专利名称：钢的电化学阴极充氢方法
技术领域：
本发明涉及不同含氢量的金属样品制备领域，具体为一种普适于所有钢种的电化学阴极充氢方法，通过这种室温即可操作的充氢方法，可以实现对铁素体钢或奥氏体钢不同氢含量样品的制备，从而为研究氢含量对钢组织与性能的影响提供便利。
背景技术：
早在第一次世界大战时，冶金学者们就在对大型预制坯进行机械处理时发现了白点，并通过长时间的探索，确定了钢中氢是产生白点的元凶。众所周知，钢中的氢是一种有害但又难以完全避免的杂质元素，它对钢的危害主要是引起锻件塑性、韧性的降低，严重时会导致锻件中出现白点(氢致发裂)，造成整个锻件的报废，这种现象被称为氢脆。氢脆按照其与加载时应变速率的关系可分为两类1.钢的氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而升高，大型锻件中的白点即属于第一类氢脆。在加载前，氢已经在钢中形成了不可恢复的损伤，随加载应变速率的增加，初始的氢损伤处作为氢脆源形成极大的应力集中，使得裂纹扩展速度增大，导致钢的脆性增加；2.钢的氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而减小，钢的滞后断裂和大型锻件的置裂均属于第二类氢脆。在加载前，钢中尚未形成氢脆源，而在加载的过程中，随着应力、应变的交互作用，钢中氢不断扩散聚集，逐步形成氢脆源并导致钢的脆性增加。不同钢种的氢脆敏感性不同，一般使用无白点极限氢含量或无氢脆极限氢含量来表征。为了保证大型锻件在使用过程中的安全性，有必要将氢含量控制在无白点极限氢含量甚至无氢脆极限氢含量之下，而这些指标的测定必然需要在实验室条件下制备不同含氢量的样品。吕曼祺等人早在上个世纪九十年代就发明了《高压高纯热充氢装置》(专利号 92109936. 3)，使用该装置可实现对大多数金属材料的充氢处理，然而，该装置的制造过程较为复杂，国内很少有此类专门用于充氢的高压釜，而且该充氢方法在高温高压下进行，充氢过程有很大的危险性。除此之外，对于氢在其中极易扩散的bcc结构钢，在高温下充氢很容易造成氢的扩散逸出，从而达不到预期的充氢效果。因此，发明一种普适于所有钢种的室温充氢方法很关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单易操作并普适于各种类型钢的室温充氢方法，解决现有的充氢方法在高温高压下进行，充氢过程危险性较大等问题，为研究各个钢种的无白点或无氢脆极限氢含量提供便利。本发明的技术方案为一种钢的电化学阴极充氢方法，包括如下步骤首先，取硫酸和蒸馏水配制0. 5 2mol/L的硫酸水溶液，之后取0. 10 0. 25g/ LAs2O3或NaAsA放入硫酸水溶液中，搅拌均勻，完成电解液配制过程；
然后，使用钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯或其它玻璃容器中固定好；之后，接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的容器中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至1 200mA/cm2 (优选为10 IOOmA/ cm2)，对样品进行充氢。对不同钢种通过调整直流电源的电流和充氢时间，达到充入不同氢含量的目的。本发明的设计思想是通过简单的电解水过程，使得分解而成的阳离子(H+)向阴极移动，并在阴极得到电子而变为H原子，随着电解过程的不断进行，大量氢气在作为阴极的充氢试样周围富集， 在样品表面局部区域内形成极大的氢压。在氢浓度梯度及氢压双重作用下，氢原子不断向样品内部扩散，从而达到对样品充氢的目的。其中，电解液中加入的As2O3或NaAsCUS关键， 它们作为毒化剂，可以提高氢原子的渗透性，并减缓氢原子向氢分子的转变过程。本发明中充氢过程进行的快慢与电解水的速率和氢渗透的难易程度密切相关，其中电解水的速率与直流电源的电压与电流以及水的导电性能相关。强电解质硫酸的加入是为了提高水的导电性，使得作为弱电解质的水的电解过程顺利进行。本发明使用不易被强酸或强碱腐蚀的钼网作为阳极，有效避免了电解水过程中阳极与电解液发生反应，以致影响充氢过程持续有效进行的情况；本发明在作为阴极的充氢试样和作为阳极的钼网固定好并接通直流电源后再倒入配制好的电解液，通过一开始就对充氢试样进行阳极保护，避免了其在酸性或碱性电解液中被腐蚀；另外，本发明中需要注意的是应避免连接阴阳极与电源正负极的铜导线浸入电解液中；否则，铜与硫酸发生反应，形成硫酸铜，其中的Cu2+向阴极聚集，在充氢试样表面形成一层铜镀膜，影响充氢过程的顺利进行。本发明的有益效果1、与现有技术相比，本发明通过简单易操作的电解水试验，可完成对各种钢种的充氢。根据钢种对氢敏感性的不同，选择相应的电解液浓度，电压及电流可制备得到不同氢含量的样品。本发明在室温常压下即可操作，大大降低了以往通过高温高压充氢的危险系数。2、本发明可为研究氢含量对钢组织与性能的影响提供不同含氢量的样品，通过改进的电解水实验达到对各种类型钢种室温充氢的目的，方法简单且易操作，并普适于各种类型钢种。
具体实施例方式实施例1本实施例中所用钢种为核电压力容器用SA508-3钢，其中初始氢含量为 0. 5ppm(ppm为质量百分比，同ug/g)。首先，取硫酸和蒸馏水配制lmol/L的硫酸水溶液，之后取NaAsA放入硫酸水溶液中，NaAsO2加入量为0. 25g/L，搅拌均勻，完成电解液配制过程；然后使用桶状钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯中固定好；之后接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的烧杯中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至lOOmA/cm2，对样品进行充氢10h。充氢结束后，将充氢样品取出并冲洗干净。放入液氮中保存至对其进行气体分析前取出，测得其中的平均氢含量为2. 7ppm。实施例2本实施例中所用钢种为核电压力容器用SA508-3钢，其中初始氢含量为0. 5ppm。首先，取硫酸和蒸馏水配制lmol/L的硫酸水溶液，之后取NaAsA放入硫酸水溶液中，NaAsO2加入量为0. 25g/L，搅拌均勻，完成电解液配制过程；然后使用桶状钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯中固定好；之后接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的烧杯中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至lOmA/cm2，对样品进行充氢40min。充氢结束后，将充氢样品取出并冲洗干净。放入液氮中保存至对其进行气体分析前取出，测得其中的平均氢含量为1. Ippm0实施例3本实施例中所用钢种为核电循环水泵叶轮用双相不锈钢，其中初始氢含量为 0. 75ppm。首先，取硫酸和蒸馏水配制lmol/L的硫酸水溶液，之后取NaAsA放入硫酸水溶液中，NaAsO2加入量为0. 25g/L，搅拌均勻，完成电解液配制过程；然后使用桶状钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯中固定好；之后接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的烧杯中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至lOmA/cm2，对样品进行充氢12h。充氢结束后，将充氢样品取出并冲洗干净。放入液氮中保存至对其进行气体分析前取出，测得其中的平均氢含量为12ppm。实施例4本实施例中所用钢种为核电循环水泵叶轮用双相不锈钢，其中初始氢含量为 0. 75ppm。首先，取硫酸和蒸馏水配制lmol/L的硫酸水溶液，之后取NaAsA放入硫酸水溶液中，NaAsO2加入量为0. 25g/L，搅拌均勻，完成电解液配制过程；然后使用桶状钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯中固定好；之后接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的烧杯中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至lOOmA/cm2，对样品进行充氢40min。充氢结束后，将充氢样品取出并冲洗干净。放入液氮中保存至对其进行气体分析前取出，测得其中的平均氢含量为5ppm。对比例1本比较例中所用钢种为核电压力容器用SA508-3钢，其中初始氢含量为0. 3ppm。将定氢样品放入高压高纯热充氢装置中进行气相充氢，充氢温度设定为^KTC，高压釜中通入氢气，氢气压力9. 5MPa，对样品充氢80h。因充氢过程在接近100个大气压的高压下进行，在整个三天半的充氢过程中，需要工作人员轮流值班对温度和压力值进行监控， 以防出现意外情况。在充氢结束后，将高压釜中的压力释放，并将高压釜淬入水中并通水冷却5min后取出样品。将样品放入液氮中保存至对其进行气体分析前取出，测得按上述参数气相充氢后的氢含量为0. 3 0. 5ppm，充氢效果极不明显。
权利要求
1.一种钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，包括如下步骤首先，取硫酸和蒸馏水配制0. 5 2mol/L的硫酸水溶液，之后取0. 10 0. 25g/LAs203 或NaAsA放入硫酸水溶液中，搅拌均勻，完成电解液配制过程；然后，使用钼网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极， 放入烧杯或其它玻璃容器中固定好；之后，接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有钼网和充氢试样的容器中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至1 200mA/cm2，对样品进行充氢。
2.按照权利要求1所述钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，对不同钢种通过调整直流电源的电流和充氢时间，达到充入不同氢含量的目的。
3.按照权利要求1所述钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，充氢电流强度优选为 10 100mA/cm2。
4.按照权利要求1所述钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，使用钼网作为阳极，并在倒入电解液之前通电，避免作为阴极的待充氢样品的腐蚀。
5.按照权利要求1所述钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，避免连接阴阳极与电源正负极的铜导线浸入电解液中。
6.按照权利要求1所述钢的电化学阴极充氢方法，其特征在于，在稀硫酸溶液中加入 As2O3或NaAsO2，作为毒化剂，提高氢原子的渗透性并减缓氢原子向氢分子的结合。
全文摘要
本发明涉及不同含氢量的金属样品制备领域，具体为一种钢的电化学阴极充氢方法。首先，取硫酸和蒸馏水配制硫酸水溶液，之后取As2O3或NaAsO2放入硫酸水溶液中，搅拌均匀，完成电解液配制过程；然后，使用铂网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯或其它玻璃容器中固定好；之后，接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有铂网和充氢试样的容器中，对样品进行充氢。本发明通过改进的电解水实验达到对各种类型钢种室温充氢的目的，方法简单且易操作，并普适于各种类型钢种，解决现有的充氢方法在高温高压下进行，充氢过程危险性较大等问题，为研究各个钢种的无白点或无氢脆极限氢含量提供便利。
文档编号G01N1/28GK102288465SQ20111020154
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者孙明月, 李依依, 李殿中, 郝露菡 申请人:中国科学院金属研究所