CN103674664A

CN103674664A - Super304H钢M23C6相的定量金相分析方法

Info

Publication number: CN103674664A
Application number: CN201310496823.3A
Authority: CN
Inventors: 钟力强; 朱伟恒; 林介东; 聂铭; 张春雷; 钟飞; 李文胜; 高岩
Original assignee: South China University of Technology SCUT; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，包括以下步骤：（1）对试样进行切割、研磨、抛光、腐蚀、吹干，所得到的金相试样只有M₂₃C₆相被腐蚀，其他各相均未被腐蚀。（2）采用扫描电子显微镜进行拍照，获取M₂₃C₆相在金相磨面中清晰的形貌图像；（3）采用图像分析软件Image-Pro-Plus对金相组织形貌图像中的M₂₃C₆相进行提取并计算，最后获得M₂₃C₆相在材料中的体积百分比含量。该方法具有对试样形状和尺寸限制小，制样简单，操作方便，观察范围广，对M₂₃C₆相的计算具有统计意义，是对Super304H钢M₂₃C₆相含量实现快速准确定量分析的理想方法。

Description

Super304H钢M23C6相的定量金相分析方法

技术领域

本发明涉及一种经过长期服役或老化试验后的Super304H钢M₂₃C₆相体积百分比含量的定量金相分析方法。

背景技术

我国是电力消费大国，同时也是电力生产大国。我国“十二五”计划要求我国能源综合效率提高到38%，火电供电标准煤耗下降到323g/kWh。因此发展高效发电技术如超临界和超超临界技术，是目前火电行业的技术发展方向，超临界和超超临界机组将成为我国“十五”后的主要发展机型。

日本住友金属于上世纪八十年代在TP304H不锈钢的基础上，通过添加C、N、Nb、Cu、B等合金元素以及增加高温软化处理工艺，发展了Super304H钢。Super304H钢是一种具有细晶组织和高持久强度、高持久塑性以及抗氧化性能的新型奥氏体耐热钢，并具有低成本的优点，已成为超超临界电站锅炉过热器及再热器管的首选材料。

超超临界机组锅炉高温段过热器和再热器的设计温度一般为600～610℃，正处于Super304H钢的敏化温度(450～825℃)的中心区域。在运行过程中，很多机组的Super304H钢材质的过热器和再热器出现奥氏体不锈钢中由于M₂₃C₆型碳化物析出而产生晶界贫铬现象，从而导致晶间腐蚀而发生泄漏事故。因此，对长期服役的Super304H钢中M₂₃C₆型碳化物的含量及分布进行定量分析，对Super304H在超超临界机组运行和高温时效过程中的组织演化、性能衰退和寿命评估方面具有重要意义。

目前，对于钢铁材料中析出相的含量测定可以采用电解萃取的方法，先对析出相进行电解提取，然后进行定量分析。但该方法有以下不足：1、提取效率低，电解过程耗时较长；2、当析出相中种类较多时，对各个析出相的单独分离则显得十分困难，并且在分离过程中也不可避免的导致部分目标析出相的耗损；3、该方法对材料消耗较多，对于尺寸较小的材料难以提取足够量的目标相；4、该方法不能获得析出相在材料中分布的信息。

基于体视学原理（通过在二维平面上进行测量，然后推算出三维空间组织的特征参数）的定量金相分析方法结合计算机图像分析软件，可以克服电解萃取法测量析出相含量的以上缺点。

Super304H钢的析出相普遍认为是Nb(C、N)、NbCrN、M₂₃C₆和富Cu相，在服役过程中也不可避免的会出现σ相。由于Super304H钢中析出相的类型较多，一般常规的奥氏体不锈钢金相腐蚀方法（如用王水溶液或氯化铁盐酸水溶液腐蚀）对各个析出相均有反应，因此难以对各种析出相进行区分。

Super304H钢中各种析出相在特定的腐蚀液中的电极电位均有差别，在进行腐蚀时，当腐蚀电位高于析出相的电极电位并处于活化区时，则析出相被腐蚀，否则不能被腐蚀。因此，选择一种合适的腐蚀液，其腐蚀电位使M₂₃C₆相处于腐蚀的活化区而低于其他各种析出相或使其他各相处于钝化状态，则可以实现对M₂₃C₆相进行单独的腐蚀和区分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，本方法快速准确提取效率高，且无需电解过程，对各个析出相的单独分离容易，不会导致目标析出相耗损，材料消耗少，并能获得析出相在材料中分布的信息。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）对Super304H钢进行切取、研磨、抛光、腐蚀、吹干；

（2）采用扫描电子显微镜对试样金相组织进行拍照；

（3）通过图像分析软件对目标相进行提取和计算。

所述的步骤1的切取过程中保持用冷却水进行冷却。

所述步骤（1）中的试样研磨过程是对镶嵌后的试样表面先粗研磨后细研磨，具体操作是：①对试样用砂轮修整出平整的磨面，打磨过程中间断式用水冷却，即打磨一次，用清水冷却一次，避免试样打磨表面出现异常组织；②③依次采用180号、360号、600号、800号、1000号、1200号和1500号的金相砂纸进行细研磨，在研磨时每换一次砂纸，试样研磨方向要与上一道磨痕方向垂直，磨至上一道磨痕磨去，充分去除变形层，且新磨痕方向均匀一致为止；在研磨过程中优选用自来水冷却；另外，奥氏体在研磨过程中容易向马氏体转变，并产生加工硬度，因此在研磨过程中注意用力要小，特别是最后一道砂纸一定要轻磨，既可以减轻磨痕，也可以避免出现较深的变质层。

所述步骤（1）中的试样抛光过程采用机械抛光法，即：将经细研磨的试样移至装有呢子布、尼龙绸、天鹅绒或其他纤维细匀的丝绒的抛光盘中用金刚石抛光膏抛光至研磨的磨痕完全除去，表面抛至镜面无磨痕为止，然后洗净吹干，使表面不至于有水迹或污物残留。作为一种优选方式，本发明的具体操作是：将经细研磨的试样移至呢子布、尼龙绸、天鹅绒或其他纤维细匀的丝绒的抛光盘中，先用2.5微米的金刚石抛光膏抛光3～5分钟，清水冼净后更换相同的新抛光布或重新清洗干净抛光布，再改用1.0微米的抛光膏再抛光3～5分钟。前两道抛光注意要间断式加清水冷却，以保证抛光布湿润但抛光膏不被大量冲走为宜。最后不间断的加清水抛光1～2分钟，此时试样表面研磨的磨痕被完全除去，达到镜像效果，然后经自来水清洗后用无水乙醇冲洗，吹干。

所述步骤（1）中的试样腐蚀过程的所采用的腐蚀剂组分组成为：30g的K₃Fe(CN)₆+10g的KOH+100ml水，腐蚀温度为室温20～30℃；具体操作是：用腐蚀剂直接滴至已经抛光并吹干的试样抛光面上，直至抛光面完全覆盖腐蚀剂为止，腐蚀时间为15～20s，然后用自来水冲净后用无水乙醇冲洗，吹干。由于Super304H钢在该腐蚀剂中的腐蚀电位高于M₂₃C₆相的电极电位并使其处于活化区中，而低于其他各相的电极电位或使其处于其钝化区，因此在腐蚀过程中只有M₂₃C₆相受到腐蚀，其他各相均保持光亮。

所述步骤（2）中试样金相组织的拍照采用扫描电子显微镜，以背散射电子信号成像，所采集的照片均采用灰度图，经过腐蚀后的试样抛光面上的M₂₃C₆相因被腐蚀而呈黑色，而其他区域则由于各种析出相的化学组元构成不同而呈现不同的亮度。拍照时的放大倍数选择原则是要求能清晰分辨大部分M₂₃C₆相的形状，但如果倍数太大，视场中M₂₃C₆相数量偏少，则不具有统计意义。本发明优选2000～4000倍的放大倍数进行拍照。并要求随机选择至少5个视场进行拍照。

所述步骤（3）中的图像分析软件采用Image-Pro-Plus（IPP）；具体操作是：①利用照片中M₂₃C₆相与其他组织具有较大衬度差异的特点，通过IPP调整图像色阶范围，在显微组织照片中提取并在计算机上定义M₂₃C₆相；②选择需要统计的M₂₃C₆相参数进行统计，所得到的统计结果输出到Excel中进行计算和处理；③对所有视场照片重复上述步骤，得到至少5个不同视场的M₂₃C₆相在抛光面上的面积百分比，根据体视学原理，该面积百分比即为M₂₃C₆相在试样中的体积百分比；对各个视场的统计结果计算平均值，即为该试样的M₂₃C₆相的体积百分比含量。

当式样较小时，所述的步骤S1中还包括试样镶嵌，设在步骤切取之后、研磨之前，试样镶嵌过程为热镶嵌、冷镶嵌或机械镶嵌，如果试样足够大，则可以不用镶嵌，由于Super304H钢为耐热钢，一般热镶嵌的温度不高于200℃对材料组织几乎没有影响。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：对试样形状和尺寸限制小，制样简单，操作方便，观察范围广，每个视场的M₂₃C₆相粒子数量较多，分布具有统计意义，从而克服了电解萃取法分析Super304H钢M₂₃C₆相含量的各种不足，可以对Super304H钢中的M₂₃C₆相进行快速准确的定量分析，并且可以直接观察到M₂₃C₆相的分布信息。

附图说明

图1是实施例中试样某视场的显微组织图像；

图2是IPP软件中提取试样M₂₃C₆相后的显微组织图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

以成分如表1，规格为Φ48×9mm，服役温度约为600～610℃，经过4.1万小时服役的Super304H钢管中的M₂₃C₆相的体积百分比含量的计算为例，说明本发明的具体操作步骤。

表1实施例Super304H不锈钢的化学成分(wt.%)

步骤1，金相试样制备。

切取：采用砂轮切割机对Super304H钢管切取小试样，切割过程中保持用冷却水进行冷却。

镶嵌；试样磨平后采用可导电的热镶嵌料对试样进行镶嵌。

研磨：对切割后的小试样的金相观察面采用砂轮打磨，具体操作是：①对试样用砂轮修整出平整的磨面，打磨过程中间断式用水冷却，即打磨一次，用清水冷却一次，避免试样打磨表面出现异常组织；②试样依次采用180号、360号、600号、800号、1000号、1200号和1500号的金相砂纸进行细研磨，在研磨时每换一次砂纸，试样研磨方向要与上一道磨痕方向垂直，磨至上一道磨痕磨去，充分去除变形层，且新磨痕方向均匀一致为止；在研磨过程中优选用自来水冷却；另外，奥氏体在研磨过程中容易向马氏体转变，并产生加工硬度，因此在研磨过程中注意用力要小，特别是最后一道砂纸一定要轻磨，既可以减轻磨痕，也可以避免出现较深的变质层。

抛光：将经细研磨的试样用清水洗净后移至装有呢子布、尼龙绸、天鹅绒或其他纤维细匀的丝绒的抛光盘中，先用2.5微米的金刚石抛光膏抛光3～5分钟。清水冼净后更换相同的新抛光布，再改用1.0微米的抛光膏再抛光3～5分钟；前两道抛光过程中间断式加清水冷却，以保证抛光布湿润但抛光膏不被大量冲走为宜；最后连续地加清水抛光1～2分钟，此时试样表面研磨的磨痕被完全除去，达到镜像效果，然后经自来水清洗后用无水乙醇冲洗，吹干。

腐蚀：吹干后试样的抛光面用“30g的K₃Fe(CN)₆+10g的KOH+100ml水”混合的腐蚀剂腐蚀15～20s，腐蚀温度为25～30℃。腐蚀后的试样用自来水冲洗后再用无水乙醇冲洗。

最后吹干。

金相试样制备完毕，置于干燥箱内待用。

步骤2，金相组织拍照。

采用扫描电子显微镜对试样金相观察磨面进行拍照，以背散射电子信号成像，放大倍数为2000倍，随机选择5个视场进行拍照。扫描电子显微镜中显示试样的显微组织形貌如图1所示，图中黑色沿晶界呈链状分布的和在晶内呈点粒状分布的均为M₂₃C₆相。

步骤3，M₂₃C₆相体积百分比的计算

步骤（3）中的图像分析软件采用Image-Pro-Plus（IPP）；具体操作是：①利用照片中M₂₃C₆相与其他组织具有较大衬度差异的特点，通过IPP调整图像色阶范围，在显微组织照片中提取并在计算机上定义M₂₃C₆相；②选择需要统计的M₂₃C₆相参数进行统计，所得到的统计结果输出到Excel中进行计算和处理；③对所有视场照片重复上述步骤，得到至少5个不同视场的M₂₃C₆相在抛光面上的面积百分比，根据体视学原理，该面积百分比即为M₂₃C₆相在试样中的体积百分比；对各个视场的统计结果计算平均值，即为该试样的M₂₃C₆相的体积百分比含量。

具体炒作步骤如下：

①打开IPP软件并打开所拍得的显微组织照片，从Measure菜单中打开count/size命令，出现count/size对话框；

②选中Intensity Range Selection中的Manual选项，并点击Select Ranges按钮出现对话框；

③调整对话框中直方图的红色区域，使图中所有的M₂₃C₆相均变为红色为止。但切记不能多选或少选，在选择时可以把照片放大来进行选择，否则影响最后的计算准确度。选择完毕，此时计算机已经把照片中红色区域的组织定义为M₂₃C₆相。然后再点击对话框中的New按钮，再点击Close按钮返回到count/size对话框。

④从count/size对话框菜单栏中的Measure选择Select Measurements命令。出现对话框，选择左侧需要统计的参数Area，其中Area的统计最小值（Start值）设为1，以使图中较小的黑色区域均被进行计算。然后点击OK返回count/size对话框。

⑤选择主菜单栏中Edit中New AOI选项，然后在显微组织照片中选择除底部扫描电子显微镜的参数信息以外的图像。再点击count/size对话框中的Count按钮，然后选择菜单栏中View/Ranges Statistics命令，显示计算结果，其中红色行中对应的Area%数值即为试样中M₂₃C₆相所占的体积百分体。

⑥重复上述步骤，得到其他4个视场中M₂₃C₆相体积百分比的计算值，就可以计算得出该试样M₂₃C₆相体积百分比的平均值，结果列于表2。

表2本例Super304H钢M₂₃C₆相含量的计算结果

Claims

1.一种Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）对Super304H钢进行切取、研磨、抛光、腐蚀、吹干，制得金相试样；；

（2）采用扫描电子显微镜对试样金相组织进行拍照；

（3）通过图像分析软件对目标相进行提取和计算。

2.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：所述步骤（1）的切取过程中保持用冷却水进行冷却。

3.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：所述步骤（1）的研磨具体操作是：①对试样用砂轮修整出平整的磨面，打磨过程中间断式用水冷却，即打磨一次，用清水冷却一次；②依次采用180号、360号、600号、800号、1000号、1200号和1500号的金相砂纸进行细研磨，在研磨时每换一次砂纸，试样研磨方向要与上一道磨痕方向垂直，磨至上一道磨痕磨去，充分去除变形层，且新磨痕方向均匀一致为止；在研磨过程中选用自来水冷却；另外，在研磨过程中用力要小，特别是最后一道砂纸一定要轻磨。

4.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：所述步骤（1）的抛光过程是先用2.5微米的金刚石抛光膏抛光3～5分钟，清水冼净后更换相同的新抛光布或重新清洗干净抛光布，再改用1.0微米的抛光膏再抛光3～5分钟，最后不间断的加清水抛光1～2分钟，然后经自来水清洗后用无水乙醇冲洗。

5.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：所述步骤（1）的腐蚀所采用的腐蚀剂组分组成为：30g的K₃Fe(CN)₆+10g的KOH+100ml水，腐蚀温度为室温20～30℃；具体操作是：用腐蚀剂直接滴至已经抛光并吹干的试样抛光面上，直至抛光面完全覆盖腐蚀剂为止，腐蚀时间为15～20s，然后用自来水冲净后用无水乙醇冲洗，吹干。由于Super304H钢在该腐蚀剂中的腐蚀电位高于M₂₃C₆相的电极电位并使其处于活化区中，而低于其他各相的电极电位或使其处于其钝化区，因此在腐蚀过程中只有M₂₃C₆相受到腐蚀，其他各相均保持光亮。

6.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：所述步骤（2）的拍照过程采用扫描电子显微镜，只以背散射电子信号成像，放大倍数为2000～4000倍，随机选择至少5个视场进行拍照。

7.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于所述步骤（3）的图像分析软件采用Image-Pro-Plus；具体操作是：①利用照片中M₂₃C₆相与其他组织具有较大衬度差异的特点，通过IPP调整图像色阶范围，在显微组织照片中提取并在计算机上定义M₂₃C₆相；②选择需要统计的M₂₃C₆相参数进行统计，所得到的统计结果输出到Excel中进行计算和处理；③对所有视场照片重复上述步骤，得到至少5个不同视场的M₂₃C₆相在抛光面上的面积百分比，然后取平均值，根据体视学原理，该面积百分比即为M₂₃C₆相在试样中的体积百分比；对各个视场的统计结果计算平均值，即为该试样的M₂₃C₆相的体积百分比含量。

8.根据权利要求1所述的Super304H钢M₂₃C₆相的定量金相分析方法，其特征在于：当式样较小时，所述的步骤S1中还包括式样镶嵌，试样镶嵌过程为热镶嵌、冷镶嵌或机械镶嵌。