弹簧钢材及其合金在酸洗溶液中,由于全面腐蚀或局部腐蚀而产生氢,新生的氢进入金属中并在金属内部缺陷或内部应力集中处的聚集而造成的断裂。这种断裂发生于各种弹簧钢材(特别是高强度弹簧钢)和各种不锈弹簧钢其合金。弹簧钢材酸洗时造成的氢脆会给以后的加工带来麻烦。为了防止弹簧钢材的氢脆,可以采取以下方法。
对于在易产生氢脆的环境中使用的弹簧钢材,往往是在弹簧钢中加入一些合金元素来提高弹簧钢材的抗氢脆性能。例如:
①在弹簧钢中加入Cr、Al和Mo等,(低合金弹簧钢12Cr2MoAIV等)在弹簧钢表面形成致密的保护膜,阻止氢向弹簧钢内的扩散。
②在弹簧钢中加入Ti、B、V和Nb等与弹簧钢中碳形成稳定碳化物。此类弹簧钢种经调质处理,得到细而分散度好的稳定碳化物,减低了弹簧钢中CH4的生成(如08PV、40B等)。
③加入氢过电值低的元素,如Pt、Pd和Cu等元素,使腐蚀反应产生的原子氢H吸引到合金表面的这些金属上,使H易于结合成H2外逸,减少了H向弹簧钢内的扩散。这类元素的加入量通常为0. 0010/~0. 095%。
④在弹簧钢中加入Mo、W、Cr和Nb等降低氢原子在Fe中的扩散速度,有利于降低弹簧钢中氢的含量和局部浓集,提高抗氢脆能力。
⑤改变合金的相结构,增加氢的溶解度和降低氢扩散能力。例如面心立方晶格y-Fe中氢溶解度比体心立方的a-Fe中大,而氢在y-Fe中的扩散系数为5.4×10 - 10 cm2/s,a-Fe中为1.6×10'1j CIT12/s,因此,奥氏体弹簧钢氢脆敏感性低。
在生产中,进行酸洗处理的弹簧钢材一般是成分已经确定的,适用范围比较明确的弹簧钢材。所以不可能采用这种加入合金成分的方法来提高弹簧钢材在酸洗后的抗氢脆性能。
气体向金属中的扩散可分为体扩散、晶界扩散和表面扩散,其扩散活化能关系为:Q体:Q界:Q表一4 2 3 2 2~4:2:1。对氢来说控制表面扩散极为重要。使材料表面生成氧化膜,可抑制氢向弹簧钢中的扩散。如钛合金管经400—600℃lOmin热处理后,生成的氧化钛膜对降低氢的吸收效果示于图2-58。但足在酸洗腐蚀反应中产生的一般为H+,由于H+直径很小(约10 srir'ri),有可能透过氧化层,在钛表面上产生还原反应。若在溶液中加入氧,即可有效地减轻氢在金属表面上的还原反应。
弹簧钢材中含有氢后,可通过烘烤除去氢,如有条件的可在真空中加热,效果更佳。例如钛合金在600—9000C,真空度为IO t mmHg下处理,一般均可使含氢量降低到IOXI0 6左右[22]。多数对易产生氢脆的酸洗的车间(大多数是冷拔车间)都设有烘干炉,以便酸洗后的弹簧钢材及时进行烘干,在消除酸洗氢脆后再进行冷拔加工。 烘干工艺的设定要根据弹簧钢材规格、弹簧钢种及产生氢脆情况而定。一般烘干温度为150~200℃,但也有的车间烘干温度达350℃。烘干时间也各不相同,一般为o.5~2h,个别情况也可达4h以上。如国外某厂对T7A弹簧钢料酸洗后在200℃下干燥4h左右,才送到冷拔机拔制。而国内某厂采用300~350℃的烘干温度,仅烘干20~30min就进行拔制也收到了好的效果。但对于酸洗氢脆性比较严重的弹簧钢材就需延长烘干时间。如某厂在生产~14mm的T12A冷拔弹簧钢材时, 由于工艺不当,冷轧头后在硫酸槽里酸洗lOmin左右,在冷拔时发现连续浙头,后送烘干炉(烘干温度3500C)干燥三个多小时,就比较顺利地实现了拔制‘21]。没有烘干设备的生产车间,为了降低或消除酸洗氢脆性,弹簧钢材在酸洗后一般要停放5~lOh以后再进行拔制加工。尤其是对酸洗氢脆性比较敏感的弹簧钢种(如高碳弹簧钢),停放时间更应当长些。如某厂对10~20弹簧钢,一般要停放2h后拔制。而对于35—45弹簧钢、35Cr~45Cr弹簧钢就需停放12h以上。对一些合金弹簧钢,由于氢原子从弹簧钢料内部析出比较缓慢,要求停放的时间应更长些。
烘干处理不仅取得良好的除氢效果,生产比较方便,而且在烘干过程中可去除弹簧钢材表而的水分,这不仅可减少拔制时的摩擦,还能防止弹簧钢材生锈。
①对于处在气态氢中的弹簧钢材,一般加入氧作抑制剂延迟断裂。在1000/纯干燥的氢气巾,裂纹扩展很快。但是在氢中加入0. 6%的02,即可有效抑制裂纹的扩展,见图2_59[22]。这是由于氧加入后,氧原子在裂纹尖端优先吸附,生成了具有保护性的氧化膜,从而阻止氢原子向 金属内部扩散,加入惰性气体没有观察到这种抑制效果。例如在只含44×10 6氢的总压为70MPa的氦气中,无论是弹簧钢或镍基合金,均发生了氢脆。 至于在水浴液中,一般采取加入添加剂的方法,以来抑制弹簧钢中氢的吸收量。例如在3% NaCI水溶液中,加入浓度为10 - 3 mol/l_的N-椰子素、伊氨基丙酸后,延长r高强度((s==1831~1920MPa)弹簧钢到达断裂时间和并降低了弹簧钢中的含氢量。
②在酸洗过程中,要严格按照弹簧钢材酸洗技术操作规程中所规定的工艺条件(浓度、温度等)进行酸洗。对某些氢脆敏感的弹簧钢料(如合金弹簧钢、高碳弹簧钢等)尽量不要在浓度过低、温度过高的酸溶液中酸洗。酸洗时,除在酸洗溶液里加入适量的缓蚀剂外,还要注意酸洗时间不要过长。对于要进行冷拔加工的弹簧钢材还要禁止在热锤头后温度未降到室温就进入酸洗槽。对于进行冷轧头的小规格《20mm)高碳弹簧钢料,酸洗工序要安排.