钢中氢气对特殊钢性能影响的研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 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, usual ly mix the some g as from -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 atmosphere,or produce some gas from the re action, these will prod uce harmful effects on steel performance and cause a microscopic defect of t he main factors ofsteel.This paper mainly research from t he source of the s pecial steel of hydrogen and hydrogenbrittleness defect to discusses steel of hydrogen influence on the performance of the special -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 steel and put forward the corresponding cou ntermeasures. Keywords: Special Steel, 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 300500 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 1 050MPa)、不锈钢及弹性零件上, 其原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 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