周志強，茍曼曼，周承銳，李田功

（中車永濟電機有限公司，山西永濟044502）

1 概況

動車電機吊掛處蝶（錐）形墊圈斷裂失效，會對動車行車安全構成嚴重威脅。氫脆斷裂為斷裂失效方式之一。氫脆現(xiàn)象是指溶于鋼種的氫，聚合為氫分子，在鋼內部形成細小的裂紋，造成應力集中，超過鋼的強度極限，又稱白氫脆現(xiàn)象點。動車電機吊掛處蝶（錐）形墊圈所用材料為65Mn，為了分析該65Mn蝶（錐）形墊圈氫脆斷裂機理，首先對蝶形墊圈的不同制造工藝及引起墊圈斷裂的因素做簡要分析，以便更好地分析氫脆斷裂氫的來源及其氫脆斷裂機理。根據(jù)鋼件吸氫原理，在零件制作過程的選材，制作工序，加工方法和如何去氫等方面給出方向和方法，以減少氫致開裂造成的重大損失，保證動車的運行安全。

1.1 失效鋼墊片外形圖貌

失效鋼墊片外形圖貌以及裂紋情況如圖1所示。

1.2 墊片材料及性能

墊片材料為GB65Mn，化學成分如表1所示。機械性能見表2.

圖1 失效墊圈實物照片

表1 GB65Mn材料成分（質量分數(shù)，%）

表2 GB65Mn材料機械性能

1.3 鋼件墊片制作工藝流程

鋼件墊片制作工藝流程為：

淬火+回火——化學除油——熱水洗——水洗——電解除油——熱水洗——水洗——酸洗——水洗——電鍍鋅鐵合金——水洗——水洗——出光——鈍化——水洗——干燥。

2 鋼件墊片氫脆開裂原因分析

2.1 氫的來源分析

通常情況下，隨著硬度的提高、冷作硬化程度的增加和鋼零件的含碳量和P、S、Sn、As有害元素的增加，在酸洗和電鍍過程中，氫的溶解度和因此產生的吸收氫的總量也將增加。加工、轉序運輸貯存不當、服役環(huán)境惡劣等也可能存在滲氫的可能，但這種影響通常不足以引起氫脆開裂失效。因此，氫脆中的氫主要來源于酸洗和電鍍。

2.1.1 酸洗

從電鍍工藝中可以看出，電鍍之前墊圈必須經(jīng)過酸洗，在酸洗過程中墊圈除了表層氧化物與酸發(fā)生化學反應外，Sn、Pb等金屬也會和酸反應，產生的氫會大量進入金屬中，而酸洗液的成分、酸洗溫度、酸洗時間以及合金成分等都能影響氫含量，酸洗液的成分應盡量采用稀釋過的鹽酸并添加緩蝕劑和表面活性劑，來減少酸液對金屬的腐蝕。控制酸洗的溫度，在高溫的氫環(huán)境下，會產生高溫氫腐蝕。酸洗的時間要嚴格控制，鋼件長時間與腐蝕液接觸，導致電化學腐蝕的發(fā)生，而使氫原子侵入鋼件。尤其嚴禁使用強酸和陰極除油法。強酸對金屬有強烈腐蝕作用，破壞金屬表面光潔度，做為陰極在電化學腐蝕反應中有氫析出，部分原子氫進入鋼材料內部使局部氫富集。

2.1.2 電鍍電化學反應

電鍍的同時也存在析氫過程，因此電鍍后在鍍層中和墊圈內部將含有大量的氫。電鍍鋅時，在墊圈（陰極）上首先析出的不是鋅而是一種不穩(wěn)定的氫化物，其中一部分分解成原子氫進入墊圈內。

2.1.3 除氫不徹底

雖然墊圈在鍍鋅后都要進行除氫處理，但除氫工藝有偏差，殘留氫超標，則有造成氫脆的可能。除氫的工藝溫度、保溫時間和最佳除氫時機很關鍵。

時間短溫度低，氫不能去除徹底；電鍍后超過1 h～2 h氫已侵入基體深處，也難以徹底去除。通常推薦的保溫溫度為（190±10）℃.溫度過高會破壞鍍層，也會使硬度降低，溫度過低氫不能溢出。一般去氫保溫超過4 h～6 h后殘余氫含量降低緩慢，超過12 h基本不變。所以傳統(tǒng)電鍍和熱鍍鋅后殘留氫是必然的，只是要控制在安全合理的范圍之內，即一般控制在（5～10）×10-6以下.

另有文獻表明[6]：采用有效的驅氫工序驅散滲氫，可以減少氫脆應力。驅氫應在恒溫箱中進行，驅氫溫度一般為200℃～230℃，驅氫的最短時間一般為8 h～12 h.最佳時機選擇在電鍍鋅后鈍化前2 h內進行，停留時間越短越好。

2.2 氫脆斷口一般形貌和組織

在掃描電鏡下的墊圈氫脆斷口形貌通常為冰糖狀沿晶分離形貌，斷口表面通常有二次裂紋，可見典型的雞爪紋特征。金相組織通常為回火托氏體，如圖2所示。

圖2 雞爪痕形貌特征金相100X

2.3 氫脆機理分析

2.3.1 影響零件氫脆敏感性的主要因素

影響零件氫脆敏感性的主要因素有：1）材料的特性；2）材料的致密度、內部缺陷；3）含氫量多少；4）強度、硬度；5）所受應力狀況。材料對氫敏感性越高，材料缺陷越多，基體含氫量越高，脆性相越多，組織越粗大，強度越大，硬度越高，所受張應力越大，則越容易誘發(fā)氫脆斷裂。

2.3.2 氫脆金屬材料發(fā)生氫脆的條件

氫脆金屬材料發(fā)生氫脆需要同時滿足3個條件：1）有較強的氫敏感性；2）有集中拉應力；3）有氫的存在。失效墊圈基體內檢測出殘留較高濃度的氫，構成墊圈氫致開裂的內在條件。墊圈的金相組織為回火托氏體，屬于會發(fā)生氫脆可能的組織形式。同時，墊圈硬度在45 HRC左右，說明墊圈強度很高，氫脆的敏感性與零件的強度成正比，該墊圈的氫脆敏感性較大。彈性墊圈在安裝后承受著較大的應力，因而有可能發(fā)生氫脆[2]。

2.3.3 氫在金屬中的運動

氫在金屬材料基體的存在，是金屬件發(fā)生斷裂主要原因，金屬基體氫含量一般在（5～10）×10-6以下，氫致裂紋的傾向不明顯。而當失效墊圈中氫含量平均值高于（5～10）×10-6時，基體中的氫，遇到裝配應力或動載荷時即發(fā)生氫的聚集，最終形成氫脆斷裂。

從微觀上分析，氫原子具有最小的原子半徑（0.053 nm），所以易于進入金屬內部晶格，隨后在應力作用下，基體金屬發(fā)生位錯，導致氫向應力升高的部位迅速擴散聚集，由氫原子（H）變?yōu)闅浞肿樱℉2），即 H++e→H，2H→H2↑.

裂紋產生后迅速擴展，根據(jù)材料種類和含氫濃度的不同，裂紋擴展的速率也不同，最高的裂紋擴展速率可達聲速。其機理是在氫聚集的部位發(fā)生的反應產生了巨大的體積膨脹效應，這種在晶粒邊界或位錯塞積處的膨脹效應就形成了裂紋[1]。

2.3.4 釘扎效應

在金屬基體缺陷缺口根部、微裂紋尖端處這些局部應力集中較高的區(qū)域，一旦零件開始負載，氫原子便向這些區(qū)域擴散、集中，發(fā)生局部氫濃度富集和偏聚，形成新的氫氣團。金屬中的位錯、晶界、夾雜物與基體的相界面、氣孔等缺陷處都是氫原子容易偏聚的地方。

此外，當材料變形的應變速率較低時，氫氣團帶著位錯運動而運動，位錯落后于氫氣團，氫氣團對位錯起“釘扎效應”，使位錯不能自由活動，引起材料的局部硬化。在外力的持續(xù)作用下，材料變形的應變速率加快，不斷生成新位錯，這些新位錯又形成新的氫氣團，當運動中的位錯和氫氣團遇到障礙時，則產生位錯的疊加、塞積和氫氣團的聚集。當應力大于材料強度的臨界值時，在局部硬化區(qū)和位錯的塞積端部就會形成微裂紋尖端，從而在此處又產生了新的應力集中、新的氫富集、新的位錯與氫氣團、新的位錯被釘扎，如此循環(huán)反復，導致裂紋不斷地形成和擴展，直至零件脆斷[1]。

2.3.5 GB65Mn墊圈氫脆原因分析

GB65Mn墊圈組織為回火托氏體組織和少量粒狀碳化物，組織應小于4級。一般墊圈涂層相對完好，不會有明顯銹蝕，也就說氫來源于環(huán)境腐蝕的可能性不大，更可能來源于原材料、熱處理和表面處理過程。墊圈為蝶（錐）形彈墊，在服役狀態(tài)時凸起面內圓邊緣受張應力作用，晶格位錯增值，并促使位錯的運動，若氫含量超過5 ppm～10 ppm以上時，氫容易和位錯交互作用，使得裂紋前沿塑性區(qū)急速向應力集中區(qū)富集。所以，應力更容易在墊圈張應力區(qū)首先聚集，達到臨界點而開裂。產生氫致微裂紋后，微裂紋的尖端是應力集中區(qū)，氫原子便向裂紋尖端擴散聚集，使裂紋持續(xù)擴展直至墊圈開裂。

3 斷裂失效墊圈實物分析

3.1 化學成分檢測

化學成分檢測結果見表3.

表3 實物化學成分 （質量分數(shù)，%）

實物基體化學成分符合要求。

3.2 硬度檢測

硬度檢測結果見表4.

表4 實物硬度檢測結果

根據(jù)中國國家標準GB/T 230.1-2009“金屬材料洛氏硬度試驗第1部分，對墊圈進行洛氏硬度檢測，芯部和表面硬度平均值分別為 46.0HRC、46.7HRC.

3.3 氫含量檢測

氫含量檢測結果見表5.

表5 實物氫含量檢測結果

從表5可知，65Mn墊片H元素含量平均值為27.2 ppm，正常含量為5 ppm～10 ppm，所以含量偏高。

3.4 金相檢測

金相檢查結果見圖3.

圖3 金相檢測結果500X

經(jīng)金相顯微觀察，樣品的組織為回火托氏體加少量粒狀碳化物。

3.5 鍍層界面能譜分析

圖4為試樣截面線掃描結果。

圖4 試樣截面線掃描結果

對能譜鍍層進行分析，發(fā)現(xiàn)有的鍍層完整，有的局部已脫落，鍍層厚度范圍約11μm～36 μm，鍍層鋅的防腐性能好，外界氫進入的可能很小。

3.6 綜合檢測結論

送檢65Mn墊圈化學成分合格，硬度處于要求范圍的中偏下，組織為回火托氏體，鍍層厚度約11μm～36μm，防腐性能好，氫含量平均值為27.7ppm，偏高，具有氫脆開裂風險。

結果表明，墊圈的各項理化指標均在標準范圍之內，唯有墊圈部件內的氫含量偏高，達到氫含量平均27.7 ppm，鋼的含氫量在10 ppm之內時，鋼件不會因含氫而產生有害裂紋。墊圈由于含氫量過高，墊圈的強度較高，對氫的敏感性加強，墊圈裝配到高速運行的動車后，經(jīng)過長期高速運行與震動，在應力的驅動下，使墊圈中的氫發(fā)生定向聚合，使得晶界強度降低，從而產生微觀裂紋，裂紋產生后氫又聚集在裂紋尖端，使得裂紋尖端強度降低，裂紋繼續(xù)擴展，當裂紋擴展至臨界長度時，裂紋失穩(wěn)擴展，墊圈發(fā)生斷裂。

所以發(fā)生氫脆斷裂的根本原因是墊圈中氫含量過高，誘因是運動過程中震動產生的應力。

4 氫開裂與鋼種關系

試驗已經(jīng)證明，含有鉻、鎳的高強度鋼種對氫很敏感，碳含量較高的鋼氫致開裂的傾向更大，低碳鋼不易發(fā)生氫致開裂，組織致密的鍛件比組織梳松的鑄件更容易發(fā)生氫致開裂。氫原子滲透到鋼的內部后，會降低晶粒間的原子結合力。氫致開裂的斷口和其他脆性斷口很相似，高強度材料容易出現(xiàn)沿晶斷口，對于低碳鋼在沿晶下斷面上容易出現(xiàn)細小的發(fā)育不完整的韌窩，有人稱為“雞爪紋”。

圖5 結晶斷裂形貌1000X

圖6 裂紋兩側形貌100X

氫致開裂具有滯后性，對于焊接結構件氫致開裂的發(fā)生具有突然性，會對人身和財產構成嚴重威脅，需引起高度重視。

5 去除鋼件中氫含量的工藝方法

5.1 真空加熱去氫法

將需除氫的構件放置在真空烘箱內，加熱至200℃～250℃，保溫4 h～8 h，隨爐冷卻至室溫。

5.2 油中加熱去氫法

將需除氫的構件放置在盛有耐高溫的油槽中，加熱至200℃～250℃，保溫2 h～3 h，隨爐冷卻至室溫。熱油中能獲得與烘箱中除氫同樣的效果，受熱均勻，對設備要求更為簡單。

6 結論

1）氫含量高是鋼件開裂的一個主要原因;

2）氫可在鋼零件制造過程的主要工序侵入;

3）鋼件中的氫可通過后續(xù)工藝措施進行控制預防；

4）真空去氫和油中加熱去氫是鋼件去氫的有效方法。