Наводороживание стали

Диффузиию водорода сквозь железо впервые наблюдал французский ученый Л. Кайэте, когда часть водорода, выделяющегося на наружной поверзности цилиндрического стакана, герметично закрытого с торцов и погруженного в раствор серной кислоты, проникала во внутреннюю полость. При катодной поляризации цилиндра диффузия водорода увеличивалась и происходила вплоть до давлений в 2 МПа внутри цилиндра [21].

Суммарная реакция выделения водорода (1.4) включает в себя несколько стадий: разряд (1.5), рекомбинацию (1.6) и электрохимическую десорбцию (1.7) [22].

H3O+ + e → ½ H2 + H2O, (1.4)

H3O+ + e → Hад + H2O, (1.5)

Hад + Hад → H2, (1.6)

Hад + H3O+ + e → H2 + H2O. (1.7)

На основании многочисленных исследований, можно полагать, что водород растворяется в окто- и тетрапорах кристаллической решетки металлов в ионизированном состоянии, скапливается в порах и других дефектах кристаллической решетки в молекулярной форме, вступает в химическое взаимодействие с различными элементами и фазами, имеющимися в металлах и сплавах, а также адсорбируется внутри металла на поверхностях микрополостей, пор, микротрещин и т.д. и сегрегирует на несовершенствах кристаллической решетки.

В зависимости от условий насыщения водородом могут преобладать те иои иные формы состояния водорода в металлах, между которыми существует динамическое равновесие. Различные формы существования водорода в стали подтверждаются опытами фракционного определения водорода в стали [23].

Основными показателями наводороживания является общее содержание водорода в хромированной стали, определяемое методом вакуумной экстракции, и водородопроницаемость металла, определяемая по прониканию водорода через тонкую мембрану. Водородопроницаемость оценивается по плотности тока, затрачиваемого на окисление водорода, проникшего через мембрану.

Содержание водорода в покрытии зависит от его структуры. При гексагональной структуре содержание водорода доходит до 2900 см3/100 г, а при кубической форме оно составляет 158 см3/100 г. Повышение плотности тока обусловливает повышение содержания водорода в хромированной стали, а повышение, температуры приводит к его уменьшению. Имеются указания, что повышение температуры электролита, уменьшая общее содержание водорода в хромированной стали, способствует повышению его концентрации в основном металле.

Возможно, что по этой причине повышение температуры способствует повышенному снижению усталостной прочности стали после хромирования.

В проточном электролите, содержащем 250 г/л хромового ангидрида и 5 г/л серной кислоты, увеличение плотности тока способствует росту содержания водорода в хромированном образце, а при увеличении температуры содержание водорода уменьшается, особенно при высоких температурах. При хромировании в проточном электролите наблюдается некоторое уменьшение наводороживания по сравнению с хромированием в стационарном электролите. Так, например, при DA=50 А/дм2, T=55 °С и скорости потока 200 см/с содержание водорода в хромированной стали уменьшается с 27 см3/100 г в стационарном электролите до 12 см3/100 г в проточном. При этом отмечается, что наибольшее снижение наводороживания наступает при скорости потока 100 см/с.

На наводороживание при хромировании в протоке оказывает влияние параметр шероховатости хромируемой поверхности (ГОСТ 2789—73): при гидропескоструйной обработке содержание водорода составляет 8,1 см3/100 г, при шлифовании — 11,8 см3/100 г.

Максимум водородопроницаемости на стали У8-А при блестящем осадке в два раза больше, чем у стали ЗОХГСНА, а при молочном осадке больше в три раза. Усиленная водородопроиицаемость при молочном осадке объясняется как увеличением коэффициента диффузии водорода при повышении температуры, так и особенностями структуры хрома, осажденного при повышенных температурах. Повышение плотности тока мало влияет на водородопроницаемость [24].

Особо следует отметить большую скорость водородопроницаемости в случае, когда выделение хрома не происходит, а выделяется только водород, т. е. отсутствует свойственное хромовому покрытию барьерное действие. Такое выделение водорода без хрома наблюдается при низких плотностях тока [5]. Выделенный при хромировании водород распределяется по сечению хромированной стали неравномерно. При нагреве хромированных деталей водород в значительной степени удаляется. При 200°С и выдержке 3—4 ч удаляется около 80 % водорода, содержащегося в хромированной детали.

Имеются указания, что наибольшая эффективность термообработки достигается в случае, если она производится сразу после хромирования. При комнатной температуре хромированный образец также постепенно освобождается от водорода, но этот процесс идет медленно и полное удаление водорода не достигается. Представление о естественном старении хромированной стали 45 можно получить в таблице 1.2.