一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法

1.本发明涉及金属材料处理技术领域，尤其涉及一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法。


背景技术：

2.氢是影响金属材料安全服役的重要危害之一。氢原子对于金属的危害涉及的行业十分广泛，例如航空航天、石油天然气、冶金等，大到巨型锻件，小到螺钉螺母，都有可能发生金属氢脆现象。
3.金属中氢原子可以根据来源分为内源氢和外源氢，内源氢是指氢原子在金属材料在加工过程中被引入，比如材料在冶炼、加工、酸洗、电镀和热处理等工艺过程，会将空气或者液体中的氢通过不同的方式渗入到材料中。而外源氢是指氢原子在服役过程中在周围环境获得氢的过程，比如运输气体的管路、高温高压容器、蒸汽轮机等特殊环境，这些特殊环境会加速材料对氢的吸收。内源氢对于金属的危害轻则会影响材料的品质，重则使加工出来的零件直接报废。对于大型锻件而言，内源氢的影响更为致命，如果零件在加工之前没有做排氢处理，则加工出来的零件就好比定时炸弹一样，随时会被内部存在的氢破坏。
4.锻件是机械制造业中的关键零部件，特别是重型装备如核电、火电发电机转子、宽厚板轧制轧辊、大型船舰曲轴等，热加工成形制造是其关键工艺环节。大型零件由于尺寸和重量巨大，锻件内部的偏析、缩孔和孔隙性缺陷严重影响锻合质量。特别是氢害所导致的设备损坏难以预测和评估。尽管工程中采取了真空熔炼、热处理扩氢技术，仍不能彻底根除氢害问题。通常，固体钢中的氢的溶解度远远低于液态钢的溶解度，在钢锭凝固过程中，氢从钢中析出，一部分以单项气泡形式析出，一部分残存于晶体的各种缺陷中，还有一部分向高温区扩散，在大型锻件中的非均质区域处形成氢分子，氢原子一旦形成了氢分子就不会再扩散，诱发白点的产生：这是因为氢原子的直径只有0.1nm，复合成氢气分子后直径则有0.29nm，体积更是氢原子的16倍，大于最常见的典型金属晶体面心立方、体心立方和密排六方三种结构的空隙，最终导致氢的局部富集并引起材料力学性能的损失。因此，大型锻件脱氢处理，一直是其热加工过程中的重要工序，也是导致制造工期长，生产成本高的关键因素。氢的存在，即使其含量很少，也会对锻件的塑性、韧性产生非常大的影响，会导致在锻件中生成白点。固溶于钢中的氢是造成白点的主要原因，使得锻件在加工或使用中突然出现内部裂纹，从而使锻件报废，造成重大事故或者损害。
5.为了降低钢中的氢含量，既可以通过对钢水的真空除气来实现，也可以通过钢坯或锻件的去氢退火来达到，后一种方法是传统的、目前仍被广泛采用的方法。在生产中，根据传统方法和经验所进行的热扩氢退火工艺，需要消耗大量能源和时间，现在有一部分新式热处理工艺，通过提高特定的保温时间和保温温度，可以降低锻件内部的氢含量，但是这些热处理工艺均耗时较长，而且温度范围和时间受材料限制波动较大。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，以解决目前由于金属中氢造成的白点等氢脆问题，为实际生产中排出金属内部氢提供了有效的方案。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明所提出的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，包括以下步骤：
9.s1、将热处理后的金属工件放入水槽内部的支撑架上；
10.s2、金属工件两侧连接电线，电线的另一端连接直流电源，开启电源；
11.s3、向水槽内注入盐溶液介质直至没过金属工件；
12.s4、在水槽两侧分别固定超声波换能器，开启超声波换能器，进行排氢。
13.进一步的，所述步骤s2中，直流电源的电流密度为0-10a/m2，作用时间为1-120min。
14.进一步的，所述步骤s3中，盐溶液介质为氯化钠水溶液或酒精溶液。
15.进一步的，所述氯化钠水溶液的浓度为0-20％。
16.进一步的，所述步骤s4中，超声波换能器的超声频率为20-100khz，作用时间为1-120min。
17.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
18.本发明能够在短时间内有效的排除大部分金属内部的氢原子，同时会减少热处理的时间，避免了因热处理导致锻件发生裂纹、回火脆性等缺陷。
附图说明
19.图1为本发明方法的连线示意图；
20.图2为本发明实施例一的原始、充氢和超声-直流能场扩氢试样应力应变曲线示意图；
21.图3为本发明实施例二的原始、充氢和超声-直流能场扩氢试样应力应变曲线示意图；
22.图4为本发明实施例三的原始、充氢和超声-直流能场扩氢试样应力应变曲线示意图。
23.其中，附图标记：1-水槽；2-支撑架；3-工件；4-盐溶液介质；5-直流电源；6-超声波换能器。
具体实施方式
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.本发明所提出的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，如图1所示，具体实施过程如下：
26.s1、将热处理后的金属工件放入水槽内部的支撑架上；
27.s2、金属工件两侧连接电线，电线的另一端连接直流电源，开启电源；其中，直流电源的电流密度为0-10a/m2，作用时间为1-120min。
28.s3、向水槽内注入盐溶液介质直至没过金属工件；盐溶液介质为氯化钠水溶液(浓度为0-20％)或酒精溶液。
29.s4、在水槽两侧分别固定超声波换能器，开启超声波换能器，进行排氢；其中，超声波换能器的超声频率为20-100khz，作用时间为1-120min。
30.本发明通过对置于溶液中的金属锻件施加超声与直流叠加的能场，可以加速氢原子在锻件中的扩散，在短时间内有效的排除锻件内部大部分的氢原子。其原理主要包括直流与超声能场为锻件中的氢原子脱离氢陷阱提供能量，降低氢陷阱对氢原子的聚集和约束作用；超声波通过液体介质作用于锻件表面，产生超声空化作用，在锻件表面形成高频率的作用载荷，锻件内部产生应力梯度，使氢原子出现应力诱导扩散行为，从而加速氢原子扩散出锻件内部。
31.下面通过具体实施例对本发明作进一步说明：
32.实施例一
33.利用线切割将sa508加工成4片标准拉伸试样，取出其中一片拉伸作为原始数据，其余3片进行电化学充氢。其中，充氢溶液为0.5mol/l的h2so4溶液，滴入两滴na2s作为毒化剂，充氢电流200ma，充氢时间1h。充氢后拿出一片直接进行慢应变速率拉伸；另2片进行超声-直流能场辅助扩氢，其中一片放在浓度为20％的氯化钠水溶液中，电流i＝200ma，超声频率f＝40khz，时间t＝30min，记为“超声-直流扩氢-1”；另一片放在c2h5oh溶液中，超声频率f＝40khz，时间t＝40min，记为“超声-直流扩氢-2”。扩氢结束后将试样进行慢速率拉伸实验。
34.如图2所示，充氢后屈服强度由274mpa上升到313mpa，延伸率由22.7％下降到13.8％；通过超声-直流能场辅助扩氢的方法后，超声-直流扩氢-1的屈服强度由274mpa上升到338mpa，并且延伸率由充氢后的13.8％上升到21.9％；通过超声-直流能场辅助扩氢的方法后，超声-直流扩氢-2的屈服强度由274mpa上升到303mpa，并且延伸率由充氢后的13.8％上升到24.5％，超过了原有的延伸率。因此可以得出结论，即本方法可以有效的恢复金属的塑性损失。
35.实施例二
36.利用线切割将20crmo加工成3片标准拉伸试样，取出其中一片拉伸作为原始数据，其余两片进行电化学充氢。其中，充氢溶液为0.5mol/l的h2so4溶液，滴入两滴na2s作为毒化剂，充氢电流200ma，充氢时间1h。充氢后拿出一片直接进行慢应变速率拉伸；另一片进行超声-直流能场辅助扩氢，放在浓度为2％的氯化钠水溶液中，电流i＝200ma，超声频率f＝40khz，时间t＝40min；40min后将试样进行慢速率拉伸实验。
37.如图3所示，充氢后屈服强度由398mpa上升到418mpa，延伸率由31.5％下降到23.6％；通过超声-直流能场辅助扩氢的方法后，屈服强度由398mpa下降到374mpa，但是延伸率由充氢后的23.6％上升到29.3％，与原始延伸率相差不大。
38.实施例三
39.利用线切割将40钢加工成3片标准拉伸试样，取出其中一片拉伸作为原始数据，其余两片进行电化学充氢。其中，充氢溶液为0.5mol/l的h2so4溶液，滴入两滴na2s作为毒化
剂，充氢电流200ma，充氢时间1h。充氢后拿出一片直接进行慢应变速率拉伸；另一片进行超声-直流能场辅助扩氢，放在浓度为2％的氯化钠水溶液中，电流i＝200ma，超声频率f＝40khz，时间t＝30min；30min后将试样进行慢速率拉伸实验。
40.如图4所示，充氢后屈服强度由578mpa上升到611mpa，延伸率由21.9％下降到14.7％；通过超声-直流能场辅助扩氢的方法后，屈服强度由578mpa上升到593mpa，并且延伸率由充氢后的14.7％上升到17.9％，恢复了大部分的塑型损失。
41.本发明未详尽事宜皆为公知技术。
42.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、将热处理后的金属工件放入水槽内部的支撑架上；s2、金属工件两侧连接电线，电线的另一端连接直流电源，开启电源；s3、向水槽内注入盐溶液介质直至没过金属工件；s4、在水槽两侧分别固定超声波换能器，开启超声波换能器，进行排氢。2.根据权利要求1所述的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，其特征在于：所述步骤s2中，直流电源的电流密度为0-10a/m2，作用时间为1-120min。3.根据权利要求2所述的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，其特征在于：所述步骤s3中，盐溶液介质为氯化钠水溶液或酒精溶液。4.根据权利要求3所述的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，其特征在于：所述氯化钠水溶液的浓度为0-20％。5.根据权利要求4所述的一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，其特征在于：所述步骤s4中，超声波换能器的超声频率为20-100khz，作用时间为1-120min。

技术总结
本发明涉及一种基于超声-直流能场辅助锻件扩氢的方法，利用外加超声-直流能场来辅助金属扩氢，包括：S1、将热处理后的工件放入水槽内部的支撑架上；S2、金属工件两侧连接电线，电线的另一端连接直流电源，开启电源；S3、注入盐溶液介质至没过工件；S4、在水槽两侧固定超声波换能器，开启超声波换能器，进行排氢。经本方法处理后，可在短时间内有效排除大部分金属内部的氢原子，使得金属恢复原有的延伸率，并保留了充氢后的强度，同时会减少热处理的时间，避免了因热处理导致金属发生裂纹，回火脆性等缺陷，同时延长金属的使用寿命。本方法采用两种能场叠加的方式，相比于目前的去氢热处理而言，可以节省时间，更高效的去氢。更高效的去氢。更高效的去氢。


技术研发人员：杜凤山 刘佶岩 王宇浩 陈晓辉
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/23