钢中氢气对特殊钢性能影响的研究.docx

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钢中氢气对特殊钢性能影响的研究

钢中氢气对特殊钢性能影响的研究

　　摘要：

炼钢过程中，通常会从大气中带入一些气体，或是反应中产生一些气体，这些都会对钢材性能产生有害影响,成为造成钢材显微缺陷的主要因素。

本文主要通过对特殊钢中的H2的来源、氢脆缺陷的研究，来探讨钢中H2对特殊钢性能的影响并提出相应对策。

中国论文网/2/view-12894878.htm

　　关键词：

特殊钢，氢气，性能，影响

　　Abstract：

Steelmaking process, usually mix the some gas fromatmosphere,or produce some gas from the reaction, these will produce harmful effects on steel performance and cause a 

　　microscopic defect of the main factors of steel.This paper 

　　mainly research from the source of the special steel of 

　　hydrogen and hydrogen brittleness defecttodiscussessteel 

　　of hydrogen influence on the performance of the special 

　　steel and put forward the corresponding countermeasures.

　　Keywords:

SpecialSteel,hydrogen,performance,research

　　中图分类号：

TQ116.2文献标识码：

A文章编号：

　　1特殊钢概述

　　钢铁分为普钢和特钢，与普通钢比较，特殊钢具有更好的强韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。

中国特殊钢包括优质碳素结构钢、弹簧钢、轴承钢、高速工具钢、耐热钢和不锈钢等，通常用在动力设备、飞机的涡轮盘、坦克发动机的曲轴、汽车的发动机等中，承受旋转载荷、反复冲击载荷、高温低温载荷或者在腐蚀环境下工作，因此，对特殊钢的缺陷有着严格的要求，一旦缺陷超标，将可能发生恶性事故，后果十分严重，因此特殊钢缺陷分析与对策在生产和事故分析中十分重要。

本文只是针对氢气对特殊钢性能的影响作了分析和总结。

　　2钢中氢的来源

　　氢气在炉气中的分压很低，因此钢中的氢气的主要来源是炉气中的水蒸气的分压力来决定的。

氢进入钢液的主要途径是：

通过废钢表面铁锈;铁合金中的氢气；增碳剂、保温剂、造渣剂、沥青和焦油中的水分；为烤干的钢包、中间包、中注管、钢锭模的喷涂料；连铸结晶器渗水以及大气中的水分与钢水或炉渣作用而进入钢中。

　　氢在钢中能造成很多严重缺陷，如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓包、焊缝热影响区内的裂缝等。

　　3氢脆缺陷的研究

　　如前所述氢在钢中能造成很多严重缺陷，氢脆则最为严重。

氢脆是在应力和过量氢的作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现象。

　　3.1几种主要的氢致脆化类型

　　3.1.1白点

　　在钢的纵向剖面上，白点呈发纹状。

这种白点在Cr-Ni结构钢的大锻件中最严重。

历史上曾因此造成许多重大事故，因此找出了精炼除气，锻后缓冷或等温退火等方法，以及在钢中加入稀土或其他微量元素使之减弱或消除。

　　3.1.2氢蚀

　　如果氢与钢中的碳发生反应，生成甲烷气体，也可以在钢中形成高压，并导致钢材塑性降低，这种现象称为氢蚀。

氢蚀脆化往往沿晶界发展，形成晶粒状端口。

甲烷气泡的形成和积聚到一定的量，需要一定的时间，并且温度越高，孕育期越短。

钢发生氢蚀的温度约为300~500摄氏度，低于200摄氏度时不发生氢蚀。

为了降低钢中的含碳量，减少形成甲烷的碳供应，或加入碳化物形成元素，如钛、钒等，它们形成的稳定碳化物不易分解，可延长氢蚀的孕育期。

　　3.1.3氢化物致脆

　　在纯钛、钒、锆、铌及其合金中，氢易形成氢化物使塑性变差、韧性降低，产生脆化。

　　3.1.4氢致延滞断裂

　　高强度的钢中含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在内部，特别是在三向拉力区形成裂纹，并且裂纹逐步扩展，最后会突然发生脆性断裂。

目前工程上所说的氢脆，大多数都是指这类氢脆而言的[3]。

　　3.2氢脆的影响因素及抑制措施

　　3.2.1钢铁基体的影响

　　并不是所有的金属在表面处理过程中都会产生氢脆,从各种失效报告统计结果和研究数据以及大量的生产实践看,氢脆主要产生在黑色金属的低合金高强度合金钢（抗拉强度不小于1050MPa）、不锈钢及弹性零件上,其原因许多学者目前看法不尽一致。

弹性紧固件材料的表面缺陷对电镀锌后的氢脆有严重的影响，如钢板表面轻微裂纹的重叠，斑痕蚀坑的夹杂和超过允许深度的脱碳层，压弯成型不当造成的表面擦划伤，局部应力集中等都会造成不良影响。

基体表面缺陷是电镀过程中原子氢陷阱的主要来源。

　　3.2.2处理工艺对氢脆的影响

　　3.2.2.1电镀工艺对氢脆的影响

（1）镀液体系对氢脆的影响及其抑制

　　电流效率越低，阴极附近氢离子浓度越高，形成阻挡层所需要的时间就越长，渗入基体的氢原子就越多；因此渗氢量的大小与镀液体系密切相关。

　　对电镀锌镍合金而言，渗氢量最大的是氯化物�C硫酸盐体系，其余依次是碱性体系、氧化锌�C氯化物体系、氨基磺酸盐（作为配位剂）体系和氯化物体系[4]。

实际生产中选择氯化物体系较好，因为其电流效率最高（可达95%以上）[6]，阴极析氢量最少，相应渗入到基体的氢就较少。

（2）添加剂对氢脆的影响及其抑制

　　同一种镀液使用不同的添加剂，渗氢量也是不同的。

添加剂存在的未共用的电子对，与酸性溶液中的H+作用，减少了氢离子与电子结合成原子氢的机会，使渗透到金属中的氢原子减少，从而改善了镀层的氢脆性。

这类添加剂主要是杂环类、醛类及酮类等有机物。

　　（3）电镀工艺对氢脆的影响及其抑制

　　钢铁基体表面锌镍合金镀层中的氢要及时去除。

原则上电镀后应尽快除氢，因为镀层中的氢向钢基体内扩散聚集的数量随时间的延长而增加，导致引起氢脆的危险性增大[6]。

　　3.2.2.2酸洗对氢脆的影响及其抑制

　　酸洗是零件电镀过程中产生渗氢的主要环节，在酸洗中钢所吸收的氢量与时间的平方根成正比，直至达到饱和。

在pH较低的溶液中，其饱和值较高；而pH较高时，饱和值较低。

另外，氢进入粗糙表面比进入光滑表面难，因此零件在加工时表面光洁度不必太高。

（1）高强度合金钢、弹性和长期受力零件的氧化皮去除,严禁用强酸洗,可采用喷砂、喷丸、液体喷砂或光饰等机械手段。

特别是不能用硫酸洗,而且使用温度高,造成工件吸氢可能性增加。

必须进行酸洗时,应用稀的盐酸,并加入缓蚀剂和表面活性剂,一方面减缓酸和基体金属的反应,减少氢气的生成;

（2）另一方面使生成的氢气易于脱离金属表面,减少渗入基体的机会。

　　3.3防止氢脆的主要措施

　　决定氢脆的因素主要有环境、力学及材料三方面，因此要防止氢脆也要从这三方面制定对策。

（1）环境因素设法使氢不进入或少进入金属中。

例如采用表面涂层，使钢材表面与环境介质隔离，或在介质中加入抑制剂，如向干燥的氢中加入适量的氧气，由于氧原子优先吸附于裂纹顶端阻止氢原子向金属内部扩散，可以有效地抑制裂纹的扩展。

对于需酸洗和电镀的机件，应制定正确的工艺，防止吸入过量的氢，并在酸洗和电镀后应及时烘烤去氢。

（2）力学因素在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余应力的因素。

采用表面处理，使表面获得残余应力层，对防止氢脆有良好的作用。

适当的加热及机械处理,对于易产生氢脆的材料,在表面处理前先进行加热、喷丸或振动等处理,使工件上的氢气得以逸出,应力得到充分释放,减少氢脆现象的产生。

加热是镀前处理最常用的除氢方式。

材料种类不同,加热温度和除氢时间也不同。

一般来说,温度越高、时间越长,除氢效果越好。

但是温度过高,反而不利于氢气的排出。

因此可根据材料的抗拉强度选择合适的除氢温度和时间。

工艺参数见表1,表中Rm为抗拉强度。

　　（3）材料因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性也有较大影响，一般按下列顺序递增：

下贝氏体、回火马氏体或贝氏、球化或正火组织。

细化晶粒可提高抗氢脆能力，冷变形可使氢脆敏感性增大。

因此，正确制定钢的冷热加工工艺，可以提高机件的抗氢脆能力。

　　目前尚没有一种能够解释所有氢脆现象的理论，不同的理论有各自的不足和优点，氢脆理论还有待深入研究。

以上总结了一些降低氢脆的实际经验，以期能促进和指导实际生产

　　7结束语

　　通过对特殊钢的性能要求及分析可知|：

氢气是导致特殊钢中的显微缺陷的主要因素之一，氢脆影响特殊钢的性能，使钢的塑性、韧性下降，所以防止氢脆主要从环境、力学、材料三个方面来着手。