تردی هیدروژنی در آبکاری از نگاه متال فینیشینگ 2011

ترجمه و ویرایش توسط واحد فنی مهندسی شرکت جلاپردازان پرشیا

مقدمه ای بر  تردی هیدروژن 

تردي هيدروژني (Hydrogen Embitterment)  فرآيندي است که در آن هيدروژن با نفوذ به ماده فلزي منجر به ايجاد ترک، کاهش انعطاف‌پذيري و در نهايت شکست و تخريب آن مي‌شود. شکست مواد فلزي در اثر پديده تردي هيدروژني اغلب غيرقابل پيش‌بيني و گاه فاجعه‌بار است. دليل آن اين است که براي وقوع شکست، اعمال نيروي خارجي نياز نيست و وجود تنش‌هاي پس ماند (Residual Stress)   مي‌تواند به عنوان منبع اعمال تنش عمل کند. آستانه تنش‌هايي که سبب ترک مي‌شود معمولا کمتر از تنش تسليم ماده است بنابراين ماده بدون اينکه تغيير شکل کافي دهد يا صدمات ظاهري آن قابل رويت باشد به صورت ناگهاني و در حقيقت در اثر يک شکست دروني تخريب مي‌شود. حد تردي هيدروژني به مقدار هيدروژن و مدت زماني که ماده در معرض آن قرار گرفته وابسته است. هيدروژن که از لحاظ شعاع اتمي بسيار کوچک است مي‌تواند در طي فرآيند ساخت يا عمليات انجام گرفته روي فلز و يا در حين کاربرد قطعه فلزي به درون آن نفوذ کند. فرآيندهائي نظير اسيدشوئي، پوشش‌دهي الکتريکي (Electroplating)، جوشکاري و بطور کلي تمامي فرآيندهاي مائي پوشش‌دهي که سطح فولاد را در معرض هيدروژن آزاد قرار مي‌دهد ماده را مستعد جذب و نفوذ هيدروژن مي‌کند. وجود مقادير بسيار کم هيدروژن مي‌تواند منجر به بروز پرونده هيدروژني در مواد و فولادهاي استحکام بالا شود.

 مکانیزیم تردی هیدروژنی 

پوشش‌دهي فلزات فرآيندي است که مي‌تواند زمينه‌ساز تردي هيدروژني در قطعه شود. موفقيت‌آميز بودن عمليات پوشش‌دهي به تميز بودن سطح قطعات بستگي دارد. وقتي قطعات فلزي اسيدشوئي مي‌شوند شديدترين منبع هيدروژن براي نفوذ به فلز پايه فراهم مي‌شود. خود فرآيند پوشش‌دهي منبع ديگر حضور و نفوذ هيدروژن است. با توجه به واکنش زير، هيدروژن اتمي توليد شده و در ماده فلزي نفوذ مي‌کند و جذب مي‌شود:
 هيدروژن اتمي معمولا به مناطقي نفوذ مي‌کند که بيشترين تنش سه بعدي در آن متمرکز شده است. هيدروژن در تله‌هايي نظير مرز دانه‌ها، مرز تيغه‌هاي مارتنزيت، فصل مشترک‌هاي کاربيد و نظير آن در ساختار فولاذ نفوذ مي‌کند. با افزايش غلظت هيدروژن در اين تله‌ها به حد بحراني، شکست سريع و ترد اتفاق مي‌افتد زيرا نيروي ناشي از حضور هيدروژن مولکولي در دروين اين تله‌ها بسيار زياد و گاه در حد چند هزار psi  است که به آساني مي‌تواند قطعات بسيار حجيم را نيز ويران نمايد.

اگر نيروي خارجي به فلز اعمال نشود و يا تنش‌هاي پسماند وجود نداشته باشد، تردي هيدروژني محيطي ممکن است به شکل‌هاي مختلف نظير تاول، ترک داخلي، تشکيل هيدريد و کاهش انعطاف‌پذيري نمود يابد. اما اگر تنش کششي وجود داشته باشد و ميزان آن حتي از تنش تسليم فلز کمتر باشد، ترک ناشي از حضور هيدروژن مستعد اشاعه ترک و در نهايت شکست قطعه مي‌گردد.

هيدروژن از منابع مختلف شيميائي يا محيطي مي‌تواند به مواد فلزي نفوذ کند. اگر محيط خوردگي فعال باشد، هيدروژن ناشي از واکنش خوردگي به شکل اتمي در فلز نفوذ کرده و اگر قطعه فلزي تحت تنش باشد، خوردگي و شکست ناشي از اين حالت scc يا "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از خوردگي" (Stress Corrosion Cracking)   ناميده مي‌شود. اگر حضور سولفيد هيدروژن سبب ورود هيدروژن به فلز شود فرآيند ايجاد ترک در اين حالت "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از سولفيد" يا ssc  (Sulphide Stress Cracking) ناميده مي‌شود. البته scc پديده‌اي است که صرفا به هيدروژن متکي نيست و از مواد خورنده مختلف ناشي مي‌شود که به ترک‌هاي زير نفوذ کرده و به اشاعه آنها و رسيدن به آستانه شکست کمک مي‌کند. به اين دليل اگر پاي هيدروژن در ميان باشد و شرايط خوردگي تحت تنش فراهم باشد و فرآيند را Hscc  يا "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از خوردگي در حضور هيدروژن" مي‌نامند. به هر صورت، تردي هيدروژني و Scc هر دو از نوع شکست تاخيري هستند که باعث ايجاد ترک، کاهش انعطاف‌پذيري و ضربه‌پذيري فلز و در نهايت شکست ناگهاني‌تر در تنش‌هاي کمتر از تنش تسليم فلز مي‌شوند.

 روشهای جلوگیری از تردی هیدروژن 

براي جلوگيري از بروز پديده تردي هيدروژني بايد به گونه‌اي عمل نمود که اتصالات و قطعات قبل از استفاده شدن و ورود به سيکل عمليات کاري، هيدروژن جذب ننمايند. به صورت مشخص، درمورد عمليات پوشش‌دهي اتصالات، استفاده از حمام‌هاي شستشو و پوشش‌دهي با هيدروژن کم توصيه مي‌شود. اما در هر حال در مورد فولادهاي استحکام بالا که داراي سختي بيشتر از HRC 40 هستند عمليات تنش‌زدائي در دماي ۲۳۰ـ150 درجه سانتي گراد قبل از فرآيند پوشش‌دهي لازم است. بعد از پوشش‌دهي نيز بلافاصله قطعات بايد حداقل در دماي  ۱۹۰درجه سانتي گراد به مدت ۴ ساعت در کوره گرم شوند. در جدول (۱) مدت زمان مورد نياز براي عمليات هيدروژن زدائي قطعات در ۲۱۰ـ190 درجه سانتي گراد بسته به استحکام کششي قطعه ارائه شده است.

 رابطه استحکام کششي قطعه و مدت زمان هيدروژن زدائي

             استحکام کششی   ( Mpa)                  زمان (ساعت)
            1050 >                                         نياز نيست
            1450ـ1051                                     2
            1800ـ1451                                      18
            1800<                                              24



گرم کردن قطعات تا دماي ۲۰۰ درجه سانتيگراد  به منظور خارج شدن هيدروژن جذب شده در فلز صورت مي‌گيرد. مدت زمان عمليات به استحکام فلز بستگي دارد. از آنجا که فرآيند حرکت هيدروژن اتمي از درون فلز نوعي فرآيند ديفوزيوني است و به دما و زمان بستگي دارد، هر چه استحکام فلز بيشتر باشد به دما و زمان بيشتري براي نفوذ نياز است. برخي معتقدند عمل گرمايش براي رهائي از تردي هيدروژني معمولا هيدروژن را از بين نمي‌برد. يا آزاد نمي‌سازد بلکه آرايش و توزيع مجدد هيدروژن را در تله‌هاي عميق که خطر کمتري دارد صورت مي‌دهد. عمليات گرمايش براي هيدروژن‌زدائي بايد حداکثر ظرف مدت يک ساعت بعد از فرآيند پوشش‌دهي و قبل از بروز هر گونه ترک در اثر وجود تنش‌هاي باقيمانده صورت گيرد.

روشهای جلوگیری از تردی هیدروژنی در آبکاری 

از انجا که عامل اصلی تردی هیدروژنی  وجود یون و اتم هیدروژن در محیط و در سطح فلز است لذا باید با ایجاد موانعی از نفوذ این یون به فلز جلوگیری گردد.در پایین چند راه امده است.

1- استفاده از ممانعت کننده ها
از آنجا كه شكنندگي هيدروژني اغلب در عمليات شستشوي شيميائي (بااسيدها) اتفاق مي‌افتد ( توسط ايجاد هيدروژن) لذا با استفاده دقيق مواد شيميائي ممانعت كننده مي‌توان خوردگي فلز اصلي و در نتيجه توليد هيدروژن را كنترل كرد

2-استفاده از اسیدها و مواد اسیدی خالص تر
در اثر احياي يون‌هاي هيدروژن در واكنش‌هاي مربوط، ابتدا هيدروژن‌هاي اتمي به وجود مي‌آيد و بعد مولكول هيدروژن توليد مي شود.در اين ميان بعضي مواد مثل يون‌هاي سولفيدي، تركيبات فسفر و آرسنيك سرعت احياي هيدروژن را كم مي‌كنند. اكثر اين تركيبات با كاهش سرعت تشكيل مولكول‌هاي هيدروژن سرعت خوردگي را كم مي‌كنند. در حضور اين گونه مواد، غلظت هيدروژن اتمي روي سطح فلز بيشتر شده و لذا امکان نفوذ هیدروژن به فلز بیشتر می گردد.

3- استفاده از الیاژ مناسبتر:
فلزاتي كه به تردي هيدروژني مستعدتر هستند فولادهاي با استحكام خيلي بالا مي‌باشند آلياژ كردن با نيكل و موليبدن اين استعداد را كم مي‌كند.

4- جوشکاری صحیح:
چنانچه تردي هيدروژني در مرحله جوشكاري به وجود آيد، بايستي از الكترودهاي مناسب (كم هيدروژن) استفاده شود. همچنين خشك نگه داشتن محل و اطراف جوش در مرحله جوشكاري بسيار مهم است زيرا آب و بخار آب منبع اصلي هيدروژن هستند

5- استفاده از فعال کننده های سطح در مراحل اسید شویی:
این عامل با کاهش زمان اسیدشویی و سرعت بیشتر ان باعث کم شدن زمان  قرار گیری فلز در محیط دارای هیدروژن میگردد و لذا تردی هیدروژنی کمتر میشود.