电镀产品的氢脆隐患及预防措施

电镀产品的氢脆隐患及预防措施

徐艳芳段博陈伟

关键词：电镀；氢脆；预防措施

引言

氢脆是电镀产品可能出现的失效现象之一，通过有效的措施预防及消除氢脆隐患，对于电镀产品的质量控制具有重要的现实意义。

1电镀与氢脆

电镀是获得金属保护层的有效方法之一，通过电镀得到的金属镀层，结构致密，结合力好，可发挥抗腐蚀、提高表面硬度和耐磨性、装饰、提高导电性、导磁性等功效。

氢脆是金属材料或产品在制造、处理或使用过程中吸收氢元素，导致材料塑性严重降低的现象。有氢脆隐患的产品，在使用过程中，容易发生低应力脆性断裂，危害极大。

金属产品的电镀及其前处理工艺，都存在氢元素环境，由于氢原子半径小，很容易被金属吸收，如果不采取有效措施避免吸氢或将已吸收的氢从金属本体消除，电镀产品就存在氢脆隐患。

2典型的氢脆现象

以65Mn镀锌弹性挡圈和30CrMnSiA镀锌螺杆的氢脆断裂现象为例，表现为产品装配后的低应力延迟断裂，零件几乎不发生塑性变形，断口高倍形貌显示沿晶或穿晶解理及二次裂纹特征。氢脆断裂产品的宏观形貌如图1和图2，断口微观形貌如图3和图4。对断裂失效的65Mn弹性挡圈进行氢含量检测，结果见表1。

图165Mn镀锌弹性挡圈氢脆断裂宏观形貌图230CrMnSiA镀锌螺杆氢脆断裂宏观形貌

图365Mn镀锌弹性挡圈氢脆断裂微观形貌图430CrMnSiA镀锌螺杆氢脆断裂微观形貌

表165Mn镀锌弹性挡圈断裂失效件与原材料的氢含量对比

样品氢含量（wt%）氢含量换算（PPM）

65Mn挡圈原材料0.001717

65Mn断裂挡圈1#0.01951952#0.0116116

结论断裂挡圈的氢含量远高于原材料氢含量

3电镀产品氢脆现象的机理分析

3.1电镀原理

电镀是一种电化学过程，也是一个氧化还原过程。电镀的基本过程是将待镀零件浸入金属盐溶液中作为阴极，欲镀种类的金属板作为阳极，接通直流电源后，在零件上就会沉积出金属镀层。

以在硫酸镍（NiSO4）电镀溶液中镀镍为例，在阴极上发生镍离子得到电子还原为金属镍的反应，即Ni+2+2e→Ni，这是主要反应；同时，还伴随有氢离子还原为氢的副反应，即2H++2e→H2↑。在电镀过程中是不希望产生这类副反应的。

在镍阳极板上则发生镍金属失去电子变成镍离子的反应，即

Ni→Ni+2+2e，同时还伴有以下副反应：4OH-→2H2O+O2↑+4e。

3.2氢脆原理

金属中的氢是一种有害元素，只要有极少量的氢，如有的资料[1]介绍质量浓度达0.0001%时，就可导致金属变脆，即通常所说的氢脆。

金属产品的电镀工艺具备析氢条件，电镀过程中，阴极的过电位越高，越易发生H+的还原，氢原子会通过吸附和扩散进入镀层或产品基体。过量的氢进入金属基体后，破坏正常晶体结构的连续性，使金属材料的塑性、韧性下降，在外加应力作用下（通常低于材料的屈服强度，甚至在正常的设计强度内），产生延迟脆性断裂现象，大多数中碳钢、高碳钢、低合金高强度结构钢零件都具有氢脆倾向。

电镀溶液中，由于水分子的离解，即2H2O→2H++2OH-，溶液中总会存在一定数量的H+。电镀过程中，阴极在发生主反应析出镀层金属的同时，还伴有副反应发生而析出氢气，其实质是一个H+与一个电子结合成一个H原子，部分氢原子被工件金属本体吸收并扩散，使其表层氢浓度提高，部分氢原子结合成H2以气体形式逸出。而析氢最主要的不良影响就是可能导致制品产生氢脆。

,4氢脆的危害

4.1氢脆的延迟性

电镀以及电镀前的酸洗过程都会有析氢反应，导致电镀产品的氢脆倾向，大多数氢脆具有延迟效应，无法通过镀后性能检测及时发现并消除质量隐患。电镀吸氢过多的镀件，如果没有及时有效的除氢过程控制，往往在服役过程中，随着时间推移，因氢的扩散聚集，以及气体在金属内部因温度变化的热胀冷缩效应，将首先在材料的晶体缺陷部位因应力集中作用产生微裂纹，这些微裂纹在氢气压力作用下不断扩展，最终发生脆性断裂。

4.2低应力脆断特性

发生氢脆的产品，其承受的环境应力一般低于材料的屈服强度，断裂前几乎无塑性变形。

4.3容易出现批次性质量问题

由于电镀工艺适合批量生产，同槽处理的产品具有相同的性能，一旦发现某批次电镀产品中存在氢脆现象，将导致批量报废，损失较大。

5预防措施

预防电镀产品的氢脆现象，从根本上来说应该尽量减少金属产品在表面处理过程中的吸氢量，并且在电镀后及时进行去氢处理，具体可从以下几个方面进行控制。

（1）合理的除油工艺：电镀前应采用适当的除油工艺，严格控制阴极电解除油。对于黑色金属特别是低合金高强度钢、弹性紧固件及马氏体不锈钢等，可以采用阳极电解除油、超声波除油或者化学除油，亦可以选用金属清洗剂来除油。

（2）酸洗过程控制：采用合适的酸洗工艺。对于高强度合金钢、弹性元件和长期受力的零件，去除表面氧化皮时不宜采用强酸腐蚀，可以通过吹砂、喷丸等机械手段来达到净化、活化表面的目的。当必须进行酸洗处理时，选用盐酸优于硫酸，因为硫酸较黏稠，酸洗速度相对较慢，生成的氢气从工件上逸出的速度也相对较慢，并且使用温度高，会增加工件吸氢的可能性。应选用稀的盐酸，并加入缓蚀剂和表面活性剂，既可减缓酸和金属基体的反应，使氢气生成量减少，又可使生成的氢气易于脱离金属表面，降低渗入基体的机率。另外，应控制好酸洗时间，不宜过长，必要时可采用多次短时酸洗来代替长时间酸洗。

（3）电镀工艺控制：选用恰当的表面处理工艺。高强度钢、弹性元件和长期受力零件尽可能选用涂覆或化学处理工艺，避免氢气产生。必须进行电镀时，可选用吸氢较少的电镀层。据资料[2]介绍，“在以钢铁件为基体的阳极性镀层中,镉比锌更易于吸氢；在阴极性镀层中，镍比锡更易吸氢。”

（4）镀后及时除氢：电镀产品应进行及时有效的去氢处理。产品电镀或酸洗后应及时装入烘箱，在特定温度范围进行保温，以达到除氢目的。去氢处理温度一般为190~230℃，时间一般为6~8小时。实际操作中，应根据制品的抗拉强度和镀层种类来选择恰当的去氢工艺。

结束语

氢脆是电镀产品潜在的质量隐患之一，具有延迟性、低应力脆断、批次性发生等特点，且不容易通过性能检测识别不合格品。只有牢固树立防范氢脆的思想意识，通过严格的过程控制，选用恰当的除油工艺、酸洗工艺、电镀工艺以及镀后除氢工艺，才能有效预防氢脆现象的产生，确保电镀产品的质量可靠性。

参考文献：

[1]刘瑞堂，[M]机械零件失效分析，哈尔滨工业大学出版社，第54页；

[2]倪小平，表面处理过程中氢脆的产生与预防，[J]电镀与精饰，2010年4月，第32卷第4期（总205期），第28页。