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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(qiáng)度/高硬度鋼制緊固件的酸洗，因?yàn)樗嵯纯杉觿浯?。在除銹和氧化皮時(shí)，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(jìn)行酸洗時(shí)，必須在制定酸洗工藝時(shí)確保零件在酸中浸泡的時(shí)間最長(zhǎng)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(shí)間不超過10分鐘；在除油時(shí)，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(yáng)極，高強(qiáng)度零件不允許用陰極電解除油；在熱處理時(shí)，嚴(yán)格控制甲醇和丙烷的滴注量；在電鍍時(shí)，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。

 

(2)、采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層。一般認(rèn)為，在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn、Pb時(shí)，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(kuò)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(huì)造成滲氫的涂層，如機(jī)械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層，不會(huì)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(jìn)行回火處理，回火消除應(yīng)力實(shí)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(huì)起到氫擴(kuò)散屏障的作用，這將阻礙氫向緊固件外部的擴(kuò)散。當(dāng)鍍層厚度超過2.5μm時(shí)，氫從緊固件中擴(kuò)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(qiáng)度螺栓，鍍層厚度應(yīng)控制在8μmmax。這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到高強(qiáng)度螺栓的氫脆風(fēng)險(xiǎn)，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(qiáng)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(qiáng)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(yán)重的。尤其是在有安全性能要求時(shí)，減少氫脆的產(chǎn)生是很有必要的，因此，高強(qiáng)度緊固件去除氫脆是一項(xiàng)很重要的工作工作。
  對(duì)于高強(qiáng)度緊固件除氫的方法和方式各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行除氫處理,也不需要做氫脆試驗(yàn)；硬度大于或等于32HRC，并經(jīng)酸洗及涂油、磷化、機(jī)械鍍鋅、電鍍鋅等表面處理的緊固件必須進(jìn)行除氫處理的觀點(diǎn)。表1列出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)除氫方法和方式的要求。
  要求進(jìn)行驅(qū)氫處理的緊固件的硬度，對(duì)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(duì)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(shí)，氫很難透過鍍層向外擴(kuò)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(kuò)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(xiǎn)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(shí)間和臨界應(yīng)力水平得以延長(zhǎng)和提高。因此，目前烘烤處理在減小高強(qiáng)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(jìn)行。

 

14、烘烤時(shí)機(jī)

產(chǎn)品電鍍后應(yīng)于4 小時(shí)之內(nèi)被烘烤，最好是在1 小時(shí)之內(nèi)以及鉻酸鹽處理之前，因?yàn)閷?shí)施烘烤時(shí)如果溫度在150°F(66°C)以上鉻酸膜將會(huì)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(cè)試任何材料對(duì)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(shí)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(qiáng)度的鋼，其烘烤過程的有效性隨著時(shí)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(cè)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(dāng)制造易發(fā)生氫脆化產(chǎn)品時(shí)，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(jī)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(zhǎng)的時(shí)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(shí)間

16.1 ISO 4042-2018有關(guān)烘烤時(shí)間的解釋

影響烘烤效率的關(guān)鍵因素是

— 溫度，

— 持續(xù)時(shí)間，

— 涂層的滲透性，

— 涂層厚度。

 

對(duì)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(shí)至10小時(shí)在190°C到220°C是

一個(gè)最低推薦烘烤持續(xù)時(shí)間。然而：

— 根據(jù)緊固件的種類、尺寸和強(qiáng)度/硬度等級(jí)，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(shí)間;

— 根據(jù)緊固件的類型, 尺寸和強(qiáng)度/硬度水平, 烘烤持續(xù)時(shí)間可達(dá)24小時(shí), 足以減少移動(dòng)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?yàn)殇\是氫擴(kuò)散的有效屏障。結(jié)果表明,烘烤持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)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(zhǎng)烘烤持續(xù)時(shí)間。

如ISO 898-1所規(guī)定的10.9級(jí)緊固件, 正確地制造到預(yù)期的材料和冶金性能, 不會(huì)因?yàn)镮HE敏感而失效, 也不需要烘烤。鑒于目前對(duì)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(jí)10.9的緊固件有時(shí)被烘烤作為預(yù)防制造錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)過于寬泛, 不適用于緊固件。

ISO 2081, ISO 9588和ISO 19598中規(guī)定的烘烤標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)間的超標(biāo)會(huì)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(jìn)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(gè)良好的規(guī)程的問題，電鍍和烘烤之間的時(shí)間應(yīng)該保持短。這種做法的目的是最大限度地提取移動(dòng)氫, 否則移動(dòng)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(shí)間(例如4小時(shí)) 純粹是主觀的, 目的是作為一個(gè)實(shí)際的運(yùn)作時(shí)間框架, 也是一個(gè)質(zhì)量保證機(jī)制, 以監(jiān)測(cè)良好的規(guī)程。涂層和烘烤之間的時(shí)間不應(yīng)用作緊固件批次的可接受性的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn), 它絕對(duì)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(shí)間和溫度均勻性, 應(yīng)加以控制。要達(dá)到一個(gè)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(fù)載測(cè)試和/或工藝鑒定試驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來驗(yàn)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(qiáng)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(xiǎn)降至最低。 

 

 

 

17、檢測(cè)方法

17.1氣泡法
這是一種比較快速、簡(jiǎn)便的試驗(yàn)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(yàn)時(shí)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(huì)接觸到氫，從嚴(yán)格的意義來說，此方法對(duì)實(shí)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(yàn)方法，ISO、DIN、EN、GB、SAE等標(biāo)準(zhǔn)都是規(guī)定的采用這種方法。僅試驗(yàn)扭矩的設(shè)置和試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)短不同而已。 

? 測(cè)試觀念是設(shè)計(jì)在緊固件的最大應(yīng)力下實(shí)施一個(gè)模擬的實(shí)際狀況。

? 應(yīng)力通常達(dá)到緊固件的一特定的旋緊度或預(yù)先計(jì)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(shí)再旋緊。

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

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.17-2000的規(guī)定

? 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.17-2000《檢查氫脆預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法》（等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 15330：1999標(biāo)準(zhǔn)，與德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO 15330也完全一致。）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：
預(yù)載荷試驗(yàn)應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)夾具上進(jìn)行。緊固件承受的應(yīng)力應(yīng)在其屈服點(diǎn)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(dòng)攻有螺紋的鋼板施加?？杀ＷC相應(yīng)緊固件所需應(yīng)力能處于其屈服點(diǎn)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(shí)以上。每隔24小時(shí)應(yīng)將緊固件再擰緊到初始應(yīng)力或扭矩，同時(shí)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(yàn)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(gè)或多個(gè)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(gè)螺栓或螺釘試件按圖示裝夾，再分別擰緊至屈服點(diǎn)，記錄下達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)的擰緊扭矩，這5個(gè)擰緊扭矩的平均值即為氫脆試驗(yàn)的擰緊力矩。

 

 

(2)、自擠螺釘、自攻螺釘和自鉆自攻螺釘：試驗(yàn)夾具是一塊預(yù)制螺紋孔的鋼板，如圖3。取5個(gè)螺釘試件分別擰入試驗(yàn)板直至螺釘頭部與試驗(yàn)板貼合。繼續(xù)擰緊螺釘使5個(gè)螺釘分別達(dá)到其破壞扭矩，其中的最小值的90%即為試驗(yàn)扭矩。由于十字槽、內(nèi)花形槽等扳擰形式可能會(huì)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(shí)就取規(guī)定的最小破壞扭矩的90%作為試驗(yàn)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(gè)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(duì)組裝試驗(yàn)，將組裝件擰緊至被試墊圈試件完全壓平。

 

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

? 值得注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法僅適用于過程控制，并不作為驗(yàn)收檢查的試驗(yàn)項(xiàng)目。

 

17.3美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)SAE/USCAR-7標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是：

從待測(cè)零件批中隨機(jī)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(gè)緊固件的最大破壞扭矩，計(jì)算出5個(gè)數(shù)值的平均值，此值的80%將作為測(cè)試扭矩。然后采用相同夾具、相同負(fù)載方法向待測(cè)零件施加測(cè)試扭矩，具體被檢測(cè)的零件數(shù)量應(yīng)由供需雙方協(xié)商決定并在控制計(jì)劃中規(guī)定。施加扭矩后的零件靜置24小時(shí)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(bào)廢處理；如無損壞發(fā)生，則繼續(xù)負(fù)載24小時(shí)后再次施加測(cè)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(bào)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