一种用于大型锻件的电化学快速扩氢方法与流程

本发明涉及一种大型锻件成形制造中的热加工方法，特别是快速除氢方法。

背景技术

大型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。具有制造难度大、成本高、周期长等特点。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。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。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。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。

白点是“大型锻件的癌症”，为了防止白点产生必须把钢水中的氢减少到无白点极限含量之下，大型零件研制要求其锻件中平均氢含量不高于3ppm。但由于氢偏聚的存在，极易引起局部高氢现象发生。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。同时对于大型锻件加热与冷却时间较长，使锻件表面和心部产生巨大的温差以及内部组织转变具有不同步性，所产生的内应力会阻碍其内部组织转变，甚至导致产生裂纹，造成大型锻件整体断裂报废。因此，传统扩氢退火工艺操作复杂，需要在高温下进行，由此造成了能源和生产设备的巨大浪费，而且无法完全杜绝白点缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能在较短时间内，清除大型锻件内部处于游离态氢原子且简单易行、高效、低耗、低成本的用于大型锻件的电化学快速扩氢方法。本发明主要是通过直流三电极工作体系对锻件进行扩氢，该直流三电极包括两个导电电极和一个参比电极，两个导电电极分别为阴极和阳极，该阳极为锻件本身，参比电极为饱和甘汞电极。

1、本发明的电化学扩氢装置

所述装置主要包括：电源、电位仪、记录仪、电解池、参比电极、阴极及作为阳极的锻件。其中，直流电源正极与电位仪相连，电位仪又与记录仪相连，记录仪又通过导线与置于电解池内的作为阳极的锻件相连，该锻件包括钢、合金钢及合金铝。所述电位仪还通过导线与置于电解池内的参比电极相连，参比电极在扩氢的过程中被屏蔽，不参与电化学反应，可保持与工作电极的热力学电势恒定，为大型锻件的扩氢过程提供一个标准电位。直流电源负极通过导线与置于电解池内的阴极相连，用以与阳极组成回路，其中，阴极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极。

2、本发明电化学快速扩氢方法

1)将作为阳极的锻件置于所述电化学扩氢装置的电解池内，该电解池内盛有配制好的电解液，并使电解液没过锻件；所述电解液为浓度是0.05-0.4mol/l的氢氧化钠溶液，最佳电解液的浓度为0.2mol/l；最好电解液中加入硫化钠作为活化剂，每升电解液的加入量为0.8-1.2g，活化剂的作用是降低锻件表面反应速率及加快氢原子电离速度。电解液温度为0-100℃。

2)开启电源，对锻件施加恒电位极化，即由电位仪提供对锻件施加的极化恒电位，大小为0.1-5v/dm²。实验中，以参比电极作为零电位点，该电压即为相对与零电位点的点位差。

3)观察记录阳极电流的变化，随着锻件中的氢原子被极化为离子后脱离阳极，并在阴极得以还原，使得阳极氢离子浓度降低，从而导致阳极电流密度下降，并最终趋于稳定值。记录仪所记录下的电流是由于锻件中的氢离子所产生的，故当电流密度小于一定值即小于0.5μa/cm²时，反应结束，可以认为锻件中的氢含量已降到无白点极限氢含量以下。

最好，对锻件进行预处理，即将锻件表面打磨，然后分别用清水冲洗，最好再用乙醇清洗，自然干燥。

本发明的工作原理大致如下：大型锻件在施加极化电位前，氢原子由于受到浓度梯度、温度梯度、化学势梯度、应力梯度等的影响而非均匀地分布在锻件中自由移动，如图2所示，并且容易被一些微观的结构缺陷(如夹杂、偏析、疏松以及各种组织不均匀等)所吸引或捕捉，但在对其施加恒电位或者恒电流极化后，固溶于金属晶格中的氢原子在电位或者电流阳极极化的作用下，发生电离反应h-e-→h⁺，使游离的氢原子极化为氢离子并向大型锻件的边部运动，通过电解液在阴极被还原为氢气逸出。于是在常温下即可实现清除扩散在大型锻件中的氢原子。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明可以大大缩短扩氢时间、降低扩氢成本，具有高效、实用、成本低等特点，在较短时间内，清除大型锻件内部处于游离态的氢原子，使得大型零件能够健康、稳定运行。

2、操作工艺简单，容易控制，节约能源，时效时间短，时效温度低，能耗少。

3、采用电化学扩氢方法，效果明显，扩氢后大锻件的力学性能有明显提高，可避免白点缺陷发生。

4、本发明简化了锻后热处理工艺，实现了在常温下既可清除大锻件有害氢原子的控制目标(或使用该法将大型锻件中的氢含量减少到临界氢浓度控制极限以下)，推动大锻件从熔炼、浇铸、锻造、扩氢、热处理过程的传统工艺改革与高端创新。

附图说明

图1是本发明的电化学扩氢装置主视剖面示意简图。

图2是极化前固溶于锻件中的游离态氢原子运动方向示意简图。

图3是极化后固溶于锻件中的游离态氢原子运动方向示意简图。

图4是实施例1锻件扩氢阶段电流随时间的变化曲线图。

图中：1、电位仪，2、直流电源，3、记录仪，4、电解池，5、参比电极，6、阴极，7、锻件。

从图2可以看出，锻件在极化前，其中的游离态氢原子运动方向是无规则的，朝任意方向运动；从图3可以看出，锻件在极化后，其中的游离态氢原子运动方向是有规则的，均朝向锻件外壁运动。

具体实施方式

在图1所示的用于大型锻件的电化学快速扩氢方法中的电化学扩氢装置主视剖面示意简图中，直流电源2正极与电位仪1相连，电位仪又与记录仪3相连，记录仪又通过导线与置于电解池4内的作为阳极的锻件7相连。所述电位仪还通过导线与置于电解池内的参比电极5相连。直流电源负极通过导线与置于电解池内的阴极6相连，其中阴极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极。

实施例1

将40cr经切割、加工成边长3厘米，厚1毫米的正方形薄板锻件，锻件表面打磨至镜面，用清水冲洗，并棉纱布沾取乙醇擦拭，放在通风处吹干以便实验使用。

将作为阳极的锻件置于所述电化学扩氢装置的电解池内，该电解池内盛有配制好的电解液，并使电解液没过锻件；所述电解液为1l浓度是0.2mol/l的氢氧化钠溶液，电解液中加入0.8g硫化钠作为活化剂，电解液温度为25℃。

开启电源，对锻件施加恒电位极化，由电位仪提供对锻件施加0.15v(相对与参比电极)的极化恒电位，观察记录阳极电流的变化，开始时阳极电流先是急剧下降，随着恒电位极化的持续，阳极电流在急剧下降过程后，慢慢趋于一个稳定值，如图4所示，趋于稳定值的电流是阳极残余电流，阳极残余电流是因为试件内部含有残留的氢原子或电解质溶液中含有能被氧化的杂质而产生的。随着大型锻件扩氢的进行，被测试件中的氢原子逐渐的扩散到表面并被氧化成氢离子，阳极氧化的残余电流以较慢的速度减小，当电流密度小于0.5μa/cm²，可以认为锻件中的氢已降到无白点极限氢含量以下。

实施例2

将65mn试件经切割、加工成边长3厘米，厚1毫米的正方形薄板试件，试件表面打磨至镜面，用清水冲洗，并棉纱布沾取乙醇擦拭，放在通风处吹干以便实验使用。采用如实施例1的方法，其中电解液为1l浓度是0.15mol/l的氢氧化钠溶液，电解液中加入1.2g硫化钠作为活化剂，对锻件施加0.15v(相对与参比电极)的极化恒电位，当电流密度小于0.5μa/cm²，可以认为锻件中的氢已降到无白点极限氢含量以下，结束实验。

实施例3

将实施例1，实施例2中抽氢的试件和未处理的试件由线切割制备成拉伸样件。用液压材料万能试验机进行拉伸实验，分别并记录其应力应变曲线，将实验结果进行比对。

实验表明，抽氢试件的塑性要比未处理试件更好，其抗拉强度约提高1-5个百分点。