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氢脆研究

刷镀过程中的渗氢行为及氢脆敏感性研究方法

发布时间:2019-06-21 09:34:41    来源:费敬银原创

刷镀过程中的渗氢行为及氢脆敏感性研究方法

费敬银

西北工业大学 710072

Emailjyfei@nwpu.edu.cn

Mobile: 13991120876

摘要:

采用双电解池测氢法可研究刷镀液在形成镀层过程中的渗氢行为。通过考察施工参数对渗氢曲线特征参数影响的规律,可以判断影响渗氢程度的关键参数。在利用恒应变慢拉伸试验(SSRT)法考察不同电刷镀样的氢脆特性,并用扫描电子显微镜(SEM)对断口的微观形貌进行表征,可优化出合适的电刷镀工艺。论文作者及合作者分别研究了FJY系列电刷镀溶液中的锌-镍合金、锌-钴合金、其它种类的锌基合金、以及FJY无氰电刷镀镉、高耐蚀镉-镍合金等镀液的的渗氢行为,获得了可用于高强度结构件表面防腐的不同种类的FJY系列低氢脆刷镀体系。

关键词:氢脆 FJY刷镀液 锌-镍合金 锌-钴合金 低氢脆镉 镉-镍合金 刷镀氢脆 渗氢 氢脆敏感性 渗氢曲线 低氢脆刷镀

 

1. 前言

为了研制出耐蚀性比锌镀层高的无毒或低毒代防腐镀层,自20世纪80年代起,以锌作为主要组成元素的锌基合金、以及对镍镀层进行改性的镍基合金(如镍-镉合金)等刷镀工艺及其耐蚀性的研究方兴未艾。多数研究结果表明,锌-镍合金镀层的耐蚀性是锌镀层的6-10倍。而镍-镉合金镀层抗盐雾腐蚀能力甚至超过3000小时(中性盐雾腐蚀试验)。

但是,在电刷镀过程中,阴极(工件)上不仅发生金属离子的还原(形成镀层),还会发生H的还原(析出氢气,或形成吸附氢原子),由于氢原子很小,很容易渗入金属内部并使材料具有氢脆倾向。到目前为之,很少有人研究过刷镀过程中的渗氢行为及被镀工件的氢脆敏感性问题。

本文介绍利用双电解池渗氢研究方法、恒应变慢拉伸试验方法,以及端口形貌分析法,评价电刷镀过程中,刷镀液、工艺参数是如何影响工件氢脆行为的研究、测试方法,供有兴趣这参考。

 

2. 试验方法

2.1 渗氢测试装置

下图是渗氢测量装置示意图。图中电解池Ⅰ用于装载待测镀液(如锌-镍合金、镉-镍合金 或中性镉镀液等),利用直流稳压电源在试样的左表面上电沉积镀层。在电解池Ⅰ中进行的电镀过程中,通过调整可变电阻R使流经刷镀液的电流为给定值。总电流的一部分电流用于形成镀层,另一部分电流用于将氢离子在研究电极表面上还原成吸附氢原子(HeH)。这些吸附于阴极表面的氢原子,一部分复合成氢分子(H2)从阴极表面上析出,另一部分在浓度梯度的作用下向试样的另一侧扩散。扩散速度与表面吸附氢原子的浓度、试样材质、温度等因素有关。电解池Ⅱ为渗氢电流测量电解池,在电解池Ⅱ中,利用恒电位仪对试样进行阳极极化,恰当控制研究电极(W)与参比电极(R)之间的电位差,确保扩散到试样右表面(氧化面)上的氢原子完全氧化成氢离子(HHe)。根据法拉第定律可知:阳极氧化电流的大小与氢在试样中的扩散速度有严格的对应关系。在试验研究过程中,用记录仪记录下研究电极(W)与辅助电极(A)之间的电流随时间的变化关系,即可得到渗氢电流与时间关系的曲线。根据扩散第一、第二定律所确定的微分方程以及由试验条件确定的边界条件,通过拉普拉斯变换求出微分方程的解,即可得到与氢渗透特性相关的参数。

这里仅介绍刷镀液渗氢行为研究方法,详细的数学处理过程可参阅相关文献、或费敬银等发表的学术论文。

渗氢测试原理图(19-06-20)1.jpg

2.2 氢脆特性评估

用恒应变慢拉伸试验法(SSRT)测试不同刷镀刷镀条件下所刷镀样的断裂时间,并将其与空白样进行对照,评价刷镀液的氢脆敏感性。

先将试样加工成如下图所示的缺口试样,然后按研究方案刷镀确定厚度的镀层,在拉伸试验机上对镀后试样进行恒应变拉伸试验,应变速率为2×10-6·S-1。记录下空白样、刷镀试样发生断裂时间。及时用扫描电子显微镜(SEM)观察断裂样的断口形貌。

渗氢测试原理图(19-06-20)2.jpg

 

3. 试验结果分析

3.1 渗氢电流曲线特征

下图给出一个代表性的渗氢电流-时间曲线图(镀液pH值对渗氢行为的影响)。根据曲线的特征,可将其分为三个阶段:1) 从开始电沉积镉镀层的瞬间到渗氢电流突然迅速增大的期间内,渗氢电流一直很小。这是因为电镀时间较短,电镀过程中所产生的氢原子还未来得及扩散到试样的另一侧(氧化面),因此检测不到氢原子的氧化电流(HHe);2) 一旦检测到氢原子的氧化电流,电流值随时间的增加而迅速增加,达到最大值后开始下降。这是因为随着电沉积时间的增加,扩散到氧化面的氢原子越来越多,因此检测到的渗氢电流也越来越大;3) 当渗氢电流达到最大值后,随着电沉积时间的延长,渗氢电流有所下降,但下降的速度较慢。这是因为电沉积时间越长,镀层越厚,较厚的镀层对氢原子的渗透有阻碍作用,因此渗氢电流在达到最大值后便开始下降。

渗氢测试原理图(19-06-20)3.jpg

 

 

3.2 SSRT断裂时间

采用恒应变慢拉伸试验法(SSRT)对镀后试样、空白样进行拉伸试验,根据试样发生断裂时间(hr)的长短、断裂伸长率的大小确定试样的氢脆程度。

 

3.3 断口形貌分析

通过对断口的宏观形貌进行了观察、比较,可以判断试样断裂是呈现韧性断裂、或脆性断裂特性。

一般情况下,如果测试条件恰当,氢脆断裂具有脆性断裂特征:下图分别是韧断的空白试样、吹断的氢脆试样端口形貌。

渗氢测试原理图(19-06-20)4.jpg

 

渗氢测试原理图(19-06-20)5.jpg


4. 总结

FJY电刷镀技术工作室曾利用双电解池渗氢研究方法、恒应变慢拉伸试验方法,以及端口形貌分析法,针对FJY耐腐蚀刷镀液的电刷镀氢脆行为进行过评价。采用优化出的刷镀液和刷镀工艺对高强度结构件进行表面防腐刷镀,可有效降低被镀件的氢脆敏感性。

 

 

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