緊固件氫脆的一些問題（二）

來源:金華市國鼎五金制品有限公司發(fā)布時間：2021-08-23

11、避免和消除氫脆的措施

(1)、減少金屬中滲氫的數(shù)量
必須盡量減少高強度/高硬度鋼制緊固件的酸洗，因為酸洗可加劇氫脆。在除銹和氧化皮時，盡量采用噴砂拋丸的方法，若洛氏硬度等于或大于HRC 32的緊固件進行酸洗時，必須在制定酸洗工藝時確保零件在酸中浸泡的時間最長不超過10分鐘。并應(yīng)盡量降低酸液的濃度，并保證零件在酸中浸泡的時間不超過10分鐘；在除油時，采用清洗劑或溶劑除油等化學(xué)除油方式，滲氫量較少，若采用電化學(xué)除油，先陰極后陽極，高強度零件不允許用陰極電解除油；在熱處理時，嚴格控制甲醇和丙烷的滴注量；在電鍍時，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

(2)、采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層。一般認為，在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時，滲入鋼件的氫容易殘留下來，而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度，滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會造成滲氫的涂層，如機械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層，不會發(fā)生氫脆，耐蝕性高，附著力好，且比電鍍環(huán)保。

(3)、鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患
若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應(yīng)力較大，鍍前應(yīng)進行回火處理，回火消除應(yīng)力實際上可以減少零件內(nèi)的陷阱數(shù)量，從而減輕發(fā)生氫脆的隱患。

⑷、控制鍍層厚度
由于鍍層覆蓋在緊固件表面，鍍層在一定程度上會起到氫擴散屏障的作用，這將阻礙氫向緊固件外部的擴散。當鍍層厚度超過2.5μm時，氫從緊固件中擴散出去就非常困難了。因此硬度＜32HRC的緊固件，鍍層厚度可以要求在12μm；硬度≥32HRC的高強度螺栓，鍍層厚度應(yīng)控制在8μmmax。這就要求在產(chǎn)品設(shè)計時，必須考慮到高強度螺栓的氫脆風(fēng)險，合理選擇鍍層種類和鍍層厚度。
在一般情況下，除了局部淬硬型緊固件外，硬度超過49HRC的高強度鋼制零件不允許采用電鍍的表面處理形式。

13、除氫的方法和方式

高強度緊固件由于氫脆產(chǎn)生的脆性斷裂，一般發(fā)生的很突然，是無法預(yù)料的，故這種失效的形式造成的后果是很嚴重的。尤其是在有安全性能要求時，減少氫脆的產(chǎn)生是很有必要的，因此，高強度緊固件去除氫脆是一項很重要的工作工作。
對于高強度緊固件除氫的方法和方式各個標準或中規(guī)定的不盡相同，但我們比較贊許硬度小于32HRC，可以不進行除氫處理,也不需要做氫脆試驗；硬度大于或等于32HRC，并經(jīng)酸洗及涂油、磷化、機械鍍鋅、電鍍鋅等表面處理的緊固件必須進行除氫處理的觀點。表1列出了相關(guān)標準中對除氫方法和方式的要求。
要求進行驅(qū)氫處理的緊固件的硬度，對于表面淬硬型的緊固件，決定其去氫處理方式主要取決于其“表面硬度”。對整體調(diào)質(zhì)或局部淬硬型緊固件，決定其去氫處理方式主要取決于其“芯部硬度”。

? 在目前采取的除氫措施中，烘烤是最有效的手段。

? 零件表面有一定厚度的鍍層時，氫很難透過鍍層向外擴散出去。盡管在烘烤處理中只除去了很小一部分氫，烘烤處理可使鋼中的氫重新分布，擴散到材料內(nèi)部的永久（或不可逆）陷阱位置而成為非活躍狀態(tài)，并使之不易于聚集到較為危險的陷阱位置。也就是說烘烤處理可以防止緊固件中的氫聚集到應(yīng)力集中的部位，失效時間和臨界應(yīng)力水平得以延長和提高。因此，目前烘烤處理在減小高強度緊固件氫脆傾向上是很有效的。

? 不論是電鍍，還是磷化表面處理，封閉處理工序應(yīng)在烘烤工序完成后再進行。

14、烘烤時機

產(chǎn)品電鍍后應(yīng)于4 小時之內(nèi)被烘烤，最好是在1 小時之內(nèi)以及鉻酸鹽處理之前，因為實施烘烤時如果溫度在150°F(66°C)以上鉻酸膜將會被破壞，使得原披覆無效。

? 氫脆化的消除與防止：經(jīng)研究調(diào)查結(jié)果顯示，在測試任何材料對氫脆化的感受性是直接與材料本身氫侵入含量有關(guān)（侵入的型態(tài)與有效性）。因此烘烤過程中時間 - 溫度的關(guān)系不但取決于鋼的成份和組織而且也和電鍍材質(zhì)和電鍍過程息息相關(guān)。另外大部份高強度的鋼，其烘烤過程的有效性隨著時間與溫度的減少而快速跌落。

? 有很多原因可能使得緊固件脆化，氫脆化測試僅是最后的手段，重要的是事前的防范以預(yù)防及降低重大的損失。當制造易發(fā)生氫脆化產(chǎn)品時，全面性的制造過程管制(包括電鍍處理過程)將可使氫脆化的機率降到最低。

15、烘烤溫度

加熱到溫度200℃到230℃，最高溫度應(yīng)考慮涂層材料以及基材的種類，某些涂層，例如錫，以及某些零件的物理特性可能因這些溫度造成不利的影響，某些情況下，則需要較低的溫度以及較長的時間。但零件烘烤溫度應(yīng)以不超過其原始回火溫度為原則

16、烘烤時間

16.1 ISO 4042-2018有關(guān)烘烤時間的解釋

影響烘烤效率的關(guān)鍵因素是

— 溫度，

— 持續(xù)時間，

— 涂層的滲透性，

— 涂層厚度。

對于易受影響的緊固件 (例如, 硬度/芯部硬度高于390HV) 電鍍鋅, 8小時至10小時在190°C到220°C是

一個最低推薦烘烤持續(xù)時間。然而：

— 根據(jù)緊固件的種類、尺寸和強度/硬度等級，結(jié)合涂層系統(tǒng)和涂層工藝，成功地應(yīng)用了較短的持續(xù)時間;

— 根據(jù)緊固件的類型, 尺寸和強度/硬度水平, 烘烤持續(xù)時間可達24小時, 足以減少移動的氫。

在大約190 °C烘烤電鍍鋅緊固件的一般做法是不足以提取氫, 因為鋅是氫擴散的有效屏障。結(jié)果表明,烘烤持續(xù)時間為4小時甚至可能是有害的, 并可能導(dǎo)致偶爾的失敗。為了烘烤是有效和有益的, 建議延長烘烤持續(xù)時間。

如ISO 898-1所規(guī)定的10.9級緊固件, 正確地制造到預(yù)期的材料和冶金性能, 不會因為IHE敏感而失效, 也不需要烘烤。鑒于目前對烘烤效果和材料敏感性的理解, 防止這些緊固件失效的不是烘烤。性能等級10.9的緊固件有時被烘烤作為預(yù)防制造錯誤或失控的過程, 可能使材料變得敏感。

如果應(yīng)用中出現(xiàn)延遲性斷裂, 除緊固件及其制造和電鍍工藝外, 還應(yīng)調(diào)查包括裝配和服役條件在內(nèi)的所有條件。

ISO 2081, ISO 9588和ISO 19598中規(guī)定的烘烤標準過于寬泛, 不適用于緊固件。

烘烤過程中使用的最大溫度和持續(xù)時間受以下因素的限制。不應(yīng)超過緊固件最初回火的溫度, 不應(yīng)損害涂層的性能。溫度和/或持續(xù)時間的超標會影響熱處理后螺紋滾制的有益效果。

電鍍鋅零件通常在溫度不高于220°C的情況下烘烤。電鍍鎘的零件通常是在不高于200°C的溫度下烘烤。

烘烤過程通常是在電鍍后進行的, 在使用轉(zhuǎn)化涂層和/或封閉劑和/或外涂層 (如果有的話) 之前。然而，其他的順序可能是合適的，這取決于表面處理的具體性質(zhì)。

作為一個良好的規(guī)程的問題，電鍍和烘烤之間的時間應(yīng)該保持短。這種做法的目的是最大限度地提取移動氫, 否則移動氫的一部分可以可逆地被困住, 更難烘烤出來。

這一現(xiàn)象已被證明是有關(guān)的電鍍鋼硬度在500HV范圍內(nèi)和以上。通常使用的方法指定確切的持續(xù)時間(例如4小時) 純粹是主觀的, 目的是作為一個實際的運作時間框架, 也是一個質(zhì)量保證機制, 以監(jiān)測良好的規(guī)程。涂層和烘烤之間的時間不應(yīng)用作緊固件批次的可接受性的嚴格標準, 它絕對不應(yīng)用作將根本原因分配給緊固件失效的基礎(chǔ)。

烘烤爐的條件, 包括裝載方法, 爐內(nèi)持續(xù)時間和溫度均勻性, 應(yīng)加以控制。要達到一個合理的有效的烘烤策略，包括決定是烘烤還是不烘烤, 應(yīng)通過持續(xù)負載測試和/或工藝鑒定試驗獲得的經(jīng)驗測試數(shù)據(jù)來驗證, 如DIN 50969-2和ASTM F1940中規(guī)定的。

16.2 ASTM F1941/F1941M-2016

調(diào)質(zhì)緊固件的烘烤要求—除非買方另有規(guī)定，否則在規(guī)定的最大硬度39 HRC和以下（見注3），烘烤不是強制性的。產(chǎn)品熱處理后硬度在39 HRC以上且有組裝硬化墊圈的產(chǎn)品，于電鍍后應(yīng)予以烘烤，使其氫脆風(fēng)險降至最低。

17、檢測方法

17.1氣泡法
這是一種比較快速、簡便的試驗方法，可將盛有適量凡士林的燒杯置于電爐上加熱熔融，加熱到100~110℃并恒溫約五分鐘以除去其中的水分，再將已清洗除去表面油漬污物的零件完全浸入油液中，若在10秒鐘內(nèi)觀察到零件表面有氣泡逸出，則表明該零件含有一定量的氫。也可用液態(tài)石蠟油，則試驗時需加熱至大約150℃。

氣泡法只能看出零件中是否含氫，但其含氫量是否足以造成氫脆卻無法判定。由于零件的加工過程中或多或少會接觸到氫，從嚴格的意義來說，此方法對實際生產(chǎn)和交付檢查并無指導(dǎo)意義。

17.2平行支承面法

? 平行支承面法是目前用的比較普及的一種試驗方法，ISO、DIN、EN、GB、SAE等標準都是規(guī)定的采用這種方法。僅試驗扭矩的設(shè)置和試驗時間長短不同而已。

? 測試觀念是設(shè)計在緊固件的最大應(yīng)力下實施一個模擬的實際狀況。

? 應(yīng)力通常達到緊固件的一特定的旋緊度或預(yù)先計算的扭矩值。

? 使零件保持在如此的應(yīng)力裝置下24 或48 小時再旋緊。

? 如果任何緊固件在測試過程中或當再旋緊時氫脆破壞則這零件應(yīng)再烘烤和再測試直到合格為止

國家標準GB/T 3098.17-2000的規(guī)定

? 國家標準GB/T 3098.17-2000《檢查氫脆預(yù)載荷試驗平行支承面法》（等同采用國際標準化組織ISO 15330：1999標準，與德國標準DIN EN ISO 15330也完全一致。）標準中規(guī)定：
預(yù)載荷試驗應(yīng)在適當?shù)脑囼瀶A具上進行。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。可保證相應(yīng)緊固件所需應(yīng)力能處于其屈服點內(nèi)，或破壞扭矩范圍內(nèi)的其他加載方法和夾具，也允許采用。該應(yīng)力或扭矩應(yīng)至少保持48小時以上。每隔24小時應(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。

(1)、螺栓、螺釘和螺柱：試驗夾具應(yīng)使用兩面平行的硬度≥45HRC的淬硬鋼板，鋼板上制有垂直于板面的一個或多個孔，如圖1；沒有平支承面的螺栓和螺釘（如沉頭螺釘）的夾具見圖2。取5個螺栓或螺釘試件按圖示裝夾，再分別擰緊至屈服點，記錄下達到屈服點時的擰緊扭矩，這5個擰緊扭矩的平均值即為氫脆試驗的擰緊力矩。

(2)、自擠螺釘、自攻螺釘和自鉆自攻螺釘：試驗夾具是一塊預(yù)制螺紋孔的鋼板，如圖3。取5個螺釘試件分別擰入試驗板直至螺釘頭部與試驗板貼合。繼續(xù)擰緊螺釘使5個螺釘分別達到其破壞扭矩，其中的最小值的90%即為試驗扭矩。由于十字槽、內(nèi)花形槽等扳擰形式可能會在擰緊過程中出現(xiàn)槍頭滑脫而無法將螺釘擰至斷裂，此時就取規(guī)定的最小破壞扭矩的90%作為試驗扭矩。

(3)、彈簧墊圈和錐形彈性墊圈：墊圈試件應(yīng)用硬度大于墊圈試件的平墊片（且最低硬度為40HRC）相互隔開，若干個一起穿在螺紋公稱直徑與被試墊圈公稱直徑相同的螺栓上，如圖4，錐形墊圈應(yīng)成對組裝試驗，將組裝件擰緊至被試墊圈試件完全壓平。

? 將試件裝入試驗夾具后，施加試驗扭矩并至少持續(xù)48小時，螺栓等試件應(yīng)至少每隔24小時重新擰緊至初始的試驗扭矩，在試驗完成之前，應(yīng)進行最后一次擰緊。然后將試件卸載后取下來，目測檢查試件，若無任何目測可見的裂縫或斷裂，則判定通過該項試驗。

? 值得注意的是，該標準規(guī)定的試驗方法僅適用于過程控制，并不作為驗收檢查的試驗項目。

17.3美國汽車工程師協(xié)會SAE/USCAR-7標準的規(guī)定是：

從待測零件批中隨機抽取5件，向零件或夾具施加扭矩直至零件最終損壞，記錄每個緊固件的最大破壞扭矩，計算出5個數(shù)值的平均值，此值的80%將作為測試扭矩。然后采用相同夾具、相同負載方法向待測零件施加測試扭矩，具體被檢測的零件數(shù)量應(yīng)由供需雙方協(xié)商決定并在控制計劃中規(guī)定。施加扭矩后的零件靜置24小時后逐一檢查，在此期間零件出現(xiàn)任何損壞則整批零件判為不合格，必須作報廢處理；如無損壞發(fā)生，則繼續(xù)負載24小時后再次施加測試扭矩，然后取下零件，目視檢查這些零件應(yīng)無裂紋產(chǎn)生，如有任何裂紋產(chǎn)生，則整批判為不合格，同樣必須報廢。

18、參考資料

ISO 4042-2018

ISO TR 20491-2019

ASTM F1940-2007a(R2019)

ASTM F1941/1941M-2016

GB/T 3098.17-2000

SAE/USCAR 7-2012

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