譚俊哲，趙國飛，李 剛，李連海

（沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽 110869）

緊固件是核主泵的關(guān)鍵零部件，其耐蝕性和耐磨性均要求極高，需經(jīng)過表面改性處理才可達到使用要求。電鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)[1，2]，在電鍍工業(yè)中占有極其重要的地位，并被列為三大鍍種之一。金屬表面鍍鉻層可以有效地保護金屬表面而避免進一步的磨損和腐蝕[3，4]，這是由于鉻本身具有的優(yōu)良的耐磨損腐蝕性和很強的鈍化能力。

由于電鍍過程中必須進行酸洗活化處理，所以析氫和滲氫現(xiàn)象在整個電解電鍍中是不可避免的，析出的氫能夠滲入電鍍層以及基體金屬內(nèi)。析氫不僅會降低鍍層的性能，如產(chǎn)生針孔、麻點、氣泡等缺陷，而且還會降低基體金屬的韌性，從而導致螺栓裝配后可能在遠小于其正常破壞應力的連接狀態(tài)下發(fā)生斷裂。本文將系統(tǒng)評價核主泵螺栓緊固件鍍鉻脫氫處理前后鍍層組織、成分、硬度及氫含量的變化。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為ASTM A479 403馬氏體不銹鋼，其化學成分如表1所示，試片尺寸30mm×80mm×3mm。ASTM A479 403不銹鋼化學成分（ωB%） 如下：C=0．06～0．13；S≤0．50；Mn=0．25～0．8；Cr=11．5～13．0；Ni≤0．50；S≤0．015；P≤0．015；Al≤0．05；Co≤0．05；Mo=0．20～0．60；Sn≤0．05。

試驗前，用磨床將試片表面氧化皮等雜質(zhì)磨掉，然后依次用320#、600#、800#砂紙對試片表面進行打磨，隨后在丙酮中超聲波清洗，去除表面油污等污漬，置于干燥箱中備以待用。采用的直流電鍍工藝對試樣進行鍍鉻處理，鍍液采用標準電鍍液（鉻酸酐 250g/L，硫酸 2．5g/L），電鍍時間 2h。電鍍后將試樣放入電爐中進行消氫處理，溫度為240℃，保溫時間3h。

1.2 檢測方法

依照ASTM B487－2002《用橫斷面顯微觀察法測定金屬及氧化層厚度的試驗方法》標準，從待測件上指定部位垂直于鍍鉻層用線切割切出尺寸適當?shù)慕孛鏄訅K，截面樣塊用XQ－2B金相試樣鑲嵌機鑲嵌，制成可供觀察的金相樣品。分別用360#，600#，800#，1200#，2000# 砂紙進行打磨，之后用金剛石研磨膏在金相拋光機上拋光。用酒精清洗并用吹風機吹干，然后用 FeCl3∶HCl∶H2O=1∶1∶4的溶液進行腐蝕，腐蝕時間約為1分鐘。用S—3400N型掃描電鏡觀察樣品截面組織形貌。

采用D/Max—7000PC型X射線衍射儀對電鍍鉻涂層的相結(jié)構(gòu)進行分析。將制備的電鍍鉻試樣切成8mm×8mm×3mm的樣品，用酒精將電鍍鉻層表面清洗干凈并吹干以作檢測。X射線衍射條件設定為：工作電壓40kV，電流30mA，掃描速度 2°/min，掃描角度范圍 40°～100°。

根據(jù)實施途徑的不同，氫含量檢測法可以分成物理法和電化學法兩種。本文采用TCH—600氮、氫、氧分析儀來測量試樣中氫的含量，具體方法是將隨螺栓鍍鉻試片投入經(jīng)脫氣的熱石墨坩堝中，在氬氣保護下熔融，氫被熱分解并以氫的形式釋放，由熱導檢測器檢測[5]。試樣尺寸為15mm×5mm×3mm，每組三個試樣，測得相應工藝條件下試片的氫含量取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍鉻試片除氫前后鍍層的組織形貌

圖1為鍍鉻試樣除氫前后表面組織形貌。由圖可以看出，除氫處理前后，鍍鉻試樣表面均存在微裂紋。圖1a為未除氫處理的鍍鉻層表面形貌，其表面出現(xiàn)微裂紋的原因主要是由于鉻在沉積過程中，總伴隨著氫的析出。因此，在鉻沉積的初期，形成的鉻氫化合物比較復雜，一般是由六方晶格的氫化鉻（Cr2H或CrH2）、面心立方晶格（CrH或CrH2）組成，但是以六方晶格的氫化鉻為主。然而這種晶體結(jié)構(gòu)介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的狀態(tài)之間，只有當晶粒尺寸特別小的情況下才能夠穩(wěn)定存在，而當晶體尺寸達到某一臨界尺寸時，這種晶體結(jié)構(gòu)將自發(fā)的由六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)[6]。這種晶格結(jié)構(gòu)間的變化，將同時伴隨著體積的改變，會導致體積縮小大概15%，同時，不穩(wěn)定的鉻氫化合物也會分解產(chǎn)生氫。尤其對于那些對氫比較敏感的金屬基體來說，在鉻還沒有將待鍍基體完全覆蓋時，基體金屬就會吸收這些氫原子，從而導致基體金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力。在上述鉻氫化合物發(fā)生相變引起結(jié)構(gòu)變化而導致的體積變化以及基體金屬吸氫而產(chǎn)生內(nèi)應力的共同作用下，鍍鉻層就會具有較大的內(nèi)應力。當鍍層的內(nèi)應力超過鍍層的強度極限時就引起鍍層開裂，從而出現(xiàn)微裂紋。圖1b為除氫處理后的鍍鉻層表面形貌，鍍鉻試樣經(jīng)過除氫工藝后，鍍層表面有一部分微裂紋重新閉合。

圖1 鍍鉻試樣除氫前后表面組織形貌

2.2 鍍鉻試片除氫處理前后鍍層的相結(jié)構(gòu)

圖2 為鍍鉻試樣除氫前后鍍鉻層XRD譜。由圖可以看到，經(jīng)過除氫處理后，鉻層的衍射峰強度發(fā)生了較大變化，尤其是鉻晶粒的優(yōu)勢生長面已經(jīng)由（211）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?10）晶面，（110）晶面衍射峰強度大約提升至原來的2倍。與此同時，也可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過除氫處理后，鍍層的XRD譜出現(xiàn)整體向右微小偏移現(xiàn)象，這是由于鍍鉻層在沉積過程中，鍍層中所形成的鉻氫化合物分解產(chǎn)生氫，導致鍍層中形成較大的內(nèi)應力，當經(jīng)過除氫處理后，鍍層中的部分氫被排出，會使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致晶面間距減小，使得衍射峰的位置向右發(fā)生偏移[7]。

圖2 鍍鉻試樣除氫前后鍍鉻層XRD譜

表1 鍍鉻試樣ASTM A479 403除氫前后氫含量測試結(jié)果（μg/g）

2.3 鍍鉻試樣除氫前后氫含量測定

表1為鍍鉻試樣在去氫處理前后氫含量測試結(jié)果。由表可知，馬氏體不銹鋼在鍍鉻后，相同尺寸的鍍鉻試樣中鍍鉻層中的含氫量要比基材多。試片經(jīng)過除氫處理后，大部分氫被釋放出來，鍍鉻層中內(nèi)應力降低，部分微裂紋重新閉合，這也進一步證明了除氫前后，鍍層表面微裂紋數(shù)量的變化與鍍層中氫含量有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）鍍鉻層經(jīng)過除氫工藝處理后，表面微裂紋數(shù)量減少。

（2）鍍鉻層經(jīng)過除氫工藝處理后，鍍層的XRD譜整體向右發(fā)生微小偏移，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

（3）鍍鉻層經(jīng)除氫工藝處理后，鍍層中的氫含量有所降低。