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紧固件的氢脆与电镀

     由氢脆引起的紧固件断裂常常令人吃惊和费解。费解的是,紧固件已达到了各种规范和测试,但仍然由于脆裂而断裂;令人吃惊的是,在紧固件安装多年以后,仍可能发生断裂。

一、高险产品

     高强度、高硬度、经电镀的碳钢紧固件是最危险的产品。氢脆断裂表现为一种脆裂(塑性收缩无迹象),这种断裂面为结晶状,并且不以腐蚀为征兆。由于这类紧固件经常被用于关键性部位,紧固件制造厂和用户对其断裂的敏感程度都非常之大。

断裂例证说明一种与有关的问题理念:

1.用于汽车——高强度钢淬火并回火,硬度达HRC38,热处理后冷加工,镀镉,高扭矩装配——延迟断裂(日)

2.关键螺母用于直升机——高强度钢淬火并回火,硬度达HRC50,汽化渗镀镉,高工作载荷——延迟断裂(年)

3.关键螺栓用于飞机——高强度钢淬火并回火,硬度达HRC45,电镀镉,高扭矩装配——延迟断裂(小时)

二、脆裂机理

       成功的电镀操作需要清洁部件。当酸洗完成时,这可使最密集的氢源渗入钢基体,电镀工艺是氢气的另一种来源,所产生的初生被钢基体吸收。

H++e-→H→1/2H2

表面杂质抑制吸收率。

      电镀也对密封氢气起作用。氢气扩散到高三轴应力区(氢气具有阳极部分克分子容量)。把氢气分解吸收(先分奥氏体晶界、马氏体板界和碳化物界面等)。

      当分离器的氢气集中度超过规定值处于边界或界时,就会发生快速断裂、脆性断裂。

     虽然电镀是其主要问题,而化学镀和转换镀也会出现一些问题。

三、缓解方法

为了避免这些问题,鼓励关键联接的设计者去规范低强度合金紧固件,这些紧固件不易发生氢脆断裂,容许的材料名单包括:

合金钢——淬火并回火   低碳钢——冷加工   钛合金——氢化物型

镍合金——峰值时效     铝合金——峰值时效

紧固件制造厂商都在寻找氢脆问题的方法。这些方法包括: 采用低氢清洗和低氢电镀槽。其目的是减少氢气的暴露,其后镀处包括在375°F-400°F(191-204°C)下烘烤紧固件2-24小时)

电镀后必须在30分钟-2小时之内完成,否则会引起残余应力裂纹。对氢脆消除的烘烤通常不会排出或释放氢气,它可重新把氢气分给密集的分离器,而不会出现什么危险。

四、测试

对紧固件氢脆的质量测试一直没有准确的判定。制造厂商和用户都想寻求一种既简单准确又令人信服的测试,这样探索是靠迟断裂方式来实现的。

延迟断裂测试是由ASTM(美国材料试验协会)、IFI(美国工业紧固件协会)、Mil Specs(军事标准)和有关汽车公司设计发明的,这种测试要求数目不等的样品、涉及拉伸载荷和弯曲载荷、加载的时间长短以及允许一个测试批中多少断裂的样品等。

由于断裂时间从24-200小时不等,并主要通过肉眼直观检查来判定合格与否。这很明显谁也不能确切说在使用过程中不会发生断裂,这样的测试要求制造方或电镀方担供额外的处理时间并使程序变复杂化。

另一些形成的测试,如提升分级载荷测试、慢速应变率测试和验收测试提高了有效性,也增加了不确定性,谁保证他们不会有氢脆问题。

当时还有几种研制和试验在深入了解之中,针对氢脆的提升分级载荷测试在进一步考核中,这些测试这所以重要是这些测试要求减少时间。

特别是验收测试涉及到超应力和暂缓断裂,这可对测试样品引起损害,并导致应力腐蚀裂纹或疲劳断裂。

五、应力腐蚀与氢脆比较

虽然氢脆(HE)和应力腐蚀断裂(SCC)二者都具有延迟断裂形式,其前者是由制造工艺产生的,后者是外界服务环境产生的。

从各种化合中产生的氢气及大气暴露可渗入未涂敷的紧固件,并产生应力脆裂。应力腐蚀破裂不完全是由氢引起的,它可能由侵入小裂缝的各种物质产生的,并且促使它们扩散成断裂状态。

                                            

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