气体渗碳淬火件中的氢脆问题

共10页，第1页气体渗碳淬火件中的氢脆问题李志义1,2，马学文3，李晓澎1，2（1.重庆义扬机电设备有限公司,重庆400042;2.重庆长江工业炉公司,重庆401329;3.株州齿轮公司,湖南株州400029)前言：当我们去有关兄弟工厂和学术交流的时候，不少同志询问我们关于气体渗碳淬火件中的氢脆问题，由于在重庆296厂主持兵器用结构钢在表面处理过程中氢脆和应力腐蚀断裂的研究该项目由重庆296厂李志义、姜相荣、袁纪良，包头52所王来生、王明美、厉小东等高工、清华大学顾家琳教授、中科院沈阳金属研究所王毓麟研究员和杜金山高工共同完成，首创145℃高温浓碱介质中悬臂弯曲试验，系统地测试了十种钢在不同表面处理方法及不同工艺规范下材料的缺口强度和应力腐蚀门槛应力强度因子，同时测定上述钢的氢行为，包括吸氢量、氢扩散系数、氢逸出规律、电化学特性、检测氢与某些元素的交互作用，宏观和微观断口分析等），经7312个试样8年研究获部级二等奖，该项技术属国内首例，对于机械行业产品失效分析具有重要的指导作用。对有关渗碳淬火件的氢脆总是也只有一览而已……。如今退休16年了，也没有精力并综述并深入研究。为此将我们的研究体会交流给大家，望大家能有收获。摘要：阐述了氢塑、氢脆现象，特别是气体渗碳件的氢脆、硫脆、汞脆问题。气体渗碳件中的进氢量与渗碳工艺和合金元素种类及含量等因素有关。提出了有关氢脆和白点的一些新观念。指出，气氛中高含硫量（包括有机硫和无机硫）也是造成渗碳件氢脆的主要原因之一。此外，还论述了氢陷阱及降低气体渗碳淬火件氢脆的某些要点。关键词：气体渗碳；氢脆；氢塑；硫脆、汞脆；氢陷阱ResearchofHydrogenBrittlenessinGasCarburizing&QuenchingPiecesLiZhiyi1,2,MaXuewen3,LiXiaopeng1,2(1.ChongqingYiyangElectromechanicalEquipmentco.,ltdChongqing400042；2.ChongqingYangtzeIndustrialFurnaceCompanyChongqing401329；3.ZhuzhouGearCompanyHunanZhuzhou400029)Introduction：SomanypeopleaskedussomequestionsabouttheHydrogenbrittlenessingascarburizing-quenchingpieceswhenwevisitedotherrelativefactoriesormadeacademicexchanges,becausewehavemadedeepresearchinHydrogenbrittlenessandstresscorrosionfractureinstructuralsteelforweaponswithsurfacetreatment.TheresearchwascompletedbytheseniorengineersofLiZhiyi,JiangXiangrong,YuanJiliang,workinginChongqing296factory,andWanglaisheng,WangMingmei,LiXiaodong,workingin52researchinstituteinPaotou,andPro.GuJialininTsinghuaUniversity,andresearchfellowWangYulin,DujinshaninAcademiaSinicShenyangInstituteofMetalResearch.Cantileverbendingtestwassucceededfirstlyinhightemperatureconcentratedalkalimediumat145℃.Andthenotchstrengthandstresscorrosioncriticalstressintensityfactorweretestedsystematicallyin10typesofsteelswhichweredifferentinwaysandprocessspecificationsofsurfacetreatment.Thebehaviorsofhydrogen(includingcapacityofhydrogenabsorption,diffusioncoefficientofhydrogen,escaperegularityofhydrogen,electrochemicalcharacter,testofinteractionbetweenhydrogenandsomeotherelement,andmacro-andmicro-fractureanalysis)inthesteelsweretestedsimultaneously.Thistechnology,whichhas1作者简介：李志义（1938.2.1）男，江苏泰州人，汉族，1962年哈工大毕业，1992年由22个一级学会联合召开的“全国机电装备失效分析预测防战略研讨会”授予全国先进失效分析专家称号，获国家发明专利二项，获兵器部二、三等奖，已发表论文20多篇。著有：结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂[M]。联系电话：[phone]E－mail：[e-mail]公司网址：（此文为09年中国金属热处理学会优秀论文；2011年10月在上海热处理联合会组织的专题讲座上午讲、下午讨论；）共10页，第2页beenobtainedthesecondprizeofministry-level,andalsowhichisthefirstoneinChina,wasworkedover8yearsandresearchedthrough7,312samples.Itisplacedanimportantroleonfailureanalysisofproductinmechanicalindustries.Theresearchesofthehydrogenbrittlenessincarburizing&quenchingpiecesarealwayssofew…….NowIhavebeenretiredfor13years,andIamtootiredtoresearchdeeply.Sowejustgiveyousomeexperiencesofourresearch,Ihopethatitwillbehelpfultoyou.Abstract:Theplastichydrogen,hydrogenembrittlementphenomenon,especiallyingascarburizingpartshydrogenembrittlementproblems.Gascarburizingconditionsintheamountofhydrogenintothecarburizingprocessandwiththetypeandcontentofalloyingelementsandotherfactors.Proposedhydrogenembrittlementandwhiteflakeonsomenewideas.Thattheatmosphereinthehighsulfurcontent(includingorganicsulfurandinorganicsulfur)alsocontributedtothecarburizingoneofthemainpiecesofhydrogenembrittlement.Inaddition,discussesthepitfallsandreducethehydrogengascarburizedpartshydrogenembrittlementofcertainpoints.Keyword:gascarburizing;hydrogenembrittlement;hydrogenplastic;Brittlesulfur,mercurybrittle;hydrogentrap1．氢进入金属中二大性能：氢脆性和氢塑性即氢脆和氢塑，在一定条件下，氢进入金属中使塑性增加称氢塑，反之为氢脆。低温氢塑是苏联人65年发现，他们在研究液氢使用于空间运载火箭燃料和原子能核裂变冷却液的前期工程中研究在-200℃以下时，载氢体金属材料出现氢塑现象。高温氢塑于70年美国人研究Ti合金时发现并发表在杂志上。实际上苏联人早几年前研究Ti合金用于超音速3倍以上的飞机上，已用于实践，只因军事秘密没有对外公布而已……。在常温下金属中的氢只表现为氢脆现象。2．气体渗碳淬火件在目前条件，在气体渗碳中还没有不渗氢的渗碳方法……。因此渗碳过程中必然伴随有渗氢的过程……。2.1在高温气体渗碳中伴随有渗氢的过程，进氢量与工艺有关。一般讲：周围环境氢含量越高，越易进氢，这就解释了为什么同一型号钢种同一有效硬化层深条件下在吸热式气氛中通氨的C-N共渗比不通氨的单一渗碳、渗氢量高。同样供碳量下，氢量越多，渗氢量越多，例如：CH4与C3H8两种气源在同样含水、含硫、含汞条件下比较。当然天然气渗氢量相对多一些。时间越长进氢量越多。2.2进氢量与化学成份的关系详见[1]2.2.1增加氢脆敏感性的元素：硼、磷、硫、铝、镍2.2.2减少氢脆敏感性的元素：铈和其它稀土元素(1)他们的吸氢作用，防止了白点的形成(2)添加镧能净化其它的普通残质，La2O2S,La2Sn,LaP。使晶界净化，使回火脆性的杂质不易向晶间偏聚形成稳定的氢陷阱或稳定的氢化物，使氢不易向应力方向迁移和扩散，减少在应力作用下的氢的偏聚能力，而降低了氢脆性。(3)促进回火脆性的杂质元素均是促进氢脆的元素。2.2.3结构硼钢(国军标GJB2720-1996)经我们生产实践和实际生产试样的研究[6、7]，确实氢脆敏感性增加，当我们委托复旦大学采用法国CAMECE公司制造的“IMS3F型离子探针”，测试发现H与B是相互排斥的，见图1、2、3，而在阳线上编号870926007、870926006、870926005反映不明显。但从图1、图2、图3可见B在钢中的分布是不均匀的，明显地显示出波峰和波谷。即不存在因硼氢化物的形成而增加了硼钢的氢脆性。这对硼钢的氢脆机理有待新的考证……。同时也验证氢与铁、氢与铬之间不形成化合物。同时也看出，镀硬铬层氢含量低。50BA钢中氢与某些元素的交互作用：图1、图2、图3Hydrogenin50BAsteelwithcertainelementsoftheinteraction:Figure1,figure2,figure3共10页，第3页图3束班3uGraph3注：试样是采用自动步枪、枪管（50BA材料）：镀硬铬、超深冷-196℃、密封空运至上海复旦大学曹永明教授检测，详见重庆义扬机电设备有限公司网站：氢与某些元素的交互作用。2.3总的结果由于各位学者在研究合金元素对钢的氢脆和应力腐蚀断裂的影响时，试验的条件、材料的成份，组织状态、图1束班3uGraph1图2束班3uGraph2共10页，第4页应力分布、各元素交互作用、微量元素添加量的多少等因素的不同。有些看法似乎是相互矛盾的，因而这个问题比较复杂。一般认为：周期表V、V1族元素[9]、S、P、As、Se、Te、Bi、Sb、Zn杂质元素起催化作用[8-12]，Nb、Zr、Ti、V、Mg易形成稳定氢化物[9]。在氢含量较小时，能起着固定氢而防止氢的迁移或扩散，因而对氢脆的影响较好。Fe、Mn、W、Mo的氢化物不稳定。在氢含量较小时，开始起着固定氢而防止氢的迁移或扩散，一旦材料在受力状态下，Fe、Mn、W、Mo所形成的不稳定氢化物分解，氢向应力方向迁移或扩散，使氢脆敏感性增加。微量的Zr在晶粒度相同的条件下，有提高合金抗氢致开