CN105738656A - 一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位观察轴承钢中夹杂物的实验方法，将轴承钢样品线切割加工成的圆柱形试样，试样经砂纸打磨抛光后放入高温共聚焦显微镜的加热腔内，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化。快速将试样升温至1150～1250℃，然后将试样缓慢升至试样熔化，在最高温度下保温20～40s，可在高温下观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至900～1000℃，最后缓冷至室温，试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分，急速冷却可使得夹杂物基本维持在炼钢温度下的状态，本发明实现了对夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察。

Description

一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法

技术领域

本发明涉及钢铁夹杂物控制领域，具体的，本发明涉及一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法。包括如何使得试样在熔化中不被污染，如何保持试样不变形，如何控制温度，全面观察夹杂物在高温钢液的运动行为，并通过极冷保持夹杂物基本不变化，随后在电镜下观测夹杂全貌及通过能谱分析获取其成分，实现了对夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察。

背景技术

钢中有害夹杂严重影响了钢材质量，控制并去除钢中有害夹杂以实现洁净钢冶炼成为当今炼钢技术发展的重要方向。

钢中夹杂物的观察技术提供了钢中夹杂多少、大小、形态和成分等信息，成为解决夹杂物问题的用力武器。常规观测夹杂物方法是在冶炼过程中取样，或从成品钢材取样，制备成金相样，用光学显微镜或用扫描电镜配能谱来观察夹杂物，但这样的观察只能观察到夹杂物的一个剖面，并不能观察到夹杂的完整形态。

同时在冶炼过程取样后，试样不可能急速冷却到室温，且成品样是钢液经过凝固过程缓慢冷却到室温，根据热力学知识，试样在缓慢凝固过程中夹杂物仍在演变，比如会进一步析出硫化夹杂，则常规方法观察的结果并不是钢液中实际的夹杂，仅是钢液中夹杂在凝固过程演变后的夹杂，仅利用这样的结果去分析钢液中夹杂物的热力学和动力学行为不够严谨。

为此，夹杂物研究特别需要原位观测钢液中夹杂物行为的方法，不仅要观察夹杂物的整个形貌，而且夹杂物为高温钢液内的夹杂。

相关专利提出了利用电解试样后观察夹杂物全貌的方法，如CN201120152233.5提供一种有机溶液电解萃取和检测钢中非金属夹杂物的装置，然而萃取过程必须在无尘实验室内进行，否则得到的夹杂物可能会被污染。CN201010169428.0、CN201210355978.0提供了一种电解试样表面以观察夹杂物全貌的方法，可以不用像常规电解那样萃取夹杂，实现对夹杂直接观察。电解法的确能观察到夹杂物全貌，但电解观察的夹杂物仍然是钢液中夹杂在凝固后演变的夹杂，不能完全反应钢液中夹杂的实际状态。

为了观察到钢液内的夹杂，专利EP1361432(B1)提供了一种利用浮悬熔炼试样然后冷却观察夹杂的技术，可定量分析夹杂量的大小，技术优点是通过浮悬熔炼避免了试样在熔化过程收到承载试样耐材的污染，然而，此技术存在熔化温度难以控制且冷却后试样变形严重无法观察夹杂完整形貌的问题。日本新日铁公司相关文献曾公布了利用电子束熔化试样提取夹杂的方法，然而电子束温度太高，对夹杂物形成温度影响较大。安赛乐米塔尔钢铁公司最近提出一种快速全面分析夹杂物的方法，将试样制备成纽扣状，在特定设备中用电阻加热法将试样重熔后可使得夹杂充分上浮到表面，再利用扫描电镜可全面观察夹杂物形态，然而，由于电阻加热，试样在重熔过程无法保证不受承载试样耐材污染以及高温加热后也无法保证试样不被二次氧化。高温共聚焦激光显微镜是实现对试样原位观测理想的工具，在材料研究领域已有了丰富的应用，可观察了钢凝固过程中的晶体长大和相变，部分学者也尝试将试样熔化观测夹杂物运动行为，然而并未提出钢液中夹杂与钢液缓慢凝固后夹杂的差别，也就并未提出如何原位观测钢液中夹杂物的方法。

轴承钢中夹杂物主要为含铝、钙、镁、硅、锰、氧及硫的复合夹杂物，钢液中夹杂与钢液缓冷凝固后的夹杂差异很大，如果不对其钢液中夹杂进行原位观测，很难判断钢液中夹杂行为。

本案提供了一种轴承钢钢液中夹杂物原位观察的实验方法，包括如何使得试样在熔化中不被污染，如何保持试样不变形，如何控制温度，可全面观察夹杂物在高温钢液的运动行为，并通过极冷保持夹杂物基本不变化，随后在电镜下观测夹杂全貌及通过能谱分析获取其成分，实现了对夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种轴承钢钢液中夹杂物原位观测的实验方法，实现了对钢液中夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察，为分析夹杂物热力学、动力学特性，为制定控制夹杂物方法提供技术信息。

本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

1)将轴承钢样品线切割加工成圆柱形试样，试样经砂纸打磨抛光后放入高温加热腔内，如图1所示，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化。

2)将试样升温至1150～1250℃，然后将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，将试样缓慢加热至最高温度，最高温度范围1420～1500℃，在最高温度下保温20～40秒，保温过程让夹杂有充分时间上浮到试样表面，保温过程可在高温下观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至900～1000℃，最后缓冷至室温。

3)试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分。急速冷却可使得夹杂物基本维持在炼钢温度下的状态，则实现了对钢液中夹杂物的原位观察。

根据本发明，加工成园柱形是高温共聚焦显微镜观测的要求，可方便试样均匀加热。所谓缓冷是自然冷却，不再用液氩进行冷却。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述试样直径4～6mm，高3～4mm。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述加热腔为高温共聚焦激光显微镜的加热腔。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，按100～140℃/min的升温速率将试样升温至1200℃。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，并将试样缓慢加热至最高温度的升温速率为20～30℃/min。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，冷却速率大于300℃/min。

升温速率进一步，根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，

在步骤1)，试样放入氧化铝坩埚。

由于以往不会把试样加热到液态，坩埚材质选择主要考虑不要污染钢液，对于本发明方法涉及的轴承钢，不能用CaO质坩埚，用氧化铝坩埚可避免钢液受到污染。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，在步骤1)，试样放入氧化镁坩埚。

同样，由于以往不会把试样加热到液态，坩埚材质选择主要考虑不要污染钢液，对于本发明方法涉及的轴承钢，不能用CaO质坩埚，用氧化镁坩埚可避免钢液受到污染。

进一步，根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，对于步骤2)在高温下观察夹杂物显微镜的放大倍数为50倍至500倍。

由此，放大倍数的确定可方便观测到夹杂物碰撞情况。

进一步，根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，对含镁、钙、铝、硅氧化物夹杂以及含硫化物夹杂的钢加工成试样进行钢液内夹杂原位观察，对这些非轴承钢进行原位观察时，步骤2)的加热最高温度范围为高出其液相线温度10～90℃。

本发明实现了对钢液中夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察，为分析夹杂物热力学、动力学特性，制定控制夹杂物方法提供技术信息。

以下对本发明技术方案做一下说明。

本发明方法步骤(1)为制备高温共聚焦激光显微镜观察试样的常规方法。本案选用高温共聚焦激光显微镜作为实验设备，主要是因为此设备可以在保护气氛下加热实验，确保试样不被气氛进一步氧化或吸氮。同时由于此设备采用的是从试样上层加热方式，由此在实验过程中，可采用合适的温度控制确保试样上层充分熔化，而下层不充分熔化，以防止承载试样的耐材进入试样，从而污染钢液。

本发明的步骤(2)，按100～140℃/min的升温速率将试样升温至1150～1250℃，然后按20～30℃/min的升温速率将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，再按20～30℃/min的升至最高温度，最高温度范围1420～1500℃，在最高温度下保温20～40s，保温过程让夹杂有充分时间上浮到试样表面，保温过程可在高温下观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至900～1000℃，冷却速率大于300℃/min，最后缓冷至室温。

本发明要求试样温度在1150～1250℃前采用快速升温方式，为常规操作，主要是为了节约实验时间，当温度超过1150～1250℃后，采用缓慢升温方式，目的是方便观测试样的熔化过程，如果升温速率过慢，低于20℃/min，则影响实验耗时，如果过快，大于30℃/min，则试样可能在熔化过程变形，影响实验结果。最高温度控制范围控制在1420～1500℃，其主要目的是既保证试样上层充分熔化，又确保试样不变形，如果保持的最高温度超过1500℃，则试样可能会全部熔化且变形，试样全部熔化导致承载试样的耐材物质进入试样中，污染试样，同时在随后的电镜下很难有效观察到夹杂，如果最高温度控制过低，低于1420℃，则试样上层熔化不充分，内部夹杂很难有效上浮到试样表面。本案要求最高温度下保温20～40s，其目的是保证内部夹杂充分上浮，如此设定主要考虑到将试样上层约1mm厚内的直径超过10μm的夹杂充分上浮，一般认为10μm以下的夹杂为无害夹杂，理论计算直径为10μm的夹杂在钢液内部上浮1mm的时间是27s，当然试样上层内小颗粒夹杂也可部分上浮到表面，如果保温时间低于20s，则可能有大于10μm以上夹杂不能充分上浮到表面，如果保温时间大于40s，试样可能会变形，同时承载试样的坩埚耐材物质有上浮到试样表面的风险。试样在最高温度保温后急速冷却至900～1000℃，急速冷却时确保处于钢液温度的夹杂物来不及与钢液反应就处于了1000℃左右，1000℃以下夹杂不再与钢基体发生反应了，最后缓冷试样到常温，属于常规操作，如果最后采用极冷的话，则会导致实验成本增加，没有必要。高温处理实验结束后，要注意确保试样不被外界空气污染，可用滤镜纸包裹。

本案步骤3)为常规电镜操作，由于步骤2)控制得当，试样保持了很好的圆柱形，则在电镜下观测很方便。

本发明还进一步对于对于步骤1)，要求试样放入氧化铝坩埚内，坩埚材质还可选择氧化镁坩埚。

采用氧化铝坩埚主要考虑的是轴承钢为铝脱氧钢，氧化铝坩埚可确保坩埚耐材与钢液之间不发生反应影响到夹杂形态。当然，还有选择氧化镁坩埚，因为氧化镁与钢液之间也基本不发生剧烈反应。

本发明对于步骤2)在高温下观测夹杂物显微镜的放大倍数为50倍至500倍。此要求主要是方便在钢液处于高温下很好的观察到夹杂物的运动，放大倍数低于50倍，则夹杂物看不到，如果放大倍数大于500倍，则观察的视场太小，很难跟踪夹杂物的运动轨迹。

本发明还可以对含镁、钙、铝、硅氧化物夹杂以及含硫化物夹杂的钢加工成试样进行钢液内夹杂原位观察，对这些非轴承钢进行原位观测时，步骤2)的加热最高温度范围为高出其液相线温度10～90℃。

本发明不仅针对轴承钢钢液实现了夹杂物原位观测，对于其他含镁、钙、铝、硅氧化物夹杂以及含硫化物夹杂的钢种仍然适用，但加热最高温度要做调整，把加热最高温度控制为其液相线温度10～90℃主要是确保既保证夹杂充分上浮，又保证试样不变形，前面已经做了详细的描述。

根据本发明的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，实现了对轴承钢钢液中夹杂物行为、全貌以及成分的原位观察，观察过程确保了试样不受污染，观察结果可靠，实验方法简单，可操作性强，为分析夹杂物形成规律和解决夹杂物问题提供了有价值信息。

附图说明

图1为试样摆放装置示意图。

图2a,b分别为实施例1试样原位观察到的典型夹杂摄影图及能谱图。

图3a,b分别为实施例1实验未经过高温室验处理前观测的典型摄影图及能谱图。

图4a,b分别为实施例2试样原位观察到的典型夹杂摄影图及能谱图。

图5a,b，c,d分别为实施例2试样原位观察到的两个夹杂碰撞在一起形成的新夹杂摄影图及能谱图。

图6a,b分别为实施例2实验未经过高温室验处理前观测的典型夹杂摄影图及能谱图。

图7a,b分别为实施例3试样原位观察到的典型夹杂摄影图及能谱图。

图8a,b分别为实施例3实验未经过高温室验处理前观测的典型夹杂摄影图及能谱图。

图9a,b,c,d分别为实施例3原位观察的夹杂物碰撞融合长大摄影图。

具体实施方式

以下结合实施例说明本实验方法在原位观测轴承钢钢液中夹杂物的应用，实施例均从轴承钢成品中取样，在未经过本实验方法处理前先在扫描电镜下观察其夹杂物，然后通过本实验方法处理后观察夹杂物，并与未经过实验处理观察到的夹杂物进行对比，以说明钢液中夹杂与成品中夹杂的区别。

实施例1

从高端轴承钢成品中取样后，本实施例步骤如下：

1)将轴承钢样品线切割加工成的圆柱形试样，试样直径5mm，高3mm，试样经砂纸打磨抛光后放入高温共聚焦激光显微镜的加热腔内，试样放入氧化铝坩埚内，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化。

1)按120℃/min的升温速率将试样升温至1250℃，然后按25℃/min的升温速率将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，再按25℃/min的升至最高温度1500℃，在最高温度下保温20秒，保温过程观测高温下放大200倍观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至950℃，冷却速率400℃/min，最后缓冷至室温。

2)试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分，典型夹杂如图2所表示，为铝酸钙夹杂，夹杂物还显示了在气液界面上的铺展效应，这说明此夹杂物在钢液中液态化程度很高。铝酸钙夹杂相互碰撞则可能形成对轴承钢有害的大颗粒点状夹杂(也称Ds夹杂)，此结果为改进生产工艺提供了有价值的信息。

为了对比分析，图3列出原始样观测的典型夹杂，主要为镁铝尖晶石，含钙量很低。由此可见，原位观察到的钢液处于高温的夹杂与未本发明高温实验处理前直接观察的夹杂差异很大。

实施例2

从高端轴承钢成品中取样后，本实施例步骤如下：

1)将轴承钢样品线切割加工成的圆柱形试样，试样直径6mm，高4mm，试样经砂纸打磨抛光后放入高温共聚焦激光显微镜的加热腔内，试样放入氧化铝坩埚内，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化。

按140℃/min的升温速率将试样升温至1200℃，然后按30℃/min的升温速率将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，再按30℃/min的升至最高温度1420℃，在最高温度下保温40秒，保温过程观测高温下放大50倍观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至1000℃，冷却速率310℃/min，最后缓冷至室温。

试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分，典型夹杂仍为铝酸钙如图4所表示，另外，还观察到了镁铝尖晶石与铝酸钙碰撞融合形成新夹杂的图片，如图5所示。镁铝尖晶石与铝酸钙夹杂相互碰撞也可能形成对轴承钢有害的大颗粒点状夹杂(也称Ds夹杂)，此结果为改进生产工艺提供了有价值的信息。

为了对比分析，图6列出实施例2原始样观测的典型夹杂，也主要为镁铝尖晶石，含钙量很低。由此可见，原位观察到的钢液处于高温的夹杂与未本发明高温实验处理前直接观察的夹杂差异很大。

实施例3

从高端轴承钢成品中取样后，本实施例步骤如下：

1)将轴承钢样品线切割加工成的圆柱形试样，试样直径4mm，高3mm，试样经砂纸打磨抛光后放入高温共聚焦激光显微镜的加热腔内，试样放入氧化镁坩埚内，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化。

按100℃/min的升温速率将试样升温至1250℃，然后按20℃/min的升温速率将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，再按20℃/min的升至最高温度1450℃，在最高温度下保温30秒，保温过程观测高温下放大500倍观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至950℃，冷却速率350℃/min，最后缓冷至室温。

试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分，典型夹杂仍为铝酸钙如图7所表示，不过此夹杂含有Zr元素，说明炼钢过程收到了锆元素的污染，同时夹杂物含有一定量的硫，这说明钢液中析出了少量CaS，这些结果为改进生产提供有价值信息。

以上三个实施例均在钢液处于高温情况全程记录下视屏，图9为实施例3拍摄视频截取后的图片，展示了夹杂物碰撞在一起的过程。可看出，本实验方法还可直接观察到高温状态下夹杂物运动行为。

为了对比分析，图8列出实施例3原始样观测的典型夹杂，也主要为镁铝尖晶石，含钙量很低。由此可见，原位观察到的钢液处于高温的夹杂与未本发明高温实验处理前直接观察的夹杂差异很大。

Claims (10)

1.一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

1)将轴承钢样品线切割加工成圆柱形试样，试样经研磨抛光后放入高温加热腔内，腔内抽真空后通入纯氩气流保护试样不被氧化；

2)将试样升温至1150～1250℃，然后将试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，然后，将试样缓慢加热至最高温度，最高温度范围1420～1500℃，在最高温度下保温20～40秒，保温过程让夹杂有充分时间上浮到试样表面，保温过程可在高温下观察夹杂运动和碰撞行为，然后急速冷却至900～1000℃，最后缓冷至室温；

3)试样取出后进入电镜SEM内观察夹杂形貌并可用能谱分析其成分，急速冷却可使得夹杂物基本维持在炼钢温度下的状态，则实现对钢液中夹杂物的原位观察。

2.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述试样直径4～6mm，高3～4mm。

3.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述加热腔为高温共聚焦激光显微镜的加热腔。

4.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，按100～140℃/min的升温速率将试样升温至1150～1250℃。

5.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述试样缓慢加热直至其上表面完全熔化，并将试样缓慢加热至最高温度的升温速率为20～30℃/min。

6.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，所述冷却速率大于300℃/min。

7.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，在步骤1)，试样放入氧化铝坩埚。

8.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，在步骤1)，试样放入氧化镁坩埚。

9.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，对于步骤2)在高温下观察夹杂物显微镜的放大倍数为50倍至500倍。

10.如权利要求1所述的一种原位观察轴承钢钢液中夹杂物的实验方法，其特征在于，对含镁、钙、铝、硅氧化物夹杂以及含硫化物夹杂的钢加工成试样进行钢液内夹杂原位观察，对这些非轴承钢进行原位观察时，步骤2)的加热最高温度范围为高出其液相线温度10～90℃。