鋼絲繩酸洗過程中氫脆的形成原因及預防措施

鋼絲繩酸洗過程中氫脆的形成原因及預防措施

鋼絲繩是用熱線做的，經(jīng)過幾次加工而成的金屬制品。鋼絲拉拔前和拉拔中都要進行表面處理,以清除線材表面的氧化鐵皮。以往熱軋線材表面往往留有0.3%～0.5%左右的氧化鐵皮,采用控軋控冷技術(shù)后,線材表面的氧化鐵皮大為減少,其結(jié)構(gòu)形態(tài)也發(fā)生了很大變化,但絕大多數(shù)線材表面仍然有氧化鐵皮。另外,拔制后經(jīng)過中間熱處理的鋼絲表面也會產(chǎn)生氧化鐵皮。這種附著在鋼材表面的氧化鐵皮對拉拔和表面鍍層質(zhì)量將產(chǎn)生嚴重后果。氧化鐵皮硬度很高又沒有塑性,夾在鋼絲和模具之間,拉拔時增大摩擦系數(shù),使拔制力增加,嚴重時會發(fā)生斷絲,影響拉拔生產(chǎn)的正常進行。另外,氧化鐵皮還會粘附在模孔中,劃傷鋼絲表面,增加模具消耗,降低模具使用壽命。鍍層前如果氧化鐵皮除不凈,鍍后鍍層表面就會鼓泡,降低鍍層的結(jié)合強度及鍍層質(zhì)量。因此,拉拔前和鍍層前必須對線材和鋼絲表面進行清理,除去氧化鐵皮,為下一工序做好準備。目前氧化鐵皮的清除還是以酸洗為主。但在酸洗過程中如果操作不當,會產(chǎn)生各種缺陷,氫脆就是酸洗過程中形成的一種缺陷。本文對鋼絲酸洗過程中氫脆形成的原因及預防措施加以探討。1拉伸環(huán)境氫脆氫脆的含義寬泛,它不僅包括材料中含有氫(內(nèi)部氫脆)的一類,也包括在含氫介質(zhì)中吸收氫(環(huán)境氫脆)的另一類。工程上所謂氫脆是指冶煉過程中的白點和環(huán)境中氫引起的延遲破壞。白點是大鍛件中存在隱蔽裂紋的總稱。環(huán)境中氫引起的延遲破壞是由于環(huán)境中的氫滲入到材料內(nèi)部而引起的。酸洗、電解或腐蝕反應所產(chǎn)生的氫都能滲入材料內(nèi)部而形成延遲破壞,既氫脆。鋼絲酸洗的過程就是鋼絲在含氫環(huán)境下運行的過程。鋼絲酸洗過程的實質(zhì)是酸與金屬及其氧化物發(fā)生化學反應,將氧化鐵皮溶入酸液(鹽酸)或酸與金屬反應生成的氫氣將氧化皮剝離(硫酸),達到清除表面氧化鐵皮的目的。不論采用哪一種酸酸洗,都會產(chǎn)生大量的氫氣。酸液與基體金屬發(fā)生化學反應生成了大量氫氣,有一部分以原子狀態(tài)向基體內(nèi)部擴散,達到一定量后,使鋼的力學性能急劇降低,甚至達到無法拉拔的程度。鋼中吸氫的程度與鋼的強度和冷作硬化程度有關(guān)。強度愈高,冷作硬化愈劇烈,則吸氫程度愈大。材料的屈服強度越高,脆化越劇烈,這是因為屈服極限高的組織在熱力學上是不穩(wěn)定的。這種在酸洗過程中由于氫氣擴散進入鋼絲基體而引起力學性能惡化的缺陷,稱為鋼絲酸洗環(huán)境氫脆。環(huán)境氫脆是材料在加載以前其內(nèi)部并不存在斷裂源,而是在含氫的環(huán)境中由物理吸附、分解、化學吸附、擴散等過程逐步滲入金屬材料內(nèi)部。它與H+在金屬中的擴散率有關(guān)。如氫在高碳鋼中向基體擴散的速度大,高碳鋼絲的氫脆敏感性就大。所以酸洗時要嚴格掌握酸洗時間,特別是在采用硫酸酸洗時,更要嚴格控制在加熱條件下的酸洗時間。2在清洗過程中，氫脆形成2.1鹽酸feo目前鋼鐵件表面氧化鐵皮的去除多采用硫酸和鹽酸,反映產(chǎn)物為可溶于水的鹽和水,同時析出大量的氫氣。硫酸與金屬及其氧化物發(fā)生化學反應的方程式如下:FeO+H2SO4→FeSO4+H2OFe3O4+4H2SO4→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2OFe2O3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+3H2OFe+H2SO4→FeSO4+H2↑與鹽酸的化學反應式為:FeO+2HCl→FeCl2+H2OFe3O4+8HCl→2FeCl3+FeCl2+4H2OFe2O3+6HCl→2FeCl3+3H2OFe+2HCl→FeCl2+H2↑2.2位錯假設(shè)學說從上述反應式可見,在酸洗過程中,酸液與基體金屬發(fā)生化學反應產(chǎn)生大量的氫氣,這些氫氣一部分變成氣體逸出槽外,一部分則以原子狀態(tài)向金屬內(nèi)部擴散。當H+進入金屬點陣時會發(fā)生幾種有關(guān)的現(xiàn)象:首先,氫元素能夠擴散到空隙等開放體積區(qū)域,氫在那里重新結(jié)合形成氫氣。H2分子比H+的擴散率低得多,因此被捕陷在空隙中,導致局部內(nèi)拉伸應力增大。然后,在一定的應力作用下(外載荷作用產(chǎn)生的附加應力或鋼中存在的殘余應力),在局部的應力集中區(qū)產(chǎn)生滑移和塑性變形,進而產(chǎn)生微裂紋核。當然,這種微裂紋核可能由冷、熱加工所引起而早存在于內(nèi)部,例如,在一已有裂紋前沿的三向應力區(qū)內(nèi),由于位錯的塞積而產(chǎn)生微裂紋核(見圖1)。這些微裂紋核如果沒有氫的進一步作用,一般是不會擴展的。但當鋼中溶入一定量的氫氣,氫原子向微裂紋中擴散,并在微裂紋中結(jié)合氫分子,對壁面產(chǎn)生高壓力(見圖2),由捕獲氣體產(chǎn)生的內(nèi)壓力能夠達到1MPa,促使微裂紋長大。最后許多微裂紋互相合并,并與原有裂紋連接。于是裂紋向前擴展,這樣不斷地循環(huán),裂紋繼續(xù)不斷地向前擴展,直到剩余的有效截面小到不能支撐外載荷時,即產(chǎn)生瞬時破壞。這就是氫脆的位錯假設(shè)學說。氫原子很小,和碳原子一樣會在晶格缺陷處偏聚,如晶界、相界,降低晶界的表面能,脆化晶界,甚至在晶界上形成微裂紋,并提供裂縫通道。因此,一般認為氫脆是由于氫優(yōu)先滲入晶界而削弱了晶界,或者滲入鋼中的氫在晶界聚集造成巨大的內(nèi)應力而削弱了晶界的結(jié)果。這就是晶界假設(shè)學說。不論哪一種學說,都集中在氫原子的滲入、擴散、應力三者之間的關(guān)系上。3應變面為三維面,斷口有裂紋,氫脆斷口宏觀形態(tài)的主要特征是:在大截面鍛件的斷口上可觀察到白點,如圖3所示。但在小型零件或絲材斷口看不到白點,而是可觀察到在邊緣有白色亮環(huán),邊緣沒有變形或起毛刺,邊緣附近的斷面有呈光亮狀的、靠近表面呈半圓形的小斷裂面,見圖4箭頭所示。進一步放大觀察,斷面上有細小的裂紋,見圖5。將拉伸試樣斷口制成光學金相試樣,拋光后在光學顯微鏡下觀察,裂紋呈Z形,裂紋兩頭比較尖,腐蝕后觀察,發(fā)現(xiàn)裂紋沿原奧氏體晶界擴展。圖6(a)是圖4所示試樣的光學圖象,圖6(b)、圖6(c)為氫脆裂紋拋光形貌,圖6(d)為腐蝕態(tài)形貌。70Y熱軋盤條Φ6.0mm經(jīng)11道次冷拔至Φ2.7mm后再一次電解酸洗,鍍鋅后做性能試驗,試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),鍍后扭轉(zhuǎn)和彎曲性能急劇下降,僅為1次,而酸洗前的黑線性能完全符合要求,扭轉(zhuǎn)達30多次。4防止絲酸溶膠污染的方法防止鋼絲氫脆的方法主要是嚴格控制酸洗時間,特別是采用硫酸酸洗時更要嚴格控制在加熱條件下的酸洗時間。當氧化鐵皮除盡后繼續(xù)酸洗時,稍不注意就可能造成過酸洗,并嚴重滲氫。采用電解酸洗方法酸洗時,也要注意控制酸洗時間。電解酸洗是借助外加電勢,加速鋼絲在酸液中的電化反應,從而使氣體向鋼絲表面聚集,加速對氧化鐵皮的剝離作用。這種新的酸洗方法在酸洗過程中不僅發(fā)生化學反應,還發(fā)生電化學反應。電解酸洗金屬損耗少、酸洗速度快、酸洗質(zhì)量好,并且不太受酸液濃度和鐵鹽含量的影響。但也不能完全避免氫脆發(fā)生,尤其是采用陰極電解酸洗時。防止鋼絲酸洗過程中產(chǎn)生氫脆的方法通常有以下幾種:(1)在酸液中添加緩蝕劑緩蝕劑可減緩酸對鋼鐵件的溶解速度,而對氧化鐵皮無太多影響,從而減輕了氫的析出,也減少了氫向鋼中的滲入。在硫酸液中可添加LK-45型緩蝕劑或苦丁;在鹽酸液中可添加LK-46型緩蝕劑或烏洛托品。在實際電解酸洗生產(chǎn)中,常在酸液中加些鉛鹽和錫鹽,當陰極在去除氧化鐵皮后,表面就會被鉛和錫所覆蓋而形成一層膜,阻止了金屬基體被侵蝕和氫原子向基體內(nèi)部擴散,較好地防止了氫脆的產(chǎn)生。(2)嚴格遵守工藝程序工件酸洗之前必須先經(jīng)過化學去油工序,以便酸洗時酸洗液直接均勻地接觸整個需要接觸的表面,從而防止因局部有油污而延長酸洗時間所造成的嚴重的滲氫現(xiàn)象。(3)嚴格控制酸洗溫度酸洗時,隨著酸洗液溫度的提高會加速酸洗速度,同時也加劇滲氫程度,故不要只求酸洗速度而忽略溫度的控制。(4)采用陽極酸洗方法易滲氫的合金鋼件不易采用陰極電化學方法酸洗,建議采用陽極酸洗方法。陽極酸洗是以鋼絲作為陽極,靠鋼絲陽極的溶解作用去除鋼絲表面的氧化鐵皮。陽極電解酸洗可以解決氫脆問題。陽極酸洗時必須嚴格控制酸洗時間(通過控制電流密度),防止在鋼絲表面留有污物。(5)采用陰極-陽極電解酸洗法將鋼絲作陰極和陽極交替使用的電解酸洗方法,綜合了陰極和陽極電解酸洗的優(yōu)點,鋼絲不需要接觸電極,可以自由行走。此方法的關(guān)鍵問題是電流密度和線速的匹配,如果匹配不好,不是欠酸洗就是過酸洗,氫脆問題也就不能解決。(6)采用常溫條件下的鹽酸酸洗鹽酸在常溫條件下,對氧化鐵皮同樣有較強的侵蝕溶解能力,而對鋼鐵基體的侵蝕相對較為緩慢,故