些添加劑的中心原子有未共用的電子對，能與酸性溶液中的質(zhì)子H+配位，形成帶正電的陽離子。這種陽離子被吸附在金屬表面的陰極區(qū)，阻止溶液中氫離子進一步接近陰極金屬，提高了氫離子放電的活化能，減少了氫離子與電子結(jié)合成原子氫的機會，使?jié)B透到金屬中的氫原子減少，從而改善了鍍層的氫脆性。這類添加劑主要是雜環(huán)類、醛類及酮類等有機物。

3)工藝參數(shù)。電鍍的工藝參數(shù)主要包括電流密度、溫度和時間。在相同的電鍍?nèi)芤褐?，電流密度越大越有利于氫離子得電子，導致滲氫量增加；但大電流密度會促使零件表面快速生成一薄層疏松多孔的鍍層，有利于氫的析出。電鍍一般隨著槽液溫度的升高，析氫量減少，電流效率降低，陰極附近氫離子形成阻擋層所需要的時間就越長，滲入基體的氫原子就越多。電鍍時間越長，滲氫量越大。

4)鍍層厚度。鍍層越厚電鍍所需的時間就越長，副反應產(chǎn)生的氫離子越多，越易滲氫；同時鍍層越厚，越不利于滲入氫的逸出。

1.3后處理

后處理一般包括除氫、鈍化等工序。除氫是通過加溫將滲入到零件基體或鍍層中的氫原子驅(qū)散出去，進而減少氫原子結(jié)合成氫分子的機會，達到控制滲氫的目的。鈍化及鈍化的前處理活化、出光工序均在酸性溶液中進行，滲氫不可避免。

1.4鍍層返修

鍍層返修中的補鍍或退除鍍層重新電鍍會產(chǎn)生滲氫現(xiàn)象。

2控制電鍍過程滲氫，預防氫脆的做法

2.1前處理

1)消除應力。為減少超高強度鋼零件在機械加工、磨削、冷成形和冷矯正等工序產(chǎn)生的殘余應力，并防止鍍覆時開裂，鍍覆前均要求消除應力，溫度為190±10 ℃，時間≥4 h。

2)除油。對超高強度鋼零件不允許陰極電化學除油，可選用有機溶劑除油、蒸汽除油和化學除油加陽極電化學除油的方式進行。生產(chǎn)中，一般選用大電流密度及時間≤5 min的電化學除油，效果最佳。

3)酸腐蝕。超高強度鋼零件不允許用強酸溶液進行表面活化、清理，表面氧化皮的清理一般采用噴砂方法。若要進行酸腐蝕，一般采用弱酸溶液或在稀強酸溶液中添加緩蝕劑形成的混合溶液，并且嚴格控制腐蝕時間。

2.2電鍍過程

1)鍍液體系。對超高強度鋼的防護選用低氫脆鍍層鍍液體系。例如：鍍鎘鈦(鍍層含鈦量為0.1%～0.7%)代替普通鍍鎘，能使引起氫脆的初生氫大大減少；松孔鎘代替普通鍍鎘，其鍍層多孔，有利于氫的逸出。另外，控制鍍液pH值(例如，鍍鎘鈦溶液pH控制為6～7)，加強槽液維護，定期過濾槽液，濾除混入的有機雜質(zhì),均能預防氫脆的發(fā)生。

2)添加劑。根據(jù)鍍液的不同，有針對性的選擇雜環(huán)類、醛類及酮類等有機物添加劑，可有效控制零件電鍍時的滲氫。

3)工藝參數(shù)。同一種鍍液體系，選用不同的工藝參數(shù)得到的鍍層性質(zhì)也不同。例如，在組分為氰化鈉、氧化鎘和碳酸鈉的鍍鎘溶液中，在17～33 ℃的溫度下，電流密度為6.5～8.5 A/dm2時，電鍍即為低氫脆鎘，電流密度為1.5～2 A/dm2時，電鍍卻為普通鎘。另外，在電鍍開始時，采用正常電流密度的1.5～2倍的大電流沖擊電鍍30～90 s，有利于在陰極表面迅速形成覆蓋層，能有效阻止氫原子的滲透。

4)鍍層厚度。在滿足圖樣或數(shù)模要求的情況下，電鍍時嚴格控制鍍層厚度，一般不允許加大電鍍。

2.3后處理及返修

1)除氫。超高強度鋼電鍍后應盡快除氫，因為鍍層中的氫向鋼基體內(nèi)擴散聚集的數(shù)量隨時間的延長而增加，導致引起氫脆的危險性增大[3]。電鍍距除氫的時間間隔越短越好，最長≤4 h。超高強度鋼零件鍍鉻、鍍鎘鈦后除氫要求溫度為190±10 ℃，時間≥12 h。

2)返修。對不合格鍍層需要退除返修時，應先除氫，退除后再除氫，并嚴格限制返修≤3次。

3控制氫脆的試驗方法

生產(chǎn)上控制氫脆的試驗方法有缺口拉伸試驗和測氫儀法。

1)缺口拉伸試驗。選用符合HB 5067.1要求的試樣(見圖2)，材料為300M鋼，數(shù)量為4根；對電鍍后的缺口拉伸試樣加載200 h，檢查其是否斷裂，判斷氫脆性是否合格。優(yōu)點：準確性高；缺點：周期較長，及時性差。

圖2　缺口拉力試棒

2) 測氫儀法。測氫儀是一種測量電鍍時氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器，在2 h內(nèi)就能斷定槽液氫脆性是否合格，電鍍產(chǎn)品是否可接受。優(yōu)點是周期短，及時性好；缺點是準確性差。

當上述兩種試驗方法發(fā)生沖突時，以缺口拉伸試驗方法為準。

4結(jié)語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

1)電鍍過程中零件的滲氫是不可避免的，但通過控制前處理、優(yōu)選槽液、優(yōu)化工藝參數(shù)、嚴格除氫及加強槽液維護等方法的實施，能夠達到控制的目的。

2)控制超高強度鋼零件電鍍過程滲氫是從源頭上預防零件服役過程中發(fā)生氫脆性斷裂、引發(fā)事故的最直接和最根本的方法。

3)控制氫脆的試驗方法簡便、易行。生產(chǎn)中若能付諸實施，對預防氫脆的發(fā)生定能起到積極的作用。

參考文獻

[1] 宣曉東.高強度鋼的表面防護及氫脆問題[J].電鍍與精飾,1998,20 (3):27-29.

[2] 徐德明，劉穎.金屬腐蝕與防護標準手冊[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1996.

[3] 商紅武，安茂忠，楊培霞.電鍍過程中氫脆的產(chǎn)生及其抑制措施[J].電鍍與涂飾,2008,27(12):4-7.

責任編輯彭光宇

Method for Controlling Electroplating Absorption Hydrogen of Ultrahigh-strength

Steels to Prevent Hydrogen Embrittlement

LI Bo

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corp.Ltd., Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

Abstract：Ultrahigh-strength steel is a kind of structural material of premium properties, and its sensitivity of hydrogen embrittlement is high. The electroplating process of the part is very easy to cause absorption hydrogen, and it may result in hydrogen embrittlement delay fracture in use with accident. By analyzing and researching main factor-preprocessing affected absorption hydrogen of electroplating process, electroplating process, and postplating etc, summarize a practical and valid method that controls absorption hydrogen of electroplating process to prevent hydrogen embrittlement. Make a brief introduction to test method for hydrogen embrittlement.

Key words:ultrahigh-strength steels，electroplating，absorption hydrogen，hydrogen embrittlement，controlling，methods

收稿日期：2015-01-16

作者簡介：李博(1969-)，男，高級工程師，主要從事飛機起落架表面處理工藝等方面的研究。

中圖分類號：TQ 153.11

文獻標志碼:B