CN102435485B - 用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：以待测样品作阳极，以不锈钢筒作阴极，将待测样品和不锈钢筒插在同一电解液中，室温下电解，电流密度为20～50mA/cm2，电解1～8小时，将待测样品表面的厚度减薄，电解完后取出清洗，晾干，即得；其中，电解液按质量百分浓度包括以下组分：电解质1～10％，络合剂0.5～5％，酸0.5～3％，余量为水。本发明采用电解腐蚀法，利用夹杂物和基体电化学性质的差别，通过外加电流来分解基体而保存夹杂物，有效保护夹杂物不被酸腐蚀破坏，更真实客观反映试样中夹杂物的形貌。本发明的操作步骤简化，预处理方法更客观，电解效率高。

Description

用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法
技术领域
本发明涉及扫描电镜观察的样品预处理方法，具体地指一种用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法。
背景技术
钢中夹杂物是影响钢坯质量的主要因素，它的存在破坏了钢的连续性，造成了钢的组织不均匀，降低了钢的理化性能，对产品质量带来了极大的危害。而且，经过大量研究工作表明夹杂物的成分、尺寸、数量及分布情况等因素都与钢材的质量密切相关。因此，分析钢中夹杂物的形貌和成分很重要。
目前，用于分析钢中夹杂物的方法主要有电解法和金相法，这两种分析方法的侧重点有所不同。电解法主要对钢中夹杂物进行定性及定量分析，这种方法的最大不足在于破坏了夹杂物在样品中的原始分布。而金相法采用电子显微镜观测放大不同倍数下钢中夹杂物的形貌、尺寸和数量，这种方法属于微区分析，它最大的不足在于分析数据仅代表较小区域。
将电子显微镜与能谱仪结合起来是观测钢中夹杂物形貌和成分最有效的方法。在用扫描电镜-能谱仪观测钢中夹杂物的形貌和成分时，为了使夹杂物在钢基表面突显出来，易于观测，通常要对样品进行预处理。而传统的样品预处理方法是将待测试样切割成合适的尺寸，垂直放于金相镶样机内，使用导电镶样粉镶样；然后，在砂轮机、磨样机上经粗磨、精磨后将试样表面磨成镜面，再浸入5％硝酸-乙醇溶液中腐蚀数秒，利用夹杂物和酸不发生反应而基体可以被酸腐蚀的性质将夹杂物凸显出来；取出晾干，最后，放入扫描电镜的样品室内用于直接观测。
在用扫描电镜-能谱仪观测钢中夹杂物的形貌和成分时，传统的样品预处理方法存在以下不足：其一、试样在腐蚀阶段，5％硝酸-乙醇溶液会与钢中某些夹杂物或钢中具有还原性物质等发生反应，如硝酸能氧化硅钢中MnS析出相，3MnS+8HNO3＝3MnSO4+4H2O+8NO↑，破坏了试样原貌；其二、试样在磨样和腐蚀阶段仅凭经验处理，容易产生过腐蚀或腐蚀程度不够的现象；其三、对于厚度小于1mm或长度大于5cm的试样，镶样机无法镶嵌，需要用其他手段辅助处理，增加样品预处理难度；其四、步骤较多、费时，重现性差；其五、扫描电镜分析需要样品导电，因此对镶嵌料的导电性能要求较高。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种能够有效保持样品原貌的用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法。
为实现上述目的，本发明所设计的用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：以待测样品作阳极，以不锈钢筒作阴极，将待测样品和不锈钢筒插在同一电解液中，于室温下电解，电流密度为20～50mA/cm2，电解1～8小时，将待测样品表面的厚度减薄，电解完后清洗，晾干，即得用于扫描电镜观察的样品；其中，所述电解液按质量百分浓度包括以下组分：
电解质1～10％，络合剂0.5～5％，酸0.5～3％，余量为水。
本发明中，为了保证电解液的导电性能，所用的电解质选自氯化钠、硝酸钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸钠、硫酸亚铁中的一种或几种。
本发明中，为了络合在电解过程中产生的大量阳离子，所用的络合剂选自柠檬酸、柠檬酸盐、氰化物、硫代硫酸盐、焦磷酸盐中的一种或几种。其中，所述柠檬酸盐优选柠檬酸钠或柠檬酸钾，所述氰化物优选氰化钾或氰化钠，所述硫代硫酸盐优选硫代硫酸钠或硫代硫酸钾，所述焦磷酸盐优选焦磷酸钠或焦磷酸钾。
本发明中，为了保证电解液中离子络合物的稳定性，需要一定的酸度来控制。所用的酸为柠檬酸、硫酸或两者的混合物。其中，优选柠檬酸。
本发明采用电解腐蚀法，利用夹杂物和基体的电解电位的差别，在电场作用下，设定合适的电解电位，使基体(主要是铁)溶于电解液中，夹杂物由于是非导体化合物，在该电解电位下，以不溶性残渣形式存留在试样表面阳极泥中，达到与基体分开的目的。
本发明的有益效果在于：与原有样品预处理方法相比，新方法的优点有：
(1)由于电解液为中性或弱酸性，与试样中的夹杂物不发生任何反应，能有效保护其中夹杂物不被酸腐蚀破坏，保持试样中夹杂物的原貌，能更真实客观反映试样中夹杂物的形貌；
(2)根据各类夹杂物、基体的电化学性质，选择合适的电解液和外加电流密度，能有选择性的保留待测夹杂物(目的相)，而基体及其它类型的夹杂物将受到适当程度的极化而被电离，更有利于电镜的观测；
(3)通过调节电解液成分、外加电流密度和电解时间，可得到距试样表面不同深度的新表面，能更全面的反映样品中各夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布；
(4)对于厚度小于1mm或长度大于5cm的试样也可以直接进行电解，不需要辅助处理；
(5)对于某些缺陷分析的样品如试样断裂口、形状不规则的试样等，可以进行电解预处理后直接进行原位观测；
(6)操作步骤简化，预处理方法更客观，并且最多能同时电解30个试样，大幅提高工作效率。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样为例，将它切割成长宽厚分别为8cm×2cm×3mm，以它作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钾7.5％，柠檬酸2％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为20mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少4μm，电解4小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面8μm处夹杂物如氮化物AlN等的形貌、分布、尺寸和成分。当试样电解8小时，按上述方法，即可用扫描电镜观察距热轧板表面16μm处氮化物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例2
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(10cm×2cm×0.5mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钾7.5％，柠檬酸2％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为25mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少23μm，若电解5小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面57.5μm夹杂物如AlN的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例3
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钾7.5％，柠檬酸2％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为50mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少48μm，若电解3小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面72μm处各夹杂物如氮化物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例4
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钠1％、硫酸亚铁3％，柠檬酸钠0.5％，硫酸0.5％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为20mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少14μm，电解7小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面49μm处氧化夹杂物如Al2O3、SiO2等的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例5
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钠1％、硫酸亚铁3％，柠檬酸钠0.5％，硫酸0.5％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为25mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少40μm，电解6小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面120μm处氧化夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例6
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：氯化钠1％、硫酸亚铁3％，柠檬酸钠0.5％，柠檬酸0.5％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为37mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少70μm，电解2小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面70μm处各氧化夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例7
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：硝酸钠3％、硫酸钠4％，柠檬酸钾1％，柠檬酸2％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为30mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少50μm，电解4小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，即可用扫描电镜观察距热轧板表面100μm处各氧化夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例8
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中。电解液按质量百分浓度包括以下组分：硝酸钾10％，硫代硫酸钾5％，硫酸2％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为40mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少60μm，电解5小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，可用扫描电镜观察距热轧板表面150μm处各氧化夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布。
实施例9
用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：
以热轧板试样(8cm×2cm×3mm)作阳极，以不锈钢筒作阴极，将热轧板试样和不锈钢筒插在同一电解液中，电解液按质量百分浓度包括以下组分：硝酸钾10％，柠檬酸0.5％，硫酸0.5％，余量为水。于室温下在恒电流仪上电解，电流条件为：电流密度设为40mA/cm2，则每电解1小时热轧板的正反表面的总厚度减少39μm的速度，电解2小时，电解完后取出用乙醇清洗试样表面，晾干，可用扫描电镜观察距热轧板表面39μm处各氧化夹杂物的成分、形貌、尺寸和分布。

Claims (2)

1.一种用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，包括如下步骤：以待测样品作阳极，以不锈钢筒作阴极，将待测样品和不锈钢筒插在同一电解液中，于室温下电解，电流密度为20~50mA/cm2，电解1~8小时，将待测样品表面的厚度减薄，电解完后清洗，晾干，即得用于扫描电镜观察的样品；其中，所述电解液按质量百分浓度包括以下组分：
电解质1~10%，络合剂0.5~5%，酸0.5~3%，余量为水，且电解液呈弱酸性；
所述电解质选自氯化钠、硝酸钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸钠、硫酸亚铁中的一种或几种；
所述络合剂选自柠檬酸、柠檬酸盐、氰化物、硫代硫酸盐、焦磷酸盐中的一种或几种；
所述酸为柠檬酸、硫酸或两者的混合物。
2.根据权利要求1所述的用于扫描电镜观测钢中夹杂物的样品预处理方法，其特征在于：所述柠檬酸盐为柠檬酸钠或柠檬酸钾，所述氰化物为氰化钾或氰化钠，所述硫代硫酸盐为硫代硫酸钠或硫代硫酸钾，所述焦磷酸盐为焦磷酸钠或焦磷酸钾。
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