高強(qiáng)度鋼電鍍滲氫行為及氫脆性能研究

高強(qiáng)度鋼電鍍滲氫行為及氫脆性能研究

氫脆是指氫穿透金屬的內(nèi)部損傷。在材料屈服強(qiáng)度低的情況下，金屬材料的延遲。高強(qiáng)度鋼具有高的氫脆敏感性,進(jìn)行電鍍等表面處理時(shí)容易因滲氫而引起氫脆,因此高強(qiáng)度鋼電鍍需采取低氫脆工藝,其中應(yīng)用較普遍的工藝有低氫脆鍍鎘、鍍鎘-鈦和氯化銨鍍鎘等。電鍍工藝的低氫脆原理目前主要有兩種理論:一種理論認(rèn)為低氫脆性由鍍層的結(jié)構(gòu)決定,鍍層疏松多孔有利于鍍后加熱除氫時(shí)氫的逸出,高強(qiáng)度鋼中氫含量得以及時(shí)降低,避免了氫脆的產(chǎn)生;另一種理論認(rèn)為低氫脆性與鍍層成分和沉積機(jī)理有關(guān),如鎘-鈦鍍層低氫脆性的主要原因是由于鎘-鈦鍍層中的鈦對氫原子的吸收,鈦與鎘有相似的晶體結(jié)構(gòu),鍍層中容易形成鎘-鈦合金,鈦在還原成鈦原子時(shí)要消耗大量的氫原子,因此只有很少的氫能進(jìn)入金屬基體,同時(shí)鈦對氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞肿舆€具有促進(jìn)作用,因而使得能進(jìn)入基體的氫原子進(jìn)一步減少,高強(qiáng)度鋼中基體氫含量很低。本工作主要研究了高強(qiáng)度鋼低氫脆鍍鎘、鍍鎘-鈦、氯化銨鍍鎘和光亮氰化鍍鎘四種工藝的滲氫行為、鍍層微觀結(jié)構(gòu)和氫脆性能,并通過鍍層與基體氫含量分布及陰極電流效率實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步分析了工藝氫脆性能與鍍層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。1測試方法實(shí)驗(yàn)材料采用30CrMnSiNi2A和40CrNi2Si2MoVA兩種高強(qiáng)度鋼,化學(xué)成分見表1和表2。鍍層微觀結(jié)構(gòu)采用JSM-5600LV掃描電鏡(SEM)分析,試樣尺寸為50mm×25mm×2mm,表面機(jī)加工,粗糙度為Ra0.8。氫脆性能評價(jià)采用缺口試樣75%σbH持久拉伸實(shí)驗(yàn),試樣先進(jìn)行電鍍,鍍后進(jìn)行持久拉伸實(shí)驗(yàn),超過200h不斷裂,表明工藝氫脆性能合格。電鍍過程中滲氫行為采用電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究。試樣尺寸為35mm×80mm×0.15mm,實(shí)驗(yàn)前除油并用600#砂紙打磨均勻、水洗后用無水乙醇脫水干燥,單面鍍鎳,每次滲氫實(shí)驗(yàn)前試樣未鍍鎳的一面需重新用600#砂紙打磨均勻。鍍層及基體的氫含量采用RH-404脈沖加熱熱導(dǎo)氫測定儀測試。鍍層制備:用不銹鋼試樣電鍍,鍍后將鍍層從不銹鋼表面剝離。不帶鍍層的基體試樣制備:50mm×25mm×2mm30CrMnSiNi2A鋼試樣電鍍后噴砂去除表面鍍層,用剪板機(jī)剪成5mm×2mm×2mm小樣。陰極電流效率采用銅庫侖計(jì)方法測試,陰極電流效率計(jì)算:ηk=a×1.186b×k×100%ηk=a×1.186b×k×100%式中:ηk為待測溶液電流效率;a為待測溶液中陰極增重(g);b為銅庫侖計(jì)陰極增重(g);k為待測鍍層電化學(xué)當(dāng)量(g/A·h);1.186為銅電化學(xué)當(dāng)量(g/A·h)。2結(jié)果與討論2.1鍍層微觀結(jié)構(gòu)和氫脆性能鍍層微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1,2,圖1中a-d分別為低氫脆鍍鎘、鍍鎘-鈦、氯化銨鍍鎘和光亮氰化鍍鎘四種工藝鍍層的表面微觀結(jié)構(gòu),圖2中a-d分別為四種鍍層的截面微觀結(jié)構(gòu)。由圖可見,四種鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)均不同,截面微觀結(jié)構(gòu)與表面微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性:低氫脆鍍鎘工藝獲得的鍍層微觀結(jié)構(gòu)疏松多孔,晶粒沿垂直于基體表面的方向生長,形成柱狀結(jié)構(gòu),晶粒與晶粒之間孔隙較大;鎘-鈦鍍層表面存在微裂紋,截面結(jié)構(gòu)表明存在孔隙;氯化銨鍍鎘工藝獲得的鍍層微觀表面為形狀較規(guī)則的小塊狀晶粒,鍍層致密,截面結(jié)構(gòu)顯示鍍層致密無孔隙;光亮氰化鍍鎘是在低氫脆鍍鎘溶液中加入光亮劑,獲得的鍍層表面光滑,無孔隙和微裂紋。分別采用30CrMnSiNi2A鋼和40CrNi2Si2MoVA鋼缺口試樣對四種電鍍工藝進(jìn)行氫脆性能評價(jià),結(jié)果見表3。由表3可知,鍍鎘-鈦和低氫脆鍍鎘工藝低氫脆性能最好,采用兩種高強(qiáng)度鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn),持久拉伸200h均未斷裂;氯化銨鍍鎘工藝采用30CrMnSiNi2A鋼試樣考察時(shí)氫脆性能合格,持久拉伸200h未斷裂,但40CrNi2Si2MoVA鋼缺口試樣實(shí)驗(yàn)時(shí)11h時(shí)即發(fā)生斷裂,表明氯化銨鍍鎘工藝具有一定的低氫脆性,但其低氫脆性不能滿足對氫脆更敏感的40CrNi2Si2MoVA鋼的要求;光亮氰化鍍鎘氫脆性能最差,兩種高強(qiáng)度鋼試樣試驗(yàn)時(shí),加載后不久都斷裂。鍍層微觀結(jié)構(gòu)和氫脆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電鍍工藝氫脆性能與鍍層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鍍層結(jié)構(gòu)疏松或存在孔隙、裂紋時(shí),有利于電鍍后烘烤時(shí)氫的去除,因此低氫脆鍍鎘、鍍鎘-鈦工藝具有好的低氫脆性能,同時(shí)鍍層致密的光亮氰化鍍鎘工藝具有高的脆性。但氯化銨鍍鎘工藝氫脆試驗(yàn)結(jié)果也表明,工藝氫脆性能不完全由鍍層結(jié)構(gòu)決定,鍍層致密的電鍍工藝也可能具有一定的低氫脆性。2.2鍍層孔隙率分析采用電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行電鍍工藝滲氫行為快速研究,電鍍過程中,氫的滲透受氫的濃度和鍍層的阻擋作用控制,滲氫實(shí)驗(yàn)時(shí)滲氫曲線記錄的是試樣上氫的氧化電流大小,因此從滲氫曲線可以獲得工藝的滲氫量、鍍層孔隙率等多種信息,對工藝氫脆性能的研究有重要作用。表4是低氫脆鍍鎘、鍍鎘-鈦、氯化銨鍍鎘和光亮氰化鍍鎘四種工藝的電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果。滲氫曲線電流的最大值Im表征工藝滲氫的最大濃度,滲氫曲線面積積分Sa表征工藝滲氫量的大小,電鍍結(jié)束時(shí)滲氫曲線的電流值Ia表征鍍層孔隙率,電流值越大,表明鍍層孔隙率越大,鍍層對氫的阻擋越小,越易滲氫。電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四種工藝滲氫最大濃度、滲氫量和孔隙率排序均為鍍鎘-鈦>低氫脆鍍鎘>光亮氰化鍍鎘>氯化銨鍍鎘。氯化銨鍍鎘工藝滲氫量最小,是該工藝具有一定低氫脆性的主要原因。電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鍍層微觀結(jié)構(gòu)、氫脆實(shí)驗(yàn)結(jié)果大部分具有一致性,但鍍鎘-鈦工藝卻存在反常和矛盾現(xiàn)象,其工藝滲氫最大濃度、滲氫量明顯高于其它三種工藝,孔隙率也應(yīng)最高,而根據(jù)鍍層微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,鎘-鈦鍍層孔隙率應(yīng)明顯低于低氫脆鍍鎘鍍層。這種反常和矛盾是由電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)方法和鎘-鈦鍍層特點(diǎn)造成的,電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)是通過施加恒電位來氧化滲透過試樣的氫,鎘-鈦鍍層中的鈦具有吸收氫的作用,鍍層中被鈦吸收的氫在電化學(xué)作用下被氧化,氧化消耗的氫被源源不斷地從電鍍陰極擴(kuò)散過來的氫補(bǔ)充,由于鈦對氫的強(qiáng)吸附作用,使得鍍層中氫含量始終維持在一個(gè)較高濃度,而鍍層厚度增加造成的阻擋影響很小,因此鎘-鈦鍍層的Im和Ia很大,但它并不意味著鍍層的孔隙率大。鍍鎘-鈦工藝電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了工藝氫脆性能不完全由鍍層結(jié)構(gòu)決定,鍍層成分對氫脆性能有著重要影響。2.3低氫脆性能分析四種電鍍工藝的陰極電流效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見氯化銨鍍鎘工藝陰極電流效率非常高,幾乎接近100%。電鍍時(shí)陰極最常見的副反應(yīng)為:H++e→H,一方面使陰極電流效率降低,另一方面,該反應(yīng)也是陰極基體吸氫最主要?dú)鋪碓?。氯化銨鍍鎘鍍液簡單,但電鍍過程中陰極電流效率接近100%,陰極表面基本沒有氫還原的副反應(yīng)或氫還原副反應(yīng)很少,因此電鍍時(shí)產(chǎn)生的氫濃度非常低,同時(shí)因氯化銨鍍鎘獲得的鍍層致密,后續(xù)產(chǎn)生的氫滲入基體的量也較少,使得氯化銨鍍鎘工藝具有一定的低氫脆性。此外從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,光亮氰化鍍鎘工藝電流效率也較高,但未達(dá)100%,因此存在一定的陰極副反應(yīng)(主要為氫的還原),由于氰化物是氫原子結(jié)合成氫分子的毒化劑,還原的氫主要以原子態(tài)存在,并進(jìn)入基體和鍍層,同時(shí)因鍍層致密,烘烤時(shí)氫不易擴(kuò)散出來,因此光亮氰化鍍鎘低氫脆性能較差。光亮氰化鍍鎘和氯化銨鍍鎘鍍層從微觀形貌來看較為接近,但氫脆性能有很大差別,主要原因在于陰極電流效率的不同。低氫脆鍍鎘和鍍鎘-鈦陰極電流效率都不高,陰極同時(shí)存在較多的析氫副反應(yīng),電鍍時(shí)陰極產(chǎn)生氫大部分被復(fù)合成氫分子逸出,但還有一部分氫原子進(jìn)入鍍層和基體中,是氫脆的主要?dú)鋪碓础?.4鍍層與鍍層的氫含量關(guān)系鍍層與基體氫含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:低氫脆鍍鎘工藝鍍層和基體中氫含量都較高,但除氫后鍍層與基體中氫含量都顯著下降,下降將近一個(gè)數(shù)量級,并且除氫后鍍層的氫含量是四種鍍層中最低的;鎘-鈦鍍層氫含量均稍高,除氫后氫含量有一定下降,但變化不大,而基體氫含量除氫前后都很低,且是四種工藝中最低的;氯化銨鍍鎘鍍層除氫前的氫含量是四種鍍層中最低的,且基體氫含量較低,但除氫前后鍍層和基體氫含量變化較小;光亮氰化鍍鎘鍍層和基體除氫前后氫含量都很高,除氫后鍍層與基體氫含量均有降低,但幅度較小,最終氫含量比其它四種均要高近一個(gè)數(shù)量級。低氫脆鍍鎘和光亮氰化鍍鎘氫含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與鍍層結(jié)構(gòu)決定氫脆性能的理論完全一致,低氫脆鍍鎘由于鍍層結(jié)構(gòu)疏松多孔,除氫后基體與鍍層氫含量顯著下降,而光亮氰化鍍鎘鍍層致密,除氫前后鍍層與基體中氫含量均很高。鎘-鈦鍍層與基體氫含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,實(shí)驗(yàn)表明鍍層與基體氫含量與鍍層結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系,但不能完全用鍍層結(jié)構(gòu)來解釋清楚,如除氫前基體氫含量非常低,不能用鍍層有孔隙和微裂紋來解釋。鎘-鈦鍍層除氫前后氫含量都較高、而基體中氫含量除氫前后都較低,這是由于鍍層中的鈦對氫有較強(qiáng)的吸附作用和親合力,氫在鈦中的溶解度很大,造成鍍層中氫含量較高,但也正是因?yàn)殁亴涞奈阶饔?氫處在鈦原子周圍的間隙位置上,可能形成TiH2分子,使氫成束縛狀態(tài),鍍層中的氫并不是不受束縛可自由運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)氫,因此盡管鍍層氫含量較高,但基體中氫含量并不高,除氫時(shí)鍍層中的氫含量下降也不明顯。由于鎘-鈦鍍層中鈦的作用再加上鎘-鈦鍍層結(jié)構(gòu)存在的微裂紋,使得鍍層具有好的低氫脆性能。氯化銨鍍鎘鍍層氫含量在除氫前后變化很小,可用鍍層致密來解釋,氫含量能反映氫脆性能的好壞,但氯化銨鍍鎘鍍層除氫前后基體氫含量和除氫前鍍層氫含量均很低,表明氯化銨鍍鎘也具有較好的低氫脆性,這與氫脆實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相一致。2.5鍍層及鍍層作用機(jī)理綜合分析鍍層微觀結(jié)構(gòu)、電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)、陰極電流效率和鍍層與基體的氫含量等實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可將鍍層的低氫脆機(jī)理總結(jié)為以下三種模式:(1)高陰極電流效率機(jī)理,如氯化銨鍍鎘工藝。主要特點(diǎn)是陰極電流效率非常高,幾乎為100%,此外鍍層致密、孔隙率低,這種特點(diǎn)使得一方面工藝過程中產(chǎn)生的氫非常少,另一方面鍍層致密,產(chǎn)生的氫能擴(kuò)散到基體的量也較少,使得最終基體中氫濃度較低,低氫脆性能較好。(2)鍍層高孔隙率機(jī)理,如低氫脆鍍鎘工藝。獲得的鍍層孔隙率高,雖然除氫前鍍層及基體氫含量較高,但除氫時(shí)這種結(jié)構(gòu)有利于氫的逸出去除,除氫后鍍層及基體中氫含量都非常低,因而低氫脆性能較好。(3)鍍層成分和結(jié)構(gòu)綜合作用機(jī)理,如鍍鎘-鈦工藝。工藝低氫脆性由鍍層成分和鍍層結(jié)構(gòu)兩種因素共同起作用,一方面鎘-鈦鍍層中的鈦在還原時(shí)消耗大量氫原子,同時(shí)生成的鈦對氫還有吸收作用,鍍層有較高的氫含量,阻止了氫進(jìn)一步進(jìn)入基體,另一方面由于鍍層結(jié)構(gòu)疏松或具有微裂紋,除氫時(shí)進(jìn)入鍍層和基體中的氫濃度進(jìn)一步降低,兩種因素綜合作用,使得最終基體中的氫含量非常低。三種機(jī)理中第一種機(jī)理獲得的低氫脆鍍層氫脆安全性較差,因?yàn)檫@種鍍層是以工藝中基本不產(chǎn)生氫為前提,一旦因電鍍前處理或電鍍中其它因素發(fā)生氫的滲入,由于鍍層致密,除氫烘烤時(shí)氫不易去除,容易造成氫脆性能不合格。第二種機(jī)理和第三種機(jī)理獲得的鍍層一方面低氫脆性能較好,另一方面因鍍層有孔隙或微裂紋,氫脆安全性也較好。因此,在研究新的低氫脆電鍍工藝時(shí),應(yīng)盡量選取能獲得具有一定孔隙率或微裂紋、且鍍層中含有對氫有較強(qiáng)吸附能力成分的鍍液配方和工藝參數(shù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電鍍過程中的陰極電流效率(或采取其他能降低原子氫產(chǎn)生的措施),有利于獲得低氫脆性能更好的鍍層。3低氫脆、高脆機(jī)理(1)低氫脆鍍鎘鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)疏松多孔,鎘-鈦鍍層表面有微裂紋,光亮氰化鍍鎘和氯化銨鍍鎘鍍層表面均非常致密。鍍層截面微觀結(jié)構(gòu)與鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。(2)低氫脆鍍鎘和鍍鎘-鈦工藝具有好的低氫脆性,氯化銨