Водородное охрупчивание при нанесении гальванических покрытий

Д. Баулдрант (Мир гальваники 2010)
Что необходимо и чего нельзя делать, чтобы свести к минимуму или предотвратить риск водородного охрупчивания высокопрочных сталей, медных сплавов и других материалов

Что такое водородное охрупчивание? Как оно происходит? Что лежит в его основе? Чем оно вызывается? Я не буду давать развернутых ответов на все эти вопросы, поскольку специалистам в области металлообработки они прекрасно известны. Более того, различными авторами было написано немалое количество научных работ и публикаций, посвященных этой проблеме. Лично я могу порекомендовать доклад доктора Криса Рауба (1), сделанный им на одном из заседаний Общества специалистов в области гальванотехники и обработки поверхности США (AESF) в 1983 г. Его сообщение «Водород в покрытиях, осажденных электрохимическим способом: недооцененная угроза» было отмечено особой научной премией AESF.

В первую очередь мне хотелось бы подчеркнуть, что главное, что нужно знать о водородном охрупчивании – это то, что его воздействие может крайне негативно сказаться на состоянии высокопрочных сталей и различных сплавов. Это негативное воздействие, как правило, выражается в трещинообразовании или полном разрушении. Оно также может вызвать формирование газовых раковин и внутренних полостей как в базовом металле (подложке), так и в осажденном слое, а также снизить пластичность и прочность материалов.

Какие сорта сталей наиболее подвержены водородному охрупчиванию? На этот счет существует несколько противоречивых мнений. Как правило, охрупчивание свойственно высокопрочным сталям, включая низколегированную и нержавеющую сталь. Ряд исследователей связывает подверженность к водородному охрупчиванию с классом прочности стали.

Так, Дж. Дини (2) утверждает, что стали, прочность которых лежит в промежутке от 1240 до 2140 МПа, склонны к водородному окрупчиванию. Другие специалисты относят в «группу риска» все стали прочностью от 1100 МПа. Как показывает практика, чем выше прочность стали, тем более подвержена она к скоплению молекул водорода и, как следствие, к охрупчиванию. Даже аустенитным сплавам свойственно охрупчивание.

Мартенситно-стареющие высокопрочные стали с прочностью 2740 МПа имеют большую склонность к охрупчиванию.

В. Паатч (3) в своей статье описывает эксперимент, проведенный над кольцами патронов предохранителей, изготовленны из высокопрочной стали С75 (стандарт Германии DIN 471). Детали были обработаны с применением различных гальванических процессов и различных способов подготовки поверхности. Результаты эксперимента и выводы, сделанные на основе этих результатов, крайне интересны. Обработка включала в себя следующие этапы:

  • щелочную очистку,
  • травление в 12% кислоте, ингибированной НСl, в течение 0-600 сек.,
  • нанесение гальванического покрытия.

В эксперименте участвовали 8 различных электролитов цинкования, электролит никелирования Уоттса, сернокислый электролит никелирования, цианистый электролит меднения и кислый электролит меднения. Для проверки качества полученных покрытий применялось испытание при постоянной нагрузке, выполняемое согласно процедуре, прописанной в ASTM F 519,4.

Анализ результатов показал, что все образцы, подвергавшиеся травлению в течение более, чем 1 минуты, обнаруживали дефект в период до 24 часов нагрева при 220ОС, вне зависимости от типа электролита. Некоторым образцам для успешного прохождения испытания потребовалась термическая обработка в течение 70 часов после осаждения покрытия.

Образцы, продолжительность травления которых не превышала 60 секунд в кислоте ингибированной НСl, успешно прошли испытание, вне зависимости от используемого электролита.

Отдельное внимание следует уделить водородному охрупчиванию при химическом никелировании.

При химическом никелировании выделение водорода является частью реакции осаждения металла. Следовательно, весьма вероятно водородное охрупчивание высокопрочных сталей. В чем же особенность химического никелирования? В том, что покрытия, осажденные электрохимическим способом, имеют кристаллическую структуру. Таким образом, они могут пропустить водород между кристаллами, формирующими слой покрытия, при термообработке. Покрытие, полученное с помощью химического никелирования, аморфно (не обладает зернистой структурой). Следовательно, водороду практически невозможно проникнуть сквозь никелевый слой, в особенности, если последний обладает большой толщиной и отличается низкой или нулевой пористостью.

Чтобы дать выход скопившемуся под покрытием водороду, можно инициировать трещинообразование никелевого слоя.

Покрытие, полученное химическим способом, толщиной более 25,4 мкм образовывает трещины под воздействием повышенной температуры. Однако трещины в покрытии могут вызвать трещинообразование основного металла. Еще один способ избежать скопления водорода – отметить так называемые «менее критические» участки, которые при нанесении покрытий могут быть оставлены без обработки и через которые можно будет дать выход водороду при термообработке. Термообработку не следует начинать с высокой температуры – предпочтительно продолжительное постепенное повышение до заданного уровня. Покрытие, полученное путем химического никелирования, толщиной более 25,4 мкм, как правило, начинает образовывать трещины при нагреве от 300 ОС.

Трещинообразование в данном случае возникает в результате сокращения объема, поскольку структура никель-фосфорного покрытия трансформируется в кристаллическую (Ni3P).

Выше представлены рекомендации, которые были выведены автором настоящей статьи на основе собственного опыта, а также сведений, почерпнутых из упомянутых выше источников.

Литература

  1. С. Дж. Рауб «Plating & SurfaceFinishing”, 30 (1993)
  2. Дж. В. Дини Electrodeposition, The Material Science of Coating and Substrates, Noyes Publications, Park Ridge, NJ, 1993
  3. В. Паатч «Plating & Surface Finishing”, 70 (1996)
  4. ASTM F 519-06, Стандарт испытаний на водородное охрупчивание, ASTM International, W. Conshohocken, PA 2006

Инструкция по борьбе с водородным охрупчиванием

Всегда помните, что водородное охрупчивание может вызвать серьезные проблемы

Всегда для вывода водородных скоплений путем термообработки следуйте соответствующей процедуре. Продолжительность и степень нагрева должны в точности соответствовать документации

Всегда проводите испытания непозднее, чем через 3 часа после нанесения покрытия. После нескольких часов используйте для испытаний другой образец

Всегда помните, что время термообработки и степень нагрева в реальных условиях могут превышать указанные в стандарте. Проводите испытания

Всегда используйте обезжиривание в растворителе, щелочную очистку или анодную обработку (если поверхности требуется особая подготовка)

Всегда используйте для травления ингибированные кислоты, если травление действительно необходимо. Помните, что не все ингибиторы обеспечивают одинаково хорошие результаты. Проводите испытания.

Всегда помните о возможности таких способов обработки, как дробеструйная, пескоструйная и виброочистка. Они способствуют снятию поверхностных напряжений

Всегда помните об альтернативных методах нанесения покрытий – цинка, титана и др. металлов

НИКОГда не думайте, что одно только точное следование указаниям по пост-термообработке гарантирует полный вывод скоплений водорода и успешное прохождений испытаний

НИКОГда не используйте сильные или неингибированные кислоты для травления

НИКОГда не применяйте термообработку никель-фосфорного слоя согласно процедуре, предназначенной для гальванических покрытий, если Вы заведомо не оставили непрокрытых участков

НИКОГда не ограничивайтесь испытанием прочности на изгиб. Он недостаточно надежен для выявления склонности к водородному охрупчиванию. Надежного «срочного» испытания не существует

НИКОГда не используйте катодные методы подготовки поверхности. В ряде случаев может потребоваться нанесение предварительного слоя никеля для активации нержавеющей стали и ряда других никельсодержащих сплавов. При этом помните, что данная реакция будет сопровождаться значительным скоплением водорода. В связи с этим рекомендуется увеличить продолжительность термообработки