5-电镀紧固件的氢脆、去氢处理及氢脆的检测方法

5-电镀紧固件的氢脆、去氢处理及氢脆的检测方法电镀紧固件的氢脆和去氢处理紧固件由于氢脆产生的脆性断裂一般发生得很突然，是无法预料的故这种失效形成造成的后果是很严重的尤其是在安全性能要求时，减少氢脆是很必要的

1、减少电镀紧固件氢脆的产生a、加工硬度大于或等于320HV的电镀紧固件，在清洗过程前，应增加应力释放过程；在清洗过程中，应使用防腐蚀酸、碱性或机械方法进行浸入到防腐酸的时间尽可能地设计为最小持续时间b、硬度超过320HV的紧固件在进行冷拔、冷成形、机械加工、磨削后进行热处理工序时，应符合ISO9587的规定c、应尽可能避免有意引入残余应力办法，如螺栓、螺钉在热处理后碾制螺纹d、经热处理或冷作硬化的硬度超过385HV或性能等级

12.9级及其以上的紧固件，不适宜采用酸洗处理应使用无酸的特殊方法，如碱性清洗、喷砂等方法的氢脆失效将使生产效率大大降低对有潜在氢脆失效率危险的汽车必进行逐一检查，并使用新的可靠的紧固件替换所有可疑的紧固件，而更换紧固件将耗费大量时间更换氢脆破坏的紧固件对于汽车制造商和紧固件制造商都将是不小的负担金属氢脆原因及去氢脆方法在任何电镀溶液中，由于水分子的离解，总或多或少地存在一定数量的氢离子因此，电镀过程中，在阴极析出金属（主反应）的同时，伴有氢气的析出（副反应）析氢的影响是多方面的，其中最主要的是氢脆氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一，析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂，造成严重的事故表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,以使氢脆的影响降低到最低限度

一、氢脆1氢脆现象氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件，在装配之后数小时内陆续发生断裂，断裂比例达40%〜50%某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂，曾组织过全国性攻关，制订严格的去氢工艺另外，有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具（钢丝、铜丝）由于经多次电镀和酸洗退镀，渗氢较严重，在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒，经多次镀格之后，堕地断裂;有的淬火零件（内应力大）在酸洗时便产生裂纹这些零件渗氢严重,无需外加应力就产生裂纹，再也无法用去氢来恢复原有的韧性2氢脆机理延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多（原子点阵错位、空穴等）氢扩散到这些缺陷处，氢原子变成氢分子，产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力，当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生氢脆既然与氢原子的扩散有关，扩散是需要时间的，扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关因此,氢脆通常表现为延迟断裂氢原子具有最小的原子半径，容易在钢、铜等金属中扩散,而在镉、锡、锌及其合金中氢的扩散比较困难镀镉层是最难扩散的，镀镉时产生的氢，最初停留在镀层中和镀层下的金属表层,很难向外扩散，去氢特别困难经过一段时间后，氢扩散到金属内部，特别是进入金属内部缺陷处的氢，就很难扩散出来常温下氢的扩散速度相当缓慢，所以需要即时加热去氢温度升高，增加氢在钢中的溶解度，过高的温度会降低材料的硬度，所以镀前去应力和镀后去氢的温度选择，必须考虑不致于降低材料硬度，不得处于某些钢材的脆性回火温度,不破坏镀层本身的性能

二、避免和消除的措施

1.减少金属中渗氢的数量在除锈和氧化皮时，尽量采用吹砂除锈，若采用酸洗，需在酸洗液中添加若丁等缓蚀剂;在除油时，采用化学除油、清洗剂或溶剂除油，渗氢量较少，若采用电化学除油，先阴极后阳极;在电镀时，碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少

2.采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层一般认为,在电镀Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb时，渗入钢件的氢容易残留下来，而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度，渗氢较少在满足产品技术条件要求的情况下,可采用不会造成渗氢的涂层，如达克罗涂覆层可以代替镀锌，不会发生氢脆，耐蚀性提高7〜10倍，附着力好，膜厚6〜8um,相当于较薄的镀锌层,不影响装配

3.镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大,镀前应进行回火处理，减少发生严重渗氢的隐患对电镀过程中渗氢较多的零件原则上应尽快去氢，因为镀层中的氢和表层基体金属中的氢在向钢基体内部扩散,其数量随时间的延长而增加新的国际标准草案规定“最好在镀后lh内，但不迟于3h,进行去氢处理”国内也有相应的标准，对电镀锌前、后的去氢处理作了规定电镀后去氢处理工艺广泛采用加热烘烤，常用的烘烤温度为150〜300℃,保温2〜24h具体的处理温度和时间应根据零件大小、强度、镀层性质和电镀时间的长短而定去氢处理常在烘箱内进行镀锌零件的去氢处理温度为110〜220℃,温度控制的高低应根据基体材料而定对于弹性材料、

0.5mm以下的薄壁件及机械强度要求较高的钢铁零件，镀锌后必须进行去氢处理为了防止“镉脆”，镀镉零件的去氢处理温度不能太高,通常为180〜200℃

三、应注意的问题材料强度越大，其氢脆敏感性也越大,这是表面处理技术人员在编制电镀工艺规范时必须明确的基本概念国际标准要求抗拉强度o b105kg/mm2的钢材，要进行相应的镀前去应力和镀后去氢处理法国航空工业对屈服强度s90kg/mm2的钢件就要求作相应去氢处理由于钢材强度与硬度有很好的对应关系，因此，用材料硬度来判断材料氢脆敏感比用强度来判断更为直观、方便因为一份完善的产品图和机加工工艺都应标注钢材硬度在电镀中我们发现钢的硬度在HRC38左右时开始呈现氢脆断裂的危险对高于HRC43的零件，镀后应考虑去氢处理硬度为HRC60左右时，在表面处理之后必须立即进行去氢处理，否则在几小时之内钢件会开裂除了钢材硬度外，还应综合考虑以下几点

①零件的使用安全系数:安全重要性大的零件,应加强去氢;

②零件的几何形状:带有容易产生应力集中的缺口，小R等的零件应加强去氢；

③零件的截面积:细小的弹簧钢丝、较薄的片簧极易被氢饱和,应加强去氢；

④零件的渗氢程度:在表面处理中产生氢多、处理时间长的零件，应加强去氢；

⑤镀层种类:如镀镉层会严重阻挡氢向外扩散，所以要加强去氢；

⑥零件使用中的受力性质:当零件受到高的张应力时应加强去氢，只受压应力时不会产生氢脆；

⑦零件的表面加工状态:对冷弯、拉伸、冷扎弯形、淬火、焊接等内部残留应力大的零件，不仅镀后要加强去氢,而且镀前要去应力；

⑧零件的历史情况:对过去生产中发生过氢脆的零件应特别加以注意，并作好相关记录去氢脆主要原因是电镀工艺中导致的金属“氢化”现象导致的，而你用的不合格品呢并不是电镀工艺本身有问题，因为电镀（真空镀除外）本来就会造成金属氢化，但是目前有许多金属表面处理商都去掉了最后一个工艺（特别是对于弹性元件很致命的）那就是“去氢处理”工艺，也就是说正常情况下，对于有强度要求的金属零件需要完成去氢后才能交给用户的，但是为了节省生产成本，而用户又不懂的情况下或者从来没有要求过、验收过的情况下，省略这一工艺可以节省5〜15%的成本呢所以你感觉到电镀后的螺栓、弹垫等零件在电镀处理后“变脆”To一般地说对于有强度要求的金属零件的去氢处理要求是:120度〜220度高温保持1〜2小时（电镀结束后），具体情况需要按照零件要求来控制由氢脆引起的紧固件断裂常常令人吃惊和费解费解的是,紧固件已达到了各种规范和测试，但仍然由于脆裂而断裂；令人吃惊的是，在紧固件安装多年以后，仍可能发生断裂

一、高险产品高强度、高硬度、经电镀的碳钢紧固件是最危险的产品氢脆断裂表现为一种脆裂（塑性收缩无迹象），这种断裂面为结晶状，并且不以腐蚀为征兆由于这类紧固件经常被用于关键性部位，紧固件制造厂和用户对其断裂的敏感程度都非常之大断裂例证说明一种与有关的问题理念

1.用于汽车高强度钢淬火并回火，硬度达HRC38,热处理后冷加工，镀镉，高扭矩装配延迟断裂（日）

2.关键螺母用于直升机高强度钢淬火并回火，硬度达HRC50,汽化渗镀镉，高工作载荷——延迟断裂（年）

3.关键螺栓用于飞机——高强度钢淬火并回火，硬度达HRC45,电镀镉，高扭矩装配延迟断裂（小时）

二、脆裂机理所产生的初生被钢基体吸收表面杂质抑制吸收率电镀也对密封氢气起作用氢气扩散到高三轴应力区（氢气具有阳极部分克分子容量）把氢气分解吸收（先分奥氏体晶界、马氏体板界和碳化物界面等）当分离器的氢气集中度超过规定值处于边界或界时，就会发生快速断裂、脆性断裂虽然电镀是其主要问题，而化学镀和转换镀也会出现一些问题

三、缓解方法为了避免这些问题，鼓励关键联接的设计者去规范低强度合金紧固件，这些紧固件不易发生氢脆断裂，容许的材料名单包括合金钢——淬火并回火；低碳钢——冷加工；钛合金----氢化物型；镁合金-----峰值时效；铝合金---峰值时效紧固件制造厂商都在寻找氢脆问题的方法这些方法包括:采用低氢清洗和低氢电镀槽其目的是减少氢气的暴露，其后镀处包括在375°F-400°F191-204℃下烘烤紧固件2-24小时电镀后必须在30分钟-2小时之内完成，否则会引起残余应力裂纹对氢脆消除的烘烤通常不会排出或释放氢气，它可重新把氢气分给密集的分离器，而不会出现什么危险

四、测试对紧固件氢脆的质量测试一直没有准确的判定制造厂商和用户都想寻求一种既简单准确又令人信服的测试,这样探索是靠迟断裂方式来实现的延迟断裂测试是由ASTM（美国材料试验协会）、IFI（美国工业紧固件协会）、Mil Specs（军事标准）和有关汽车公司设计发明的，这种测试要求数目不等的样品、涉及拉伸载荷和弯曲载荷、加载的时间长短以及允许一个测试批中多少断裂的样品等由于断裂时间从24-200小时不等，并主要通过肉眼直观检查来判定合格与否这很明显谁也不能确切说在使用过程中不会发生断裂，这样的测试要求制造方或电镀方担供额外的处理时间并使程序变复杂化另一些形成的测试，如提升分级载荷测试、慢速应变率测试和验收测试提高了有效性，也增加了不确定性，谁保证他们不会有氢脆问题当时还有几种研制和试验在深入了解之中，针对氢脆的提升分级载荷测试在进一步考核中，这些测试这所以重要是这些测试要求减少时间特别是验收测试涉及到超应力和暂缓断裂，这可对测试样品引起损害，并导致应力腐蚀裂纹或疲劳断裂

五、应力腐蚀与氢脆比较虽然氢脆（HE）和应力腐蚀断裂（SCO二者都具有延迟断裂形式，其前者是由制造工艺产生的，后者是外界服务环境产生的从各种化合中产生的氢气及大气暴露可渗入未涂敷的紧固件，并产生应力脆裂应力腐蚀破裂不完全是由氢引e、热处理或冷作硬化的硬度超过365HV的紧固件，应采用大阴极功率电镀溶液电镀工艺f、钢制紧固件为了进行电镀，表面应经特殊处理，即经最小浸入时间清洗后再进行电镀G、选择合适的镀层厚度，因为随着镀层厚度的增加，氢释放的难度也增加了

2、对以下紧固件产品电镀后必须有进行去除氢脆处理a、性能等级大于或等于

10.9%级的螺栓、螺钉和螺柱；b、硬度大于或等于372HV的弹性垫圈或弹性垫圈组合件;c、性能等级大于或等于12级的螺母；d、自攻螺钉、自攻自钻螺钉、自攻锁紧螺钉等表面淬硬类紧固件；e、抗拉强度大于或等于lOOOMPa或硬度大于或等于365HV金属弹性夹等紧固件

3、去除氢脆的措施去除氢脆的措施实际上就是烘干过程，可以说是为了使氢脆减少到最小，在给定的温度下和规定的时间内，将零件加热的过程电镀后烘干过程就是将钢中的氢蒸发和不可逆收集而释放氢原子的过程，在GB/T

5267.1附录A中给出了烘干过程的详细资料根据零件的产品品种、几何形状、材料、性能等级或硬度、清洗工艺、镀层种类及电镀工艺的不同，制定的烘干工艺也不同去除氢脆时应注意以下几点a、不应采用超过零件回火的温度进行烘干；b、烘干过程应最好在电镀后（最好在lh内），辂酸盐钝化处理前立即进行；c、烘干温度在200〜230℃是合理的，一般采用较低的烘干温度和较长的烘干时间；D、烘干持续时间在2〜24h内选取，一般8h烘干持续时间的典型示例紧固件产品氢脆的检测方法

一、范围本标准规定检查紧固件氢脆的测试方法适用于螺栓，螺柱，螺钉，螺母垫圈

二、定义1氢脆敏感性因钢质紧固件中存在着游离的氢，在承受相应等级的拉应力并或处于不利于服役条下，钢质紧固件表现为一种脆性的破坏特性2氢脆倾向如果紧固件由对氢脆敏感的钢制成，并吸收了氢，其破坏倾向就会增大3生产批同一标记的，用同一炉线材制造的，在整个连续周期内，采用相同或类似工艺并、经过相同的热处理和涂层覆盖工艺的紧固件数量

三、试样要求1实验用的螺栓螺母等应来自同一批生产，其工艺应一致2试样以目视观察，应看不见裂缝.

四、使用设备实验板，扭力扳手.

五、测试方法预载荷试验平行支持面法GB/T

3098.17-2000idt ISO15330:1999

六、测试程序一螺栓，螺钉，螺母或螺柱1在实验板上安装5个螺栓或螺钉，使其紧贴实验板表面2用适当的扭力扳手拧紧组合件，直至达到各自的屈服点，拧紧扭矩的加载对象应一致，最大拧紧速度20R/MIN.3记录5个实验组合的屈服点分别对应的扭矩值.并算出平均值和最大最小值之间的差异,如差值小于平均值的15%,则此平均值作为实验样品的拧紧扭踞值.如果差值操过了15%,则应将试样分别拧紧直各自的屈服点.4在实验板上拧紧规定的试样，达到实验拧紧扭矩，或是符合1-3条规定的屈服点.注A实验时，承受应力之未旋合螺纹长度N1D,且伸出螺母之完整螺纹长度应＜5P B螺母的实验与螺栓相同.

（二）弹簧垫圈1将规定数量的试样，用增垫圈相互隔开，装到螺纹公称直径与其公称直径相同的实验螺栓（锥型弹簧性垫圈应成对隔开）2拧紧实验组合件（螺帽）直至压平弹簧性垫圈实验结束后，在不使用放大镜的条件下检查试样若无目测可见之裂缝或短裂，则作为合格

八、注意事项1实验实施过程中，应特别注意有氢脆条件的紧固件试样可能突然断裂，从而造成伤害，因此应适当使用设备，以免伤害发生2螺栓螺钉螺柱或螺母试样在实验前应进行润滑，以提高实验的可靠性3本实验的灵敏度应取决于实验的开始时间，所以最好在制造结束后24小时内进行，延长时间将会减少查出氢脆的可能性4实验中试样出现裂缝，掉头或是断裂，并不一定是表面处理工艺引起的氢脆所致，可以用没有经过表面处理的紧固件进对比实验，以确定产生氢脆的制程硅油检测法用200#硅油加热到200℃±10℃恒温,慢慢将试样置入有硅油的容器中，5分钟后检查，若无连续气泡产生，则视合格紧固件的氢脆处理文章引用自:［引用］2008-03-121发表者:螺丝紧固件的氢脆是由于在早期处理过程中有氢原子进入材料内部多数情况下，紧固件在承受静态拉伸载荷的条件下发生氢脆（氢在承受静载的紧固件中的扩散可以通过氢脆断裂前的延迟时间而直接观察到），但在进行高应变速率材料试验（如普通拉伸试验）时，不易发生氢脆氢原子通常向材料中承受三向应力的区域扩散氢在陷阱位置的聚集将使得材料的断裂应力下降，以致在材料中出现裂纹形成、裂纹扩展及至失效等现象如果紧固件在处理过程中曾经接触过具有氢离子的环境，它就有可能发生氢脆在钢发生化学或电化学反应的过程中产生氢的任何处理都将使氢进入材料，从而增加材料的氢脆倾向汽车工业中使用的钢质紧固件在环境腐蚀、阴极电解除油、酸液去氧化皮、化学清洗、发黑和电镀一类的化学转化膜处理条件下，都将与活性氢原子直接接触钢中因含有氢而使材质变脆甚至引起断裂，是钢材氢损伤形态之一通过电解、电镀、非真空条件下的冶炼与浇铸、湿环境焊接、热处理、H2s环境、高温临氢环境等途径，氢以原子态进入钢材内部，在一100〜100℃的温度区间内聚集成分子态之后，一方面在钢材内造成内压与内应力，另一方面氢又使材料弱化脆化（指固溶氢使钢材的表面.能降低易断裂，还可能与材料中的Ti、Zr、V、Nb、Ta等元素形成脆弱的氢化物）这样将使材料的脆性上升，塑性与韧性下降，变得易裂易断其它与钢作用时产生氢的过程，如酸洗、热处理后去氧化皮或镀前处理，其影响也都是不容忽视的John-son的研究很好地描述了浸入酸液对钢的韧性的影响紧固件处理过程中对氢的吸收是累积性的单一的某种处理引入零件的氢或许不足以导致氢脆，但多种处理引入零件的氢的累积却有可能导致氢脆电镀或清洗过程中氢吸收的不利影响可在电镀后的加热处理通常是指烘烤过程中予以消除或减轻氢脆危害的严重程度通常取决于紧固件的强度级别和/或冷加工状况Troiano曾经给出过失效时间与氢含量及烘烤时间之间的关系通过烘烤，材料中氢的聚集减轻，失效时间和较低的临界应力水平则得以延长和提高这里，临界应力水平是指低于其下就不会发生氢脆的应力水平，类似于疲劳极限电镀过程中溶入钢内的氢导致零部件开裂是典型的氢脆高温加氢反应器在高温下吸收了足够的氢，停车时冷却过快使氢难以逸出钢材而使氢过饱和，将导致氢脆的出现但温度过高或过低时不出现氢脆现象通常氢脆导致材料性能的退化可归纳为氢环境脆化HEE、应力开裂HSC、拉伸延性损失三类碳钢、低合金钢和高强度钢均有氢脆倾向，尤以高强度钢最为严重烘烤时间是否足够主要取决于材料的硬度级别、电镀过程、镀层类型和镀层厚度经电镀处理的较低硬度水平35HRC的紧固件一般应至少烘烤4小时；同样的镀层，但硬度水平较高36HRC的紧固件一般应至少烘烤8小时曾有建议指出硬度在31〜33HRC之间的紧固件应烘烤8小时；硬度在33〜36HRC之间的紧固件应烘烤10小时；硬度在36〜39HRC之间的紧固件烘烤12小时硬度在39〜43HRC之间的紧固件应烘14小时烘烤工艺的制订应同时考虑到紧固件的硬度水平与镀层类型镀层在一定程度上可以起到氢扩散障碍的作用,这将阻碍氢向紧固件外的扩散一般来说，氢透过疏松涂层向紧固件外扩散比透过致密涂层向外扩散要容易镀锌层与较致密的镀镉之间即有这种差别为了使尽可能多的氢扩散出材料,有必要采取更长的烘烤时间A.W.Grobin Jr.认为，当镀层的厚度超过

2.5国n时，氢从钢中扩散出去就将比较困难在这种情况下，镀锌层就成了氢扩散的障碍可以认为，在这种情况下进行烘烤处理实际上使氢重新分布到了材料中的各个陷阱位置紧固件的氢脆失效的汽车工业中早已引起了人们的广泛关注这种失效不期而至，给汽车公司和紧固件供应商增加了很大的负担，不仅使其在经济上蒙受损失，而且还对公司的用户满意度以及汽车的安全性构成威胁防止紧固件的氢脆失效在汽车工业中日益受到重视遭受氢脆危害的紧固件可在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下,于装配后的数分钟内发生早期失效在汽车装配车间，紧固件。