CN102538703A

CN102538703A - 一种全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法

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Publication number: CN102538703A
Application number: CN2011104335265A
Authority: CN
Inventors: 王敏; 包燕平; 王毓男; 李怡宏; 彭尊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102538703B

Abstract

本发明应用于炼钢连铸技术领域，介绍了一种全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，将钢试样加工成(100mm～160mm长)×(50mm～90mm宽)×(3mm～5mm厚)的薄片作为电解阳极，不锈钢薄板作为阴极，采用重量百分数为四甲基氯化铵1％～3.0％，三乙醇铵5％～10％，余量为碳酸丙烯酯的有机溶液作为电解液，控制电流密度0.05A/cm²～0.08A/cm²，电解时间24h～72h，多重过滤和分离后，可以得到不同粒径范围的非金属夹杂物，在扫描电镜或场发射电镜下可以清晰的观察到不同粒径范围的非金属夹杂物三维形貌。该方法操作简单、周期短、反应夹杂物信息全面，对认识和控制钢中非金属夹杂物有重要意义。

Description

一种全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，本发明提供了一种无损伤全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物的方法及试样的制备过程；通过此种方法可以获得炼钢、连铸过程中钢基体中不同粒度范围的非金属夹杂物三维形貌特征，这些特征对于炼钢过程夹杂物的形态控制、上浮去除、改善钢液洁净度有着至关重要的影响，因此本发明对炼钢、连铸领域有着重要的借鉴和指导意义。

背景技术

钢中非金属夹杂物对钢的质量危害极大，存在于钢中的不规则夹杂物尤其是大颗粒夹杂物在使用过程中往往会成为应力疲劳起源点，严重时导致产品报废。钢中夹杂物的数量、形态、尺寸是评价钢质量的重要指标。

传统几类典型夹杂物分析方法的比较如下表：

表1夹杂物分析方法比较

传统的检测夹杂物的方法很难真实直观地观察到钢中非金属夹杂物的三维形貌。金相法只能得到夹杂物的平面二维形貌，夹杂物表现出来的形貌随其距离观察面位置的不同会表现出巨大差异，尤其像目前普遍的铝脱氧钢形成的三维形貌复杂的Al₂O₃，此方法不具有代表性。大样电解法虽然可以提取得到夹杂物，但是由于电解周期长、淘洗过滤复杂，再加上很多时候电解液为酸性溶液，在此过程中很多夹杂物已经不能保持其原来形貌，电解后观察到的夹杂物形貌和尺寸与真实形貌也相差较大。

该方法克服了大样电解酸性溶液易破坏夹杂物形貌、电解周期长、难得到小颗粒夹杂物的缺点，通过采用有机电解液、短周期、多重分离抽滤的手段实现观察不同粒径范围内夹杂物真实三维形貌的目的。方法简单可靠，周期短，所观察到的非金属夹杂物三维形貌清晰、完整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单可靠、周期短、全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法。

实现本发明的目的基于以下思路：将待观察金属试样加工成薄片作为电源的阳极，浸入到一种有机溶液组成的电解液中，电源阴极与不锈钢板相连，通过控制电流密度和电解时间对金属试样进行电解，使钢基体中的夹杂物最终进入到溶液中，然后经过超声波清洗和分级过滤后可以得到不同粒径范围的夹杂物，通过扫描电镜观察可以得到钢基体中不同种类夹杂物的三维形貌，本方法包括以下步骤：

(1)制备试样，并清洗和处理试样表面；

(2)配制有机溶液作为电解液，配制重量百分数为：四甲基氯化铵1.5％～3.0％，三乙醇铵8％～10％，余量为碳酸丙烯酯的有机溶液；

(3)以试样为阳极，以不锈钢金属薄片为阴极，以有机溶液为电解液，进行电解；

(4)控制电解电流密度在0.05A/cm²～0.08A/cm²，侵蚀时间在24h～72h；使夹杂物与基体分离进入电解液中；

(5)将电解结束后的溶液经震荡澄清后，使用滤膜进行多重过滤和分离得到不同粒径范围的夹杂物；将得到的不同粒径的夹杂物滤膜烘干，备用；

(6)在扫描电解或场发射电镜下对得到的不同粒径范围夹杂物滤膜进行夹杂物三维特征的观察。

所述过程一：试样制备包括如下步骤：

1.1将钢样机械加工成(100mm～160mm长)×(50mm～90mm宽)×(3mm～5mm厚)的薄片试样，备用；

1.2将上述试样用800#砂纸打磨，确保各个表面没有铁锈，且表面光滑；

1.3将上述打磨后的试样用丙酮清洗表面，确保试样各个表面没有油渍。

所述步骤(2)中电解液的配比按重量百分数计为：四甲基氯化铵1％～3.0％，三乙醇铵5％～10％，余量为碳酸丙烯酯；其中四甲基氯化铵为导电剂，三乙醇铵为金属络合剂，避免电解过程中络合物的析出，碳酸丙烯酯为溶剂。

进一步的，所述电解液的配制重量百分数为：四甲基氯化铵1.5％，三乙醇铵8％，余量为碳酸丙烯酯的有机溶液为电解液。

所属步骤(4)中控制电解电流密度在0.05A/cm²～0.08A/cm²，电流密度的计算通过公式(a)得到，电解时间根据试样大小控制在24h～72h之间：

τ＝I/(2×L×W+2×L×H+W×H) (式a)

式中，τ：电流密度，A/cm²；I：电源输出电流，A；L：试样长度，cm；W：试样宽度，cm；H：试样厚度，cm。

所述步骤(5)为夹杂物分离提取，具体包括如下步骤：

5.1将电解结束后的溶液倒入500ml的大烧杯中，加入去离了水使烧杯溶液达到400ml，然用将烧杯放入超声波清洗器中振荡，振荡3次，每次3min且每次振荡结束后镇静2min，振荡结束后将烧杯上层溶液倒掉保留烧杯底部沉积物，然后再用去离了水添加到400ml处继续振荡，如此反复清洗3-5次直至烧杯内溶液澄清；

5.2将上述得到的澄清液先用孔径80μm的滤膜进行真空抽滤，粒径＞80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽滤后的剩余液体再用孔径30μm的滤膜进行真空抽滤，粒径30～80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径1μm的滤膜进行真空抽滤，粒径1～30μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径0.4μm的滤膜进行抽率，粒径1～0.4μm的夹杂物沉积在滤膜上；

5.3将上述得到的不同粒径的夹杂物滤膜在干燥箱中进行烘干，备用。

本发明的优点在于对于夹杂物无损害，能观察到不同粒径范围夹杂物的三维形貌和尺寸，且方法简单，制备过程可靠，处理周期短。有机溶液体系可以完整的保留钢中各类夹杂物(酸性、碱性)，对炼钢过程夹杂物控制和洁净钢生产有着重要的指导意义和应用价值。

本发明与其他表征非金属夹杂物方法的不同之处在于：1)有机溶液体系对非金属夹杂物无损伤，各类夹杂物可以全保留；2)可以得到不同粒径范围夹杂物的数量和形貌特征，且操作简单，周期短。

附图说明：

图1为电解过程示意图

图2为实施例1中观察到的非金属夹杂物三维形貌图

图3为实施例2中观察到的非金属夹杂物三维形貌图

图4为实施例3中观察到的非金属夹杂物三维形貌图

图中标记：1：试样阳极；2：阴极；3：电解液；4：容器

具体实施方式

实施例1

采用本发明技术方案，对某Al脱氧含B钢取样进行分析。首先，将所取钢样加工成120mm×70mm×4mm的薄板样，并对试样各表面用800#砂纸打磨，使其表面光滑；然后在丙酮溶液中用超声波清洗样板，去除表面上的油渍；其次，配置电解液，电解液的配比：1.5％四甲基氯化铵，8％三乙醇铵，90.5％为碳酸丙烯酯；将待电解样板作为阳极，不锈钢板作为阴极，用绝缘铜导线将不锈钢板与电源阴极相连，试样与电源阳极相连，控制电流密度0.05A/cm²，电解时间24h；电解结束后将电解液及阳极泥倒入500ml大烧杯中，并用甲醇清洗余样表面将清洗也倒入烧杯中，加入去离了水到烧杯400ml处，在超声波清洗机里振荡3次，每次3min且每次振荡结束后镇静2min，结束后将烧杯上层溶液倒掉保留底部沉积物和液体，然后再用去离了水添加到400ml处继续振荡，如此反复清洗3次后烧杯中溶液澄清。

将上述得到的澄清液先用孔径80μm的滤膜进行真空抽滤，粒径＞80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽滤后的剩余液体再用孔径30μm的滤膜进行真空抽滤，粒径30～80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径1μm的滤膜进行真空抽滤，粒径1～30μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径0.4μm的滤膜进行抽率，粒径1～0.4μm的夹杂物沉积在滤膜上；

将上述得到的不同粒径的夹杂物滤膜在干燥箱中烘干后在在扫描电镜下进行不同粒径范围夹杂物三维形貌的观察，图2中为观察得到的三维形貌图BN夹杂，(a)为球状，(b)为球状与簇状复合。

实施例2

采用本发明技术方案，对某Si-Al脱氧含Ti钢取样进行分析。首先，将所取钢样加工成100mm×50mm×3mm的薄板样，并对试样各表面用800#砂纸打磨，使其表面光滑；然后在丙酮溶液中用超声波清洗样板，去除表面上的油渍；其次，配置电解液，电解液的配比：1.0％四甲基氯化铵，5.0％三乙醇铵，94.0％为碳酸丙烯酯；将待电解样板作为阳极，不锈钢板作为阴极，用绝缘铜导线将不锈钢板与电源阴极相连，试样与电源阳极相连，控制电流密度0.05A/cm²，电解时间24h；电解结束后将电解液及阳极泥倒入500ml大烧杯中，并用甲醇清洗余样表面将清洗也倒入烧杯中，加入去离了水到烧杯400ml处，在超声波清洗机里振荡3次，每次3min且每次振荡结束后镇静2min，结束后将烧杯上层溶液倒掉保留底部沉积物和液体，然后再用去离了水添加到400ml处继续振荡，如此反复清洗4次后烧杯中溶液澄清。

将上述得到的不同粒径的夹杂物滤膜在干燥箱中烘干后在在场发射电镜下进行不同粒径范围夹杂物三维形貌的观察，图3中为观察得到的三维形貌图TiN夹杂，(a)为Al₂O₃和TiN复合夹杂，(b)为多边形TiN。

实施例3

采用本发明技术方案，对某Al脱氧钢取样进行分析。首先，将所取钢样加工成160mm×90mm×5mm的薄板样，并对试样各表面用800#砂纸打磨，使其表面光滑；然后在丙酮溶液中用超声波清洗样板，去除表面上的油渍；其次，配置电解液，电解液的配比：3.0％四甲基氯化铵，10.0％三乙醇铵，87.0％为碳酸丙烯酯；将待电解样板作为阳极，不锈钢板作为阴极，用绝缘铜导线将不锈钢板与电源阴极相连，试样与电源阳极相连，控制电流密度0.05A/cm²，电解时间72h；电解结束后将电解液及阳极泥倒入500ml大烧杯中，并用甲醇清洗余样表面将清洗也倒入烧杯中，加入去离了水到烧杯400ml处，在超声波清洗机里振荡3次，每次3min且每次振荡结束后镇静2min，结束后将烧杯上层溶液倒掉保留底部沉积物和液体，然后再用去离了水添加到400ml处继续振荡，如此反复清洗5次后烧杯中溶液澄清。

将上述得到的澄清液先用孔径80μm的滤膜进行真空抽滤，粒径＞80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽滤后的剩余液体再用孔径30μm的滤膜进行真空抽滤，粒径30～80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径1μm的滤膜进行真空抽滤，粒径1～30μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径0.4μm的滤膜进行抽率，粒径1～0.4μm的夹杂物沉积在滤膜上。

将上述得到的不同粒径的夹杂物滤膜在干燥箱中烘干后在在扫描电镜下进行不同粒径范围夹杂物三维形貌的观察，图4中为观察得到的三维形貌图Al₂O₃夹杂，(a)为团簇状Al₂O₃，(b)为球形Al₂O₃。

通过本方法可以简单，无损伤的得到基体中不同粒径范围的非金属夹杂物真实形貌，明确认识和掌握非金属夹杂物的三维形态对钢中非夹杂物形态控制，夹杂物去除都有至关重要的意义。

Claims

1.一种全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：将钢试样加工成薄片作为电解阳极，不锈钢薄板作为阴极，利用有机溶液作为电解液电解，对电解后的电解液和阳极泥进行多重过滤和分离后可以得到不同粒径范围的非金属夹杂物，在扫描电镜或场发射电镜下可以清晰地观察到不同粒径范围的非金属夹杂物三维形貌，本方法包括以下步骤：

(1)制备试样，并清洗和处理试样表面；

(6)在扫描电解或场发射电镜下对不同粒径范围夹杂物的三维特征进行观察。

2.根据权利要求1所述的全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：所述步骤(1)制备试样包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的无损伤观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：所述步骤(4)中电流密度的计算通过公式(a)得到：

τ＝I/(2×L×W+2×L×H+W×H) (式a)

4.根据权利要求1所述的无损伤观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：所述步骤(5)中真空抽滤过程分别采用80μm，30μm，1μm，0.4μm的滤膜进行抽滤。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：所述电解液的配制重量百分数为：四甲基氯化铵1.5％，三乙醇铵8％，余量为碳酸丙烯酯的有机溶液为电解液。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的全尺寸提取和观察钢中非金属夹杂物三维形貌的方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括以下步骤：

5.2将上述得到的澄清液先用孔径80μm的滤膜进行真空抽滤，粒径＞80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽滤后的剩余液体再用孔径30μm的滤膜进行真空抽滤，粒径30～80μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径1μm的滤膜进行真空抽滤，粒径1～30μm的夹杂物沉积在滤膜上，然后将抽率后剩余的液体再用孔径0.4μm的滤膜进行抽滤，粒径1～0.4μm的夹杂物沉积在滤膜上；