大型锻件白点的形成原因、预防和愈合

李志义¹

（1.重庆义扬机电设备有限公司）

摘要：本文总结于作者在296厂工作和我现工作企业期间以及国内外热处理领域的部份试验研究成果。

1  白点的形成原因

白点形成的**机理：H+H。美国学者认为H+H的结果使局部形成10⁷大气压，中国学者研究为10⁴大气压^[1-4]。

白点形成的第二机理：H+S。俄罗斯学者发现白点地方存在硫化物，由于S原子量为12，估计局部形成的压力更大。

因此我们厂引进俄罗斯天然气制氮设备时特别强调含硫量要控制在0.5mg/m³以下。

2  氢塑、氢脆

氢进入金属中有二大性能，氢塑和氢脆；

氢塑是指在一定的条件下，氢进入金属使塑性提高脆性下降称氢塑。氢脆是指在一定的条件下，氢进入金属使脆性提高塑性下降称氢脆。

低温氢塑是苏联人65年发现，他们在研究液氢使用于空间运载火箭燃料和原子能核裂变冷却液的前期工程中研究在-200℃以下时，载氢体金属材料出现氢塑现象。

高温氢塑于70年美国人研究Ti合金时发现并发表在杂志上。实际上苏联人早几年前研究Ti合金用于超音速3倍以上的飞机上，已用于实践，只因军事秘密没有对外公布而已……。

在常温下金属中的氢只表现为氢脆现象。

2.1  氢塑

2.1.1 Ti合金的氢塑性。

热强性的钛合金变形，半成品的工艺流程是：制取中间坯料→清除氧化皮→渗氢退火→热压力加工→消除氧化皮→真空退火去氢→热处理。

原因：高强度Ti合金中，有AI是TiAI₃化合物强化，当温度低于溶解度时，a相对其塑性很差，难以成型。AI能稳定H₂而H能促进β相稳定。a+β/β相变温度低，显著地扩大a+β区温度范围，使塑性增加。

2.1.2氢进入钢中，我们在50钢做的常温三点弯曲强度б_bb表示，б_bb未渗氢＞б_bb渗氢，氢脆的敏感性我们用三点弯曲格强度б_bb来表征。

有间淳一^[5] 用HT50钢做试验，若在-196℃以下，无氢脆敏感性，三点抗弯强度б_bb增加。

这样就有可能作出以下曲线：

未渗氢的三点弯曲强度：试验温度在0℃以下随温度升高б_bb升高。

已一定量的饱和渗氢，随温度下降б_bb升高，

当固定饱和渗氢量时：（1）当温度＞To临界温度    氢脆

            （2）当温度＜To临界温度    氢塑

本人认为研究To的影响是很有意义的，而且每种钢的To温度是不同，一般讲氢塑是可逆性的氢塑。

2.2  氢脆

氢脆分可逆性氢脆和不可逆性氢脆。一般金属渗氢后发生氢脆，通过去氢，性能完全恢复者称可逆性氢脆。反之为不可逆氢脆。J.Weber博士^[12]称可逆性氢损伤，我们认为，这于我们国内的习惯不同，损伤者已受损是不能完全恢复原样的，我们认为氢损伤是指不可逆氢脆，氢损伤即不可逆氢脆。

2.2.1可逆氢脆

形成可逆H₂

 ①可逆性非金属氢化物；

②可逆性金属氢化物。

形成可逆性的氢化物。

形成弹性位移而没有发生永久变形。

2.2.2不可逆氢脆（氢损伤）

氢致相变：①某些奥氏体型钢出现氢致A—M，如18～8型钢而25～20型不发生A→M；②高强度钢残A→M。

氢致形变：氢的偏聚产生压力使周围晶粒滑移而产生永久变形。

不可逆氢化物：①形成不可逆移定金属氢化物：T₁H₂、T_iH₄ ；②形成不可逆稳定的非金属氢化物CH₄、H₂O 。

氢致裂纹、空穴、白点、气泡、鱼眼（sish-eyes）

延迟断裂：一般发生在一定的温度范围内，约为-100℃至100℃之间。

延迟断裂分二种：①先有氢后有应力；（2）先有应力后有氢

本人所在枪厂有氢参加下的多冲疲劳延迟断裂，分析起来就更复杂了。

3  预防

目前在进氢和进硫问题上：国内各钢厂采取很多措施降低氢和硫的含量：

在锻造加热过程中环境效应应引起重视。例如:采用天然气加热时，天然气的净化非常重要，净化后的天然气能使氢、硫含量大大下降。

对热处理气体（请注意环境效应^[8]）环境效应中的渗氢时可能部分进入后能出来，对渗硫、渗氧、渗汞、渗砷、硫氢共渗是出不来的，应尽可能避免和减少，渗硫的机理→H2S→与氧作用→SO₂与Mn作用→MnS，我们要求渗碳标准达到：露点<-60℃、CO₂<0.5mg/m³、有机硫<3mg/m³、无机硫<1mg/m³、石油<2mg/m³、汞<1mg/m³ 、砷<1mg/m³。（使用我们的发明专利能使天然气节能15%左右、丙烷气节能20%左右，北航研究院于2014年应用）。

4  愈合（俄语翻译为焊合）

以杨钟胜和徐跃明为首的专家、学者，制定的重载齿轮渗碳热处理技术要求JB/T13027-2017,标准号：JB/T13027-2017于2017.01.20发布，2017年07-01实施。

  首先感谢以杨钟胜和徐跃明为首的专家、学者，经过艰辛、努力、制定的标准，这个标准是指导性的，对我国的重载齿轮步入国际范畴很有意义。

  其中有好多重载钢种是德国弗兰德、采埃孚的发明和前苏联坦克齿轮用钢，世界各国均在采用......，现所提出含氧量20PPM,含氢量2PPM，这是一个可喜的要求，问题是冶炼出来的钢要达到这个标准，取决于生产中的环境效应^[8]在交货后能否达到，在整个渗碳过程中必然要渗氢和内氧化。尽管氢含量控制较低，大件总体氢含量较大，而氢在钢中因各种原因而偏聚，使局部氢大增。

4.1JB/T13027-2017重载齿轮渗碳热处理技术要求是对可靠高要求的重载齿轮（标准），需保证材料的纯净度，应采用真空二次精炼或电渣重熔的方法冶炼钢材，钢材的含氧量应控制在≤0.0020%（20ppm），含氢量应控制在≤0.0002%（2ppm）。4.2由钢锭直接锻成的大型重载齿轮锻坯，尤其是高Cr、Ni、Mo合金钢制作的钢坯，应进行以消除白点和氢脆为目的的去氢退火^[9]、等温退火或正火处理，一般采用950℃，若温度低效果差（特别对白点引起微裂纹的焊合）。

等温退火或正火：改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，致密度均匀性，夹杂物形态；由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用（俄文1975年报道为焊合；合金元素多焊合时间增长，国内学者肖亚航等2005年报道）*终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高（零件长期服役下的尺寸稳定性提高）。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。从动锥齿畸变的研究，再次验证上述观点：原材料存在明显的成分偏析和致密度不均，致使齿轮淬火压淬过程中零件内部同一层面组织转变不一致，产生了附加应力该内应力促使端出现了异常畸度。由于：GB/T1979标准中对偏析框大小和形状没有规定，建议用户采购齿轮钢时多关注钢的低倍钢的低倍组织并加强钢材进厂检验^[10]。

参考文献 

[1] 李志义编著.结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂[M].中兵:四川省第五机械工业局科技情报中心站，1980.8.

[2] 李志义主编译.钢的氢脆和应力腐蚀断裂译文集[M].中兵:四川省第五机械工业局科技情报中心站， 1979.3.

[3] 肖纪美.氢损伤.1981年9月九江会议讲座.

[4] 禇武扬.氢损伤和滞后断裂[M].冶金工业出版社，1988.10.

[5] 岩井保善，有间淳一.SCM3の水素过“じ化と遅扎破壊材料”，1978.27.N0294.235-39.

[6] 李志义，李晓澎，等.金属零件生产和使用中的环境效应及其零件失效的影响[J].热处理，2014.29（1）：15-19.

[7] J.Weber  WasserstoffVersprödung  und  Oberflächenbehändlung（1 Teil）“Oberfläche  Surface”19  Jahrgang，1978  Heft  11  264-269.

   [8] 李志义，李晓澎，校平.环境效应对金属零件服役寿命的影响[J].金属加工，2013，7（3）：127-129.

   [9] JB/T 13027-2017《重载齿轮渗碳热处理技术要求》.

[10] 李志义，马学文，浦玲.再述：渗碳淬火件表面层非马氏体组织形成的原因和防护措施[J].齿轮传动，2011(6)：79-86.

李 志 义

   2025年4月9日