冷轧厚度减薄程度对硅钢中氢扩散特性的影响

摘要

采用电化学渗氢技术研究了冷轧硅钢在不同阴极充电电流密度和冷轧厚度减薄程度下的吸氢扩散特性。结果表明，阳极渗透电流密度随阴极充电电流的增大而增大。阳极稳态渗透电流密度和溶解度随冷轧厚度减小程度的增大而增大。氢在试样中的穿透时间随着厚度的减小而缩短，氢的扩散系数随厚度的增大而逐渐减小。

1.介绍

氢是宇宙中存在最广泛的元素，被认为是未来的燃料。它很容易大量获得;因此，近年来，它被广泛地用作一种高能燃料。然而，在金属的腐蚀、金属的酸洗、金属的电镀、金属的焊接等许多电化学过程中，氢进入金属表面是一个严重的问题[1-3.］．通过电化学过程或气体吸收引入金属中的氢会导致材料的氢脆，从而导致材料的韧性和延展性等力学性能下降。此外，氢脆甚至会导致氢致开裂或脆性断裂[4.-6.最终导致材料失效。一种成分或结构在其生命的各个阶段都可能被氢污染[7.］．氢降解严重影响各个工业部门，因为它会导致危险的故障和财产损失。

硅钢是一种特殊钢材，可以产生一定的磁性。钢中硅的加入增加了钢的电阻，提高了磁场穿透钢的能力，降低了钢的滞后损耗。硅钢经过热轧或冷轧工艺后，通常需要酸洗工艺去除表面氧化物。金属酸洗实质上是金属或金属氧化物与酸发生化学反应而产生的氢除去氧化层的过程。因此酸洗过程往往伴随着氢气的产生。硅钢极易发生氢脆，氢脆的发生受硅钢中氢扩散特性的影响。Takahashi等人[8.和Marrow等[9.还证实，当硅钢在氢气环境中时，氢对裂纹引发和材料的膨胀表现出显着影响。因此，研究硅钢中氢的特定扩散特性是非常重要的，非常重要的，并研究硅钢中氢的扩散能力。关于氢吸附，进入和运输动力学的详细信息基本上需要了解控制硅钢中氢脆的因素。高温真空蒸汽渗透和电化学氢渗透方法通常用于评估材料中氢的扩散特性[10.-13.］．在高温真空蒸汽渗透法中，材料两侧存在较大的压差。当氢分子从高压侧向低压侧渗透时，可以检测到渗透的氢分子;从而得到了氢渗透过程的动力学模型。然而，实验装置极其复杂，测试成本相对较高。相比之下，电化学渗透法具有电化学装置简单、价格低廉、测试灵敏度高、常温下通用性强等优点，因此非常方便。电化学氢渗透法由Devanathan和Stachurski提出[14.];已广泛用于研究金属材料和脆化现象中的氢气的扩散系数。在该研究中，使用冷轧硅钢板作为样品，以评估冷轧厚度降低程度对硅钢中的氢气扩散的影响。利用电化学氢渗透方法测量不同阴极充电电流或不同冷轧厚度降低度的硅钢中氢的扩散特性。

2.实验程序

2.1。材料和样品制备

本研究使用的是市售2.7 mm厚的硅钢。合格硅钢的化学成分列于表中1．试样用轧辊机冷轧。通过在轧制机上调整冷轧减薄量，得到三种冷轧试样，冷轧减薄程度分别为54.8、72.2、77.4%，对应的三种试样厚度分别为1.48、0.75、0.61 mm。采用光学显微镜观察了不同厚度减薄程度的冷轧硅钢的微观组织。

试件尺寸为50mm × 70mm，有效表面积为9cm²在这项研究中使用。首先，标本连续地机械抛光，600,1,000和1,200级磨料纸。其次，将样品在超声波清洗浴中清洗，用蒸馏水冲洗，并通过冷空气吹气快速干燥。最后，将每个样品的一侧用镍（Ni）镀成1的厚度 μM，防止试样溶解，影响渗透实验数据。

2．2.电化学氢渗透

为了研究硅钢的氢脆倾向，必须对试样进行氢化处理。采用Devanathan-Stachurski双电解池或双电解池的电化学氢渗透技术测定了钢材料中氢的扩散。数字1给出了氢气渗透实验的示意图。该实验装置被广泛用于测定氢通过金属膜的渗透速率。样品的一边作为阴极室，另一边作为阳极(阳极室)。阳极(出口)侧涂有镍以使其耐腐蚀。在渗透实验开始之前，在阳极侧施加一个对镍电极的恒定电位为300 mV。阴极侧充电氢气，直到背景电流密度降低到0.1以下μ一个厘米⁻²在阳极侧。氢气充电电流密度为5,10和30 ma cm⁻²,分别。阴极充氢可以在阴极表面产生大量的氢原子。然后氢被吸附在样品的表面，并被原子吸收到材料的大部分。当氢原子到达阳极表面时，它们被阳极电位氧化，得到阳极氢渗透电流。然后关闭阴极充电和电化学工作站，直至渗透电流密度达到稳定水平。两个腔体的温度都保持在在整个实验过程。

2．3.数据分析

对于电化学氢渗透技术，氢通过试样的渗透通量由稳态渗透电流密度()，其表示形式如下: 在哪里氢原子的渗透通量是稳态(摩尔)，渗透电流密度是否处于稳态(A)，是转移的电子数（无量纲），和是法拉第常数(96485c）.

氢扩散理论方程[15.)是 在哪里是一个常数,，有效氢扩散系数()可以通过拟合模型方程(2）进入实验渗透曲线。

表观氢溶解度获得了[16.] 通过使用 （3.)，当表面氢与次表面氢处于热力学平衡时: 在哪里表观氢溶解度(mol),为试样厚度(cm)。

3.结果与讨论

3.1。阴极氢气充电电流对氢气扩散的影响

研究了阴极氢气充电电流对氢气扩散的影响，以及不同电流密度(5、10、30 mA)对氢气扩散的影响)在恒流条件下(恒流密度)在阴极侧，对应于如图所示的阳极侧不同的氢渗透曲线2．样品的厚度为0.61mm。数字2表明，随着充电电流密度的增加，稳态处的渗透电流密度增加。这归因于较高电流导致较高的电流导致阴极表面上的更多氢原子的演变，这增加了扩散氢的量，从而增强了阳极处的电离电流密度。而且，数字2同时展示了，随着阴极充电电流密度的增加，标本中氢气的扩散速率也加速。此外，图3.结果表明，当充电电流密度为30 mA时，氢原子从入口突破到出口的时间最短．相比之下，当充电电流密度为5 mA时，时间最长．这主要是因为最初用于从阴极表面去除氧化膜的阴极充电电流。因此，阴极充电电流越高，较短的是去除时间。因此，在阴极处的氢气充电电流密度的增加，试样中氢的扩散速率显着加速。

３．２．厚度还原度对氢扩散的影响

数字4.显示了冷轧不同厚度压下程度硅钢的微观组织，表明冷轧不仅改变了板的形状和尺寸，而且改变了内部组织。随着冷轧减薄程度的增加，试样中的晶粒逐渐拉长、变平，晶粒的滑移方向向轧制方向转变。在较高的厚度折减程度下，晶粒几乎呈纤维状。

通过氢气渗透实验，研究了试样厚度对氢气扩散特性的影响。阴极充电电流密度为10 mA cm⁻²实验选用厚度分别为2.7、1.48、0.75、0.61 mm的硅钢片。数字5.与实验结果相对应的曲线表明，稳态渗透电流密度随试样厚度的增加而显著减小。这些结果表明，扩散参数是板厚的函数。随着板厚的增加，试样中氢的扩散参数减小。对于厚度为0.61 mm的硅钢片，当氢气扩散达到稳态时，稳态渗透电流密度的实测值为1.42 × 10⁻⁵一个厘米⁻²在阳极侧。稳态渗透电流密度为1.08×10⁻⁵一个厘米⁻²适用于厚度为0.75 mm的硅钢片。当极板厚度增加到1.48或2.7 mm时，阳极稳态渗透电流密度减小到5.68 × 10^-62.73 × 10^-6一个厘米⁻²,分别。数字6.给出了不同厚度硅钢初始充氢阶段的渗氢曲线，表明随着试样厚度的增加，试样中氢的穿透时间也随之增加。当硅钢片厚度为0.61 mm时，氢在试样中的穿透时间约为600 s;当试样厚度为0.75 mm时，氢在试样中的穿透时间约为750 s。当试样厚度增加到1.48 mm或2.7 mm时，氢在试样中的穿透时间分别增加到~ 1456 s和2493 s。因此，较厚的膜的突破时间必然较长。数字6.表明后一因素主要是占主导地位。

3．3．厚度还原度对氢扩散率和溶解度的影响

曲线的分析（图5.）对应于实验结果使我们能够确定扩散率（)，拟合氢扩散理论方程(2）进入这些曲线。在硅钢中测量氢的表观溶解度通过使用（3.）.表中列出了冷轧厚度减薄度及相应的氢的扩散率和溶解度2．随着试样的厚度从2.7〜0.61mm降低，氢扩散率的值逐渐从2.17×10降低^-6到3.70 × 10^-7 cm²年代^-1；而溶解度从3.56 × 10逐渐增大^-6到2.43 × 10⁻⁵覆盖物⁻³．这种现象表明，当氢气通过样本运输时，氢气群主要受氢气的俘获，这主要发生在晶状体边界。

4。结论

采用电化学渗透技术，研究了不同阴极充氢电流和冷轧减厚程度下硅钢中氢的扩散特性。结果表明，在相同厚度下，阴极充电电流密度随阴极充电电流密度的增加而增加。随着冷轧减薄程度的增加，试样中的晶粒逐渐拉长、变平，晶粒的滑移方向向轧制方向转变，阳极稳态渗透电流密度显著增大，氢在试样中的穿透时间缩短。氢扩散系数逐渐减小;但溶解度逐渐增加。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者非常感谢中国河南省基金会和先进技术研究计划的财政支持（第142300410016号），科学研究所高级人才的科学研究基础（2012028号），上海师范大学合约SK201224。

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