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如何規避高強度螺栓的氫脆風險

發表時間:2018-09-26 00:00

氫脆是指工件吸氫或原材料含氫過高而導緻的韌度和延性斷裂強度降低的現象。它的發生需滿足兩個條件,即金屬有較高的含氫量和一定的外力作用。

氫脆是一種延遲破壞、即材料在低于抗拉強度的應力作用下,經過一段時間後發生突然斷裂。其脆性表現為金屬材料的伸長率及斷面收縮率的降低,缺口抗拉強度降低,靜載下的滞後斷裂。氫脆一般發生于屈服強度大于620MPa的高強度材料。材料強度對氫脆敏感性的影響是:随着鋼的強度的提高,其變脆指數也升高,對氫脆樂敏感。由于氫脆具有延遲性和突發性,所以它的危害很大。

對于高強度螺栓不但使用中碳合金結構鋼,而且還要進行調質處理,熱處理調質是為了提高螺栓的綜合力學性能,以滿足産品規定的抗拉強度值和屈強比。

由于高強度螺栓生産量大,價格低廉,螺紋部分又是比較細微且相對精密的結構,因此要求熱處理設備必須具備生産能力大、自動化程度高、熱處理質量好的能力,90年代以來,我國帶有保護氣氛的連續式熱處理生産線已占主導地位,國内緊固件企業紛紛添置網帶爐,尤其适用于中小規格螺栓,避免了在熱處理加熱中螺栓氧化燒損、脫碳,得到光亮和光潔的表面。

保護氣氛常采用高純度甲醇經低溫催化裂解:CH3OHCO+2H2,爐内氣氛成分64%H232%CO

螺栓多采用冷镦工藝生産,局部地區材料塑性變形可達60%~80%,不允許有任何折疊。但由于機床精度、操作工人的技術水平、模具尺寸和質量等綜合因素影響,造成螺栓頭部和杆部結合處的晶粒破碎或金屬纖維斷裂,此處組織很不均勻,并形成一個脆性斷裂危險區域,造成應力集中。在熱處理式,較高的加熱溫度,氫很容易滲入螺栓應力集中的區域(螺栓頭杆結合處)。

氫滲入原因還很多,如酸洗和電鍍,都會發生氫的滲入。這是因為緊固件用戶市場對螺栓表面的要求越來越高(即要求螺栓表面具有特殊的處理、防腐性和均一的起動扭矩)。表面處理通常是電鍍,有機和無機物塗層或磷化,所有這些工藝有一個共同的前提——必須除去螺栓表面黑色氧化層,使具有金屬光亮,為此就必須對螺栓進行酸洗。

酸洗是把螺栓放在稀鹽酸中攪動10~15min。所以從酸洗到表面處理(如電鍍)期間,大部分氫侵入到螺栓表面。

氫脆斷裂均發生于螺杆處,端口平坦,源區呈放射狀特征,無縮頸變形。斷口上有數個台階,具有多裂紋源的特征,從宏觀端口特征分析為脆斷。

在熱處理加熱中,螺栓吸收并溶解的氫以原子形式進入晶格的間隙,為了降低晶格被氫脹大後造成的高能量狀态,在應力梯度驅動下,氫原子會以擴散方式遷移,自動集中到螺栓塑性變形後産生的缺陷處——頭杆結合部。大量氫原子的聚集,使該處氫含量增大。由于分子氫是更穩定的狀态,所以氫原子會以分子形式存在,而分子氫的比容很大,故體積膨脹就造成巨大的内應力,在一定外力共同作用下,使螺栓頭杆結合處産生裂紋,嚴重的産生斷裂。由于氫的擴散需要時間,且氫的濃度達到一定程度後才發生開裂,這一段時間為開裂孕育期。若實際應力大于上臨界應力,則出現瞬時過載斷裂;若小于下臨界應力,則長期工作也會斷裂。

氫脆的預防措施為在保證螺栓達到各項力學性能指标的基礎上(尤其是把強度和保證應力控制在合格範圍内),要對螺栓的硬度控制在一定範圍。

适當降低淬火加熱溫度。由于氫在金屬中的溶解度與溫度有關,所以降低溫度,可減少螺栓的吸氫量,對SCM435(35CrMo)SCr440(42CrMo)40Cr淬火或複碳工藝,加熱溫度一律控制在860 ~870攝氏度。在連續式網帶滲碳爐加熱時,要在保證爐内有足夠的保護氣氛,碳勢在0.33%~0.38%的前提下,盡量減少載氣和富化氣的供給量,使爐内氫的濃度降低,也就使螺栓中氫的滲入量減少。

減少應力集中,改善螺栓頭杆結合處的組織結構。精心調制冷镦機床,合理分配螺栓頭部的镦鍛變形量,增大頭杆結合處的過渡圓角,使其内部組織達到合理狀态。

推薦鍍鋅去氫工藝:鍍鋅越4~5min→200攝氏度去氫處理2~4h→清洗→再鍍鋅越4~5min→鈍化。高強度螺栓吸入氫并引發氫脆的發生,需要一定的時間,即它有一個孕育期,在生産中不易表現出來,所以常常被忽視。隻要認真遵循工藝規程,制定合理的加工工藝,就能防止氫脆的産生。