螺丝氢脆防制

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1、螺絲氫脆預防與控制廖光磊摘　要氫脆會導致螺絲遽然斷裂，影響使用安全，是螺絲工業須重視的問題，本文針對氫脆發生的原因、防制方法及試驗程序討論分析，具有參考價值。前　言　　當氫原子大量進入鋼鐵或合金之內部時，會使延展性及負荷承受力降低，或產生裂痕，即使承受之應力仍明顯低於材料之降伏強度或設計強度時，亦會遽然造成因氫原子引起的延遲脆裂現象，此現象即稱為氫脆。　　在螺絲之酸洗、電鍍、皮膜披覆等過程或在成形、切削、車鑽、焊接等機械加工過程由於潤滑劑不良均會產生氫，氫原子對螺絲機械性質的影響及可能造成的氫脆問題有必要深入研究及預防，以維護螺絲的品質與確保使用安全。一、螺絲氫脆原因－12－螺

2、絲之製造及處理過程，尤其是電鍍及電鍍前的酸洗時，螺絲表面會吸收氫原子，氫原子會陷入沈澱附著的金屬鍍層，當螺絲施力鎖緊時，氫原子會移動至應力集中的地方，承受的應力增強時，表面會產生微小裂痕，此時氫原子會再迅速滲入新產生的裂痕中，如此因應力產生裂痕加上氫原子滲入，不斷的重覆作用直到螺絲斷裂為止。承受的應力除了外部施加的，也可能是內部殘留的或兩者合成的。高強度、高硬度的碳鋼螺絲或合金鋼螺絲，容易發生氫脆，而電鍍及皮膜披覆的螺絲特別有氫脆的問題，此情形在許多不同的機械設備或結構上皆有例證。氫脆造成螺絲斷裂成兩部份，發生於螺絲完成裝配及鎖緊後的使用期間內，通常是在數十個小時內就發生斷裂且毫無

3、預警或有可見的徵兆，可能瞬間就形成危害。高強度小尺寸的自攻螺絲(TappingScrew)也容易氫脆，所以螺絲製造商要特別注意預防。二、氫脆預防與控制氫脆的預防與控制指的是針對電鍍及酸洗使用無氫脆或少氫脆的製造程序。例如：(一)盡量減少會產生氫原子的製程或化學處理1.避免陰極清洗、浸泡或活性化處理，宜使用鹼劑清洗或陽極鹼洗。2.水洗前使用蒸汽溶劑脫脂。3.使用噴砂、高壓蒸汽或滾轉等機械方式除銹以替代酸洗。4.使用抑制性的酸性浴電鍍，其中的抑制劑可以減少氫原子的產生及防止氫原子滲入鋼鐵表面。(二)使用防止或減少氫脆的鍍金披覆技術。1.機械鍍金不用電或酸鹼等溶液，無電解作用，不會發生氫

4、脆。2.熱浸鍍鋅也少有氫脆現象，因製造規範要求，硬度35HRC以上的螺絲禁止熱浸鍍鋅，例如洛氏硬度高於SAE5級，ASTMA325或ASTMA449的螺絲，因高強度的熱浸鍍鋅螺絲容易發生與氫脆類似的應力腐蝕或應力腐蝕破裂現象。3.真空鍍金或有機披覆替代電鍍。－12－使用低氫脆或無氰化鍍金浴，用特殊成份的鍍金浴在特定條件下操作，可減少氫原子產生及在烘烤時容易將氫原子排除。(三)適當的熱處理可清除殘留應力及降低材料對氫脆的敏感性，可分電鍍及酸洗前的熱處理與電鍍後的熱處理，目的是將氫原子排出，消除氫脆及減少氫脆的風險，此處理一般稱為低溫烘烤，原文為Baking，再詳細介紹如後。三、氫

5、脆消除－前處理ASTMB849是敘述鐵或鋼消除氫脆的程序，與ISO9587相同，其實就是熱處理（低溫烘烤）的規定，藉著熱處理可以將鋼鐵中的應力消除亦即達到消除氫脆的目的。適用於抗拉強度1000Mpa(145Ksi)以上且烘烤溫度190～230℃時不會對性質有不利影響之經機械加工的鋼鐵零件，在電鍍、酸洗、磷酸鹽處理、化學披覆及其他易受氫脆的處理前實施烘烤。抗拉強度1000Mpa可相當於硬度300HV10,303HB或31HRC，若小於1000Mpa則不一定需要烘烤。表一為高強度鋼應力消除熱處理的分級，級數由SR-0至SR-8共9級，每級代表不同的抗拉強度及所需烘烤的溫度與時間。買方可

6、在採購訂單或零件藍圖上要求電鍍商、供應商或表面處理商依據指定之等級實施熱處理，如未指定則應使用SR-1，其烘烤時間最長，至少24小時，SR-0表示不需熱處理。如果無法得知抗拉強度或僅知最小抗拉強度，熱處理的方式可由已知或量測後得知的硬度值所對應的抗拉強度而決定。亦可以較高的烘烤溫度與較短的烘烤時間作適當配合，惟需注意對性質不會有不利影響，如回火鋼烘烤溫度至少需比回火溫度低50℃。若經過冷加工而引導出有利的壓應力者，實施應力消除熱處理時，烘烤溫度勿超過230－12－℃。若不希望表面硬化區域之硬度因熱處理後降低，可使用較低的烘烤溫度烘烤至少8小時，但勿低於130℃，此方式適用於抗拉

7、強度1400Mpa(203ksi)以下的鋼鐵零件。四、氫脆消除－後處理ASTMB850是敘述鐵或鋼電鍍後消除氫脆的程序，與ISO9588相同，也是熱處理（低溫烘烤）的規定。表二為高強度鋼氫脆消除熱處理的分級，級數由ER-0至ER-17共18級，每級代表不同的抗拉強度及所需烘烤的溫度與時間。買方可指定等級要求電鍍商、供應商或表面處理商實施熱處理，只要按照該等級規定的溫度及時間烘烤即可。如買方只要求熱處理而未指定等級，則應使用ER-1，其烘烤時間最長，至少22小時，ER-