钢丝绳酸洗过程中氢脆的形成原因及预防措施

钢丝绳酸洗过程中氢脆的形成原因及预防措施

钢丝绳是用热线做的，经过几次加工而成的金属制品。钢丝拉拔前和拉拔中都要进行表面处理,以清除线材表面的氧化铁皮。以往热轧线材表面往往留有0.3%～0.5%左右的氧化铁皮,采用控轧控冷技术后,线材表面的氧化铁皮大为减少,其结构形态也发生了很大变化,但绝大多数线材表面仍然有氧化铁皮。另外,拔制后经过中间热处理的钢丝表面也会产生氧化铁皮。这种附着在钢材表面的氧化铁皮对拉拔和表面镀层质量将产生严重后果。氧化铁皮硬度很高又没有塑性,夹在钢丝和模具之间,拉拔时增大摩擦系数,使拔制力增加,严重时会发生断丝,影响拉拔生产的正常进行。另外,氧化铁皮还会粘附在模孔中,划伤钢丝表面,增加模具消耗,降低模具使用寿命。镀层前如果氧化铁皮除不净,镀后镀层表面就会鼓泡,降低镀层的结合强度及镀层质量。因此,拉拔前和镀层前必须对线材和钢丝表面进行清理,除去氧化铁皮,为下一工序做好准备。目前氧化铁皮的清除还是以酸洗为主。但在酸洗过程中如果操作不当,会产生各种缺陷,氢脆就是酸洗过程中形成的一种缺陷。本文对钢丝酸洗过程中氢脆形成的原因及预防措施加以探讨。1拉伸环境氢脆氢脆的含义宽泛,它不仅包括材料中含有氢(内部氢脆)的一类,也包括在含氢介质中吸收氢(环境氢脆)的另一类。工程上所谓氢脆是指冶炼过程中的白点和环境中氢引起的延迟破坏。白点是大锻件中存在隐蔽裂纹的总称。环境中氢引起的延迟破坏是由于环境中的氢渗入到材料内部而引起的。酸洗、电解或腐蚀反应所产生的氢都能渗入材料内部而形成延迟破坏,既氢脆。钢丝酸洗的过程就是钢丝在含氢环境下运行的过程。钢丝酸洗过程的实质是酸与金属及其氧化物发生化学反应,将氧化铁皮溶入酸液(盐酸)或酸与金属反应生成的氢气将氧化皮剥离(硫酸),达到清除表面氧化铁皮的目的。不论采用哪一种酸酸洗,都会产生大量的氢气。酸液与基体金属发生化学反应生成了大量氢气,有一部分以原子状态向基体内部扩散,达到一定量后,使钢的力学性能急剧降低,甚至达到无法拉拔的程度。钢中吸氢的程度与钢的强度和冷作硬化程度有关。强度愈高,冷作硬化愈剧烈,则吸氢程度愈大。材料的屈服强度越高,脆化越剧烈,这是因为屈服极限高的组织在热力学上是不稳定的。这种在酸洗过程中由于氢气扩散进入钢丝基体而引起力学性能恶化的缺陷,称为钢丝酸洗环境氢脆。环境氢脆是材料在加载以前其内部并不存在断裂源,而是在含氢的环境中由物理吸附、分解、化学吸附、扩散等过程逐步渗入金属材料内部。它与H+在金属中的扩散率有关。如氢在高碳钢中向基体扩散的速度大,高碳钢丝的氢脆敏感性就大。所以酸洗时要严格掌握酸洗时间,特别是在采用硫酸酸洗时,更要严格控制在加热条件下的酸洗时间。2在清洗过程中，氢脆形成2.1盐酸feo目前钢铁件表面氧化铁皮的去除多采用硫酸和盐酸,反映产物为可溶于水的盐和水,同时析出大量的氢气。硫酸与金属及其氧化物发生化学反应的方程式如下:FeO+H2SO4→FeSO4+H2OFe3O4+4H2SO4→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2OFe2O3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+3H2OFe+H2SO4→FeSO4+H2↑与盐酸的化学反应式为:FeO+2HCl→FeCl2+H2OFe3O4+8HCl→2FeCl3+FeCl2+4H2OFe2O3+6HCl→2FeCl3+3H2OFe+2HCl→FeCl2+H2↑2.2位错假设学说从上述反应式可见,在酸洗过程中,酸液与基体金属发生化学反应产生大量的氢气,这些氢气一部分变成气体逸出槽外,一部分则以原子状态向金属内部扩散。当H+进入金属点阵时会发生几种有关的现象:首先,氢元素能够扩散到空隙等开放体积区域,氢在那里重新结合形成氢气。H2分子比H+的扩散率低得多,因此被捕陷在空隙中,导致局部内拉伸应力增大。然后,在一定的应力作用下(外载荷作用产生的附加应力或钢中存在的残余应力),在局部的应力集中区产生滑移和塑性变形,进而产生微裂纹核。当然,这种微裂纹核可能由冷、热加工所引起而早存在于内部,例如,在一已有裂纹前沿的三向应力区内,由于位错的塞积而产生微裂纹核(见图1)。这些微裂纹核如果没有氢的进一步作用,一般是不会扩展的。但当钢中溶入一定量的氢气,氢原子向微裂纹中扩散,并在微裂纹中结合氢分子,对壁面产生高压力(见图2),由捕获气体产生的内压力能够达到1MPa,促使微裂纹长大。最后许多微裂纹互相合并,并与原有裂纹连接。于是裂纹向前扩展,这样不断地循环,裂纹继续不断地向前扩展,直到剩余的有效截面小到不能支撑外载荷时,即产生瞬时破坏。这就是氢脆的位错假设学说。氢原子很小,和碳原子一样会在晶格缺陷处偏聚,如晶界、相界,降低晶界的表面能,脆化晶界,甚至在晶界上形成微裂纹,并提供裂缝通道。因此,一般认为氢脆是由于氢优先渗入晶界而削弱了晶界,或者渗入钢中的氢在晶界聚集造成巨大的内应力而削弱了晶界的结果。这就是晶界假设学说。不论哪一种学说,都集中在氢原子的渗入、扩散、应力三者之间的关系上。3应变面为三维面,断口有裂纹,氢脆断口宏观形态的主要特征是:在大截面锻件的断口上可观察到白点,如图3所示。但在小型零件或丝材断口看不到白点,而是可观察到在边缘有白色亮环,边缘没有变形或起毛刺,边缘附近的断面有呈光亮状的、靠近表面呈半圆形的小断裂面,见图4箭头所示。进一步放大观察,断面上有细小的裂纹,见图5。将拉伸试样断口制成光学金相试样,抛光后在光学显微镜下观察,裂纹呈Z形,裂纹两头比较尖,腐蚀后观察,发现裂纹沿原奥氏体晶界扩展。图6(a)是图4所示试样的光学图象,图6(b)、图6(c)为氢脆裂纹抛光形貌,图6(d)为腐蚀态形貌。70Y热轧盘条Φ6.0mm经11道次冷拔至Φ2.7mm后再一次电解酸洗,镀锌后做性能试验,试验结果发现,镀后扭转和弯曲性能急剧下降,仅为1次,而酸洗前的黑线性能完全符合要求,扭转达30多次。4防止丝酸溶胶污染的方法防止钢丝氢脆的方法主要是严格控制酸洗时间,特别是采用硫酸酸洗时更要严格控制在加热条件下的酸洗时间。当氧化铁皮除尽后继续酸洗时,稍不注意就可能造成过酸洗,并严重渗氢。采用电解酸洗方法酸洗时,也要注意控制酸洗时间。电解酸洗是借助外加电势,加速钢丝在酸液中的电化反应,从而使气体向钢丝表面聚集,加速对氧化铁皮的剥离作用。这种新的酸洗方法在酸洗过程中不仅发生化学反应,还发生电化学反应。电解酸洗金属损耗少、酸洗速度快、酸洗质量好,并且不太受酸液浓度和铁盐含量的影响。但也不能完全避免氢脆发生,尤其是采用阴极电解酸洗时。防止钢丝酸洗过程中产生氢脆的方法通常有以下几种:(1)在酸液中添加缓蚀剂缓蚀剂可减缓酸对钢铁件的溶解速度,而对氧化铁皮无太多影响,从而减轻了氢的析出,也减少了氢向钢中的渗入。在硫酸液中可添加LK-45型缓蚀剂或苦丁;在盐酸液中可添加LK-46型缓蚀剂或乌洛托品。在实际电解酸洗生产中,常在酸液中加些铅盐和锡盐,当阴极在去除氧化铁皮后,表面就会被铅和锡所覆盖而形成一层膜,阻止了金属基体被侵蚀和氢原子向基体内部扩散,较好地防止了氢脆的产生。(2)严格遵守工艺程序工件酸洗之前必须先经过化学去油工序,以便酸洗时酸洗液直接均匀地接触整个需要接触的表面,从而防止因局部有油污而延长酸洗时间所造成的严重的渗氢现象。(3)严格控制酸洗温度酸洗时,随着酸洗液温度的提高会加速酸洗速度,同时也加剧渗氢程度,故不要只求酸洗速度而忽略温度的控制。(4)采用阳极酸洗方法易渗氢的合金钢件不易采用阴极电化学方法酸洗,建议采用阳极酸洗方法。阳极酸洗是以钢丝作为阳极,靠钢丝阳极的溶解作用去除钢丝表面的氧化铁皮。阳极电解酸洗可以解决氢脆问题。阳极酸洗时必须严格控制酸洗时间(通过控制电流密度),防止在钢丝表面留有污物。(5)采用阴极-阳极电解酸洗法将钢丝作阴极和阳极交替使用的电解酸洗方法,综合了阴极和阳极电解酸洗的优点,钢丝不需要接触电极,可以自由行走。此方法的关键问题是电流密度和线速的匹配,如果匹配不好,不是欠酸洗就是过酸洗,氢脆问题也就不能解决。(6)采用常温条件下的盐酸酸洗盐酸在常温条件下,对氧化铁皮同样有较强的侵蚀溶解能力,而对钢铁基体的侵蚀相对较为缓慢,故