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文章主要說明氫脆產(chǎn)生的原因，并以液壓主控閥閥芯為例講述發(fā)生氫脆的薄弱點，最后闡明了去氫脆處理的主要措施。

 

一、氫脆的定義

 

氫脆是溶于鋼中的氫聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆主要發(fā)生在低合金高強度鋼、不銹鋼及彈性零件上，造成氫脆的主要原因是表面處理，如電鍍、氮化等零件的處理過程中產(chǎn)生的氫滲入到金屬內(nèi)部導(dǎo)致晶格排列混亂，產(chǎn)生扭曲，造成內(nèi)應(yīng)力增加，使金屬或鍍層產(chǎn)生脆性，從而引起零件的斷裂或鍍層的脫落。在過程中氫脆的發(fā)生需要滿足兩個條件：金屬有較高的含氫量；有一定的外力作用。

 

由于氫脆所導(dǎo)致的滯后開裂的特性，嚴重影響零部件的使用性能，存在較大的安全隱患。因此在零件的設(shè)計加工時，尤其是液壓元件工作在高壓下，更需要嚴格控制。

 

二、去氫脆處理適用的范圍及工序

 

并不是所有金屬在表面處理過程中都會產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，通過研究數(shù)據(jù)及實踐來看，在零件表面處理后氫脆主要產(chǎn)生于以下材料中。

 

（1）抗拉強度在981N/mm2（或硬度在38HRC）以上的經(jīng)過熱處理的碳素鋼及合金鋼零件。

 

（2）硬度為370HV以上的彈簧鋼（包含琴鋼絲、油回火鋼絲、高碳鋼絲）的零件。

 

（3）在抗拉強度1236N/mm2以上（或36HRC以上）實施熱處理的馬氏體的不銹鋼產(chǎn)品。

 

現(xiàn)在的加工中，可導(dǎo)致氫脆的工序主要有酸洗、電鍍、氮化、電解，以上工序在處理零件表面時，會產(chǎn)生氫且滲入到零件中，從而導(dǎo)致氫脆。

 

三、氫脆的案例分析 

 

液壓產(chǎn)品一般需在高壓下工作，部分零件承受的力較大，當(dāng)零件吸氫后，在其薄弱地方會發(fā)生斷裂，如圖1所示的閥芯。閥芯內(nèi)部為中空，由于功能要求，中空處需要與單向閥配合密封，閥芯處于高壓工作，這就需要與單向閥的配合處具有較強的抗沖擊性及韌性，同時為了達到一定的耐磨要求，許多廠家選擇該種閥芯表面鍍鉻處理，而且要求的鍍層較厚，但由于鍍鉻工藝本身電流效率低，因此需要電鍍的時間較長，滲氫嚴重。

圖1 主控閥閥芯示意

 

該閥芯材質(zhì)為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理后硬度為32~36HRC，裝配后要求鍍鉻層厚度0.04~0.06mm。閥芯為液壓挖掘機所用，額定工作壓力31.3MPa，而且由于挖掘機的特性，沖擊壓力的峰值可達到60MPa以上，該閥芯電鍍后沒有去氫脆處理，因此在挖掘機上使用一段時間后發(fā)生斷裂，如圖2所示。

圖2  閥芯斷裂

 

在發(fā)生斷裂后，對閥芯進行了理化分析，實測閥芯心部硬度為34.5HRC，并對閥芯電鍍前及電鍍后的截面分別做了金相分析，如圖3、圖4所示。通過晶相圖4可以看出，電鍍后閥芯晶相圖中出現(xiàn)明顯的沿晶斷裂的特征——冰糖狀斷口。

圖3 閥芯電鍍前晶相

 

圖4 閥芯電鍍后晶相

 

四、去氫脆的措施及預(yù)防

 

去除零件吸附氫氣而產(chǎn)生的氫脆，一般選擇使用干燥處理，干燥處理一般分為：

 

（1）一般性干燥處理，干燥溫度200℃左右。

 

（2）低溫干燥處理，干燥溫度在180℃以下。

 

干燥處理的方法如下：

 

（1）干燥處理，最好是在經(jīng)過吸附氫氣工序之后馬上實施，最長不得超過4h。

 

（2）干燥處理的時間及溫度按附表中要求執(zhí)行，原則上必須一次處理完成，處理開始后，不能中斷，按規(guī)定的時間連續(xù)保持并完成。

 

（3）鍍層剝離后再次電鍍的情況，或在電鍍之后又實施其他鍍層的，脆化工序兩次以上的情況，從最初的工序到實施最終工序后的干燥處理時間在4h以內(nèi)時，可只實施最終工序后的干燥處理，其他的可以省略。

                                                                     去氫脆處理的工藝要求

干燥處理的種類	適用零件	干燥時間/h	干燥溫度/℃
一般干燥處理	抗拉強度981N/mm2（或硬度在38HRC）經(jīng)過熱處理的碳素鋼及低合金鋼零件	≥3	200±15
	硬度在370HV以上的彈簧鋼（包含琴鋼線、高碳鋼線及油回火鋼絲）的零件	≥3
	經(jīng)過表面硬化處理（滲碳、氮化等）的鋼零件	≥3
	酸洗、磷化、電鍍處理的零件	≥3
	拉伸強度在1236N/mm2（或硬度36HRC)以上熱處理后的馬氏體不銹鋼	≥3
低溫干燥處理	表面硬化處理后，200℃以下溫度回火的鋼零件	≥5	比回火溫度低20

在零件的設(shè)計及加工時，也應(yīng)提前預(yù)防氫脆的產(chǎn)生，如可適當(dāng)?shù)貙σ桩a(chǎn)生氫脆的材料在表面處理前進行加熱、噴丸或振動等處理，使工件上的氫氣得以逸出，應(yīng)力得到釋放，減少氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)生；在滿足性能的前提下，盡量采用滲氫量少的工藝，如表面處理的除油、除銹等，可采用化學(xué)除油、清洗劑或溶劑除油；在除銹和氧化皮時，盡量采用吹砂除銹，若采用酸洗，需要在酸洗液中添加緩蝕劑等。

 

五、結(jié)束語

 

一般來說，材料強度越大，其氫脆敏感性也越大，除了硬度以外，還應(yīng)綜合考慮以下幾點：

 

（1）零件的使用安全系數(shù)，安全重要性大的零件，應(yīng)加強去氫處理。

 

（2）零件的截面積小的零件，如細小的彈簧、較薄片簧等。

 

（3）帶有易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺口狀零件。

 

表面處理過程中的氫脆危害極大，去氫脆要求是技術(shù)人員在設(shè)計加工時必須明確的概念，根據(jù)不同的零件及使用的情況采取適當(dāng)?shù)拇胧赃_到消除氫脆的目的。

 

作者：鞏秀江，許躍雷

單位：山東中川液壓有限公司、力士德工程機械股份有限公司