电镀后处理氢脆消除

氢脆消除
金属因吸氢而导致脆件是一个很复杂的课题。对于电镀，发现因电镀时在阴极上析出的氢渗入镀件而引起的缺陷也已很久。氢致电镀缺陷实际表现为两个方面，即氢致基体材料的破坏（氢蚀），和氢致镀层的缺陷。两者均对电镀质量造成严重的问题。
电镀过程中的氢来自于阴极过程。镀液的电流效率鲜有完全达到100%，因而在电镀过程中零件的表面总是有氢析出。这些氢聚集成气泡的形式向液面逸出，或者以小泡的形式粘附在被镀的表面上。除了电镀过程本身之外，其他的配套工艺，例如电解除油时的阴极除油，酸腐蚀等，均是氢的重要来源。
零件表面上吸附的氢会继续向表面内的材料结构深入并在镀件内部积聚。一部分的氢进入材料结构，或成为化合物，或以游离形式存在，一旦条件合适便会反向扩散逸出。这种进入的氢将导致基体材料的脆性（氢脆或称氢腐蚀），反过来析出的氢则造成镀层的破坏（起泡、脱层、结合不良、开裂等）。电镀时零件表面的氢聚集成泡，但被粘附在电极表面不能脱开而逸出时，将阻挡电流并阻碍电镀过程从而使该处形成镀层缺陷（麻点、小坑、凹陷、气孔等等）。
为了消除麻点、针孔之类因氢脱附困难而造成的镀层缺陷，通常不得不往电镀溶液内加入一些表面活性剂。典型的如镀镍溶液中添加十二烷基硫酸钠，这些表面活性剂能降低电镀溶液的表面张力从而有利于气泡的脱附。另外的办法便是使阴极移动，例如摆动或抖动，利用机械方法来摆脱气泡。微小的气泡最为有害，闲为在继续镀覆的过程中这些微小的缺陷很容易被覆盖，而桥接其上的镀层便将气泡掩埋，从而形成肉眼难见的皮下针孔，并且受热时很容易促使镀层鼓起或者减弱镀层的结合。
当电镀过程停止，零件表面上的氢压减退时，基体材料内未反应的可逆氢便向表面外逆向扩散。这种氢将形成氢压，而当聚集到镀层与基体的界面上时，便会减弱镀层与基体间的结合力，最后促使镀层起泡。

积聚在基体材料结构内的氢将最终导致材料的脆性即发生氢脆故障。引起这样的故障的最低充氢量取决于材料的品种、状态和加工史，这些条件构成一个有害氢量的临界值。这样就体现出了一个表面完整性问题。未必当时在电镀进行中进入了足够的氢量，而也可能之前的几道工序如除油、腐蚀等陆续使残留氢量增加而最终在电镀过程中集中表现出来。防止这个门坎的超过不仅仅限于电镀过程本身，而实际上必须步步为营。这点对于要求高的产品、可靠性必须保证的产品和出现故障后危害大或者难于修理而无法挽回的产品势必非常关键。例如经验证明，正常情况下并不致因电镀造成不允许的氢脆程度的零件，竟因为在加工成型前由于露天存放时大气腐蚀过程中微电池阴极表面上有氢的缓慢渗入而积聚，最终导致添加工艺过程和电镀后含氢量超过门坎值而出现氢裂断裂事故。机械加工过程中冷却水剂的不适当配方、酸洗过程中的渗氢等促使发生问题的情况也遇到过。
一般情况下，氢脆主要是钢材，特别是高强度钢材的行为。所以有条件达到高强度的材料如非设计指标确实必要，否则无需在工艺中以高强运行，例如淬火至并不需要的高强度。这样可以减少隐患。有些有色金属也会发生类似的氢脆现象，然而不如高强钢材的明显和严重，所以通常也未给予过多的重视，如镍、铅、铂、钯。
氢进入钢材后实际处于多种状态存在。氢原子沿间隙扩散，有的便形成氢化物。由于存在状态的多样性，使电镀零件镀后除氢有一定困难。一般地说，常规的除氢工序可以大致上除净所谓的可逆氢，即在晶格内尚能自由扩散运动的氢。在除氢工序的高温中，氢将逆向扩散排出。因此也有人认为抽真空可以帮助排氢，但因增加设备和操作的复杂性，加之未能完全确定氛是否除得更干净，所以实际上生产采用并不很多。

对于普通的弹簧钢，因为生产上遇到问题较多，所以渗氢研究和除氢的讨论提出很早，也有许多人早期便对电镀氢脆问题加以讨论和评述。虽然严重的场合镀件会在镀槽内便表现出内应力和渗氢造成的影响，但更多的情况是氢的影响并不在电镀过程中或电镀之后立即显露。这种氢致故障常表现为一种延迟破坏，于是也就大大增加了工艺中解决实际问题和故障研究的难度和复杂性。

很早便有建议弹簧钢要在电镀后立即于烘箱中150-190度下回火（除氢），时间提出有从1-23小时不等。实践证明，一些强度高的钢材必须250-260除氢8小时以上。实际上除氢温度提高会有显著的好处，因为扩散的速度与温度有关。至少，除氢工
作应在镀完后立即进行，不宜拖延。镀后至除氢之间闲置时间应在4小时以内，最多不要超过* 小时，这样有助于氢除得更为彻底。

对于除氢条件，材料的回火温度常成障碍。因为提高除氢温度会导致淬火材料的硬度降低。所以一般不得不在回火温度以下10-20度来除氢，于是便无奈地延长处理的时间。这个时间，根据不同的建议和实际做法，可以从七八个小时一直到48 小时，甚至还有人要延长。实际上，对于一般的零件180-200度或升高到达’250度除氢2-8小时已够。随着材料强度和零件重要性的增加，温度和时间都要增加。

如果镀后有附加处理，例如重铅酸盐钝化，那么除氢便要预先进行，以免带来影响。一般地说，航空航天工业用高强钢材较多，安全和延寿问题也更为关注，所以对除氢工作的要求也更为严格。目前，由于氢脆研究的数据不尽吻合，这与测试的困难和方法有关；生产经验和事故统计分析的观点也不一致，以致除氢的实际工艺在各大航空企业间也仍然有很大差别。前面已经提到，氢致产品故障所基于的临界含氢量或门坎值，不一定要在电镀工序中充入同样的氮量才超过。如果原来已经严重渗氢，则电镀工序不需渗入多少氢便会超越临界，在这里残余压应力也起着很坏的作用。因此，许多规范都要求镀前消除应力的回火和除氢，修理返镀等零件更应如此。
一直以来都认为，镉镀层比锌镀层更易于排氢，同时镀镉比镀锌渗氢少，镀层也较软。所以高强材料多采用镀镉而不用镀锌。为此，又开发了所谓松孔镀镉的工艺，镀层微孔更有助于氢的排出。进而又研究镀镉钛，认为氢脆较小。但迫于环境压力，有毒的镉层须设法取代。所以近年在大力开发和推广应用锌镍、钴镍、铁镍等合金镀层，不仅毒性低而且避免了镉的危害。这些镀层氢脆性很低而防护能力比单独镀锌与镉高，所以广受欢迎，已在汽车、航空等工业中获得推广。除了毒性之外，镉的熔点低，如果在接近其熔点附近的温度下使用时便会引起镉脆。镉迅速扩散渗入基材，导致晶界和结构上几乎是粉碎性的破坏。这种破坏已引起许多次严重事故。为此，镉镀层的除氢温度也要降低，一般要压到120度以下。

有时候电镀零件的氢脆行为表现延迟，这也与其日后的工作状态有关。镀锌层是阳极性的，在防护过程中形成腐蚀微电池，从而使基体材料受到阴极保护。然而，遭受腐蚀时在阴极区产生的氢也有深入基体材料的倾向。如果材料有微细的裂纹、发纹、隙缝、孔隙等，则氢更易沿缺陷进入。位错也易促使氢聚集，有内应力、残余的应力和受到外力都会促使氢的影响加剧。聚集成氨泡形成很高的氢压，最终会以材料破坏的形式表现出来。
因此，防止氢脆故障势必要把各种因素考虑周全。每道工序可能的渗氢和尽量减少氢影响结合。例如注意消除零件上的各种残余应力或者增加诸如对零件表面进行喷丸强化等等都将有益。承载时加载的速度缓慢未必对显露氢脆的危害有好处，因为材料内的应力会促使氢的流动与集中。很快的破断有时并不会把材料内氢的负面影响及时的表现出来。从这个意义上说，检查和鉴定氢脆宜用迟延方法。

镀前消除应力和镀后除氢的工作，通常有三种不同方法。烘箱内烘烤是最常使用的方法。因为设备投资不大，操作也简单易行。效果能满足一般的要求。有人建议用油浴，热油传热比热风均匀，效果可以更好一些。但因热油槽温度较高，一般在200度以上，所以须考虑油料的闪点和平日注意防火。进入油治的零件也必须事先干燥，否则要爆溅伤人。真空除氢比较有效，因为环境的低气压显然有利于氢的外扩。然而因为设备投资大，操作时间较长，因而采用并不特别普遍。
因为氢脆的机理和有关的理论、测试和研究鉴定的方法以及实际导致氢脆事故的情况和场合多样，使氢脆从理论到实践都表现为一个复杂的问题。许多论点一直在探讨。
然而，从工程角度，能从生产上避免氢脆的危害是主要的目的。既然理论探讨和实验测试都还有许多问题值得讨论，那么，经验也就是产品的工作情况、维修信息的反馈、破坏和事故的系统追踪和总结便应成为生产过程修正参数的重要依据。也正因为如此，从文献、研究报告到各个企业，氢脆消除问题的观点不尽相同。而工厂内建议的除氢条件从120-250度、从2 小时至120小时或更长的都有，也就不足为奇了。