CN108051335A

CN108051335A - 定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法

Info

Publication number: CN108051335A
Application number: CN201711281619.4A
Authority: CN
Inventors: 苟华强; 员飞; 张鸿
Original assignee: ZHEJIANG JIALI WIND POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG JIALI WIND POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2018-05-18

Abstract

本发明公开了一种定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，属于铁素体球墨铸铁中夹杂物的测定方法。现有金相法研究球墨铸铁中夹杂物存在的随机性大，不易得出正确全面结论，本发明包括电解萃取、离心分离、浮力分离、夹杂物总含量的测定、X射线衍射分析等步骤，电解时球墨铸铁的基体成为离子进入溶液而溶解，非金属夹杂物因其不导电则不被电离，在阳极室呈固体保留；然后经分离、烘干，所得的夹杂物基本保持了其在铸铁中的形貌，通过XRD对萃取所得粉末进行物相分析，以及用分析天平称量，就可以对夹杂物进行全面的定性、定量分析；克服现有金相法研究球墨铸铁中夹杂物存在的随机性大，不易得出正确全面结论的缺陷。

Description

定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法

技术领域

本发明属于铁素体球墨铸铁中夹杂物的测定方法，具体涉及一种定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法。

背景技术

球墨铸铁以其综合力学性能高、铸造性能优良、价格相对便宜而得到越来越多的应用，其中低温韧性球墨铸铁通常应用于风电、核电等行业。近年来，风力发电在我国呈现出跳跃式的发展，风力发电机组中使用的轮毂、底座等关键大型球墨铸铁件通常在低温、严寒、风沙、盐雾等恶劣工况下运行，因此，风电铸件的质量性能比一般厚大球墨铸铁件的要求更高，其材质必须拥有良好的低温韧性。尽管近代球墨铸铁熔炼技术得到了长足的发展，但还是无法避免球墨铸铁件中夹杂物的产生，夹杂物的种类、数量、尺寸和分布状态将会对球墨铸铁的质量，特别是力学性能造成影响。夹杂物与基体金属的弹性、塑性有相当大的关系，在金属的变形过程中，夹杂物周围产生应力集中，引起材料韧性降低。因此，必须对球墨铸铁件中的夹杂物进行研究，弄清其来源，以利于采取有效措施减少球墨铸铁中夹杂物，提升铸件的力学性能，特别是低温韧性。

研究球墨铸铁中夹杂物的方法通常是金相法。它是把试样经过磨、抛光制成金相样后，在光学显微镜下研究金相切面上夹杂物的方法。金相法可以获得夹杂物在基体中的分布、形貌、大小和相对数量。金相法的优点是简单、直观、快速，但观察结果往往受到金相磨面的限制。这是由于球墨铸铁中的夹杂物在三维基体中的分布是随机的，任意磨抛的金相面上夹杂物的出现同样具有随机性，因此在二维金相面上能够观察到所有类型的夹杂物的几率很小，很容易出现漏检的现象。此外，由于三维的夹杂物在空间的取向不同，同一种夹杂物在二维的金相面上也可能呈现不同的形貌和尺寸。例如：有一个圆柱形夹杂物，如果是沿着与轴线垂直的方向切样，那么观察者只能看到一个圆，很难判断夹杂物的空形状到底是球形，还是圆柱形，看不到夹杂物的立体形貌，容易造成错觉。此外，金相法对夹杂物数量的评定方法一般是用金相图像上显示的夹杂物的面积跟基体的面积比来表示夹杂物的相对数量，这显然具有很大的局限性。所以说，金相法的缺点是随机性大，不易得出正确全面的结论。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有金相法研究球墨铸铁中夹杂物存在的随机性大，不易得出正确全面结论的缺陷，提供一种定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法。

为达到上述目的，本发明的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是包括以下步骤：

1）电解萃取：将球墨铸铁试样作为电解池的阳极、电解槽本体作为阴极对球墨铸铁试样进行电解萃取，获得包含有全部夹杂物的萃取混合液；

2）离心分离：将第1）步的萃取混合液静置沉淀，再用离心机进行离心分离把包含石墨和夹杂物的萃取产物分离出来，然后用无水酒精进行多次稀释和清洗，最后在60±5℃恒温烘干；

3）浮力分离：将第2）步的萃取产物静置于浮力分离液令石墨位于上层、夹杂物位于下层，用吸管将上层的石墨吸出，再加入无水酒精对下层的浮力分离液进行反复稀释、清洗，直至剩余的是无水酒精和夹杂物，再对分离出来的夹杂物进行60±5℃恒温烘干；

4）夹杂物总含量的测定：对第3）步烘干的夹杂物进行称量，计算出试样中夹杂物总含量的质量百分比含量；

5）X射线衍射分析：用X射线衍射对夹杂物进行物相分析和定量分析，得到夹杂物的化学成分及各组分的相对含量，各组分的相对含量乘以夹杂物总含量的质量百分比即为该组分夹杂物的质量百分比。

作为优选技术手段：所述的球墨铸铁试样为直径10mm、长25mm的圆棒。

作为优选技术手段：所述第1）步的电解萃取的电解液的配比为以10%质量百分含量的乙酰丙酮、1%质量百分含量的四甲基氯化铵、余量为无水甲醇的混合液。

作为优选技术手段：所述第1）步的电解萃取的电解工艺是恒定电压为4.3V，恒流电流为0.6A，萃取时间为12h。

作为优选技术手段：所述第3）步的浮力分离液的配方为将三溴甲烷重液与丙酮按比例混合，得到密度在2.2-2.3g/cm³之间的混合液。

作为优选技术手段：首先在砂轮机上打磨去除球墨铸铁试样表面的氧化层，进行电解萃取前称重，获得试样电解前质量，再进行第1）步的电解萃取；第1）步的电解萃取完成后，称量不能完全溶解的残留部分试样，得到试样电解后质量；试样电解前质量减去试样电解后质量即为试样的电解量；按照第4）步称量第3）步烘干的夹杂物进行称量，获得夹杂物质量；夹杂物质量与电解量之比即为试样中夹杂物总含量的质量百分比含量。

作为优选技术手段：采用分析天平进行所述的称量。

本发明的有益效果是：是以欲电解的试样作为电解池的阳极、电解槽本体作为阴极，采用电解法来将夹杂物从球墨铸铁中萃取、分离出来，进行单独的研究；电解时球墨铸铁的基体成为离子进入溶液而溶解，非金属夹杂物因其不导电则不被电离，在阳极室呈固体保留；然后经分离、烘干，所得的夹杂物基本保持了其在铸铁中的形貌，通过扫描电镜、能谱仪分析可以对其尺寸、形貌及化学元素进行分析，通过XRD对萃取所得粉末进行物相分析，以及用分析天平称量，就可以对夹杂物进行全面的定性、定量分析；克服现有金相法研究球墨铸铁中夹杂物存在的随机性大，不易得出正确全面结论的缺陷。

具体实施方式

以下对本发明做进一步说明。

本发明的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，按照以下步骤进行：

1）电解萃取：

将球墨铸铁试样制为直径10mm、长25mm的圆棒；

首先在砂轮机上打磨去除球墨铸铁试样表面的氧化层，进行电解萃取前采用分析天平称重，获得试样电解前质量；

将球墨铸铁试样作为电解池的阳极、电解槽本体作为阴极对球墨铸铁试样进行电解萃取，获得包含有全部夹杂物的萃取混合液；

电解萃取的电解液的配比为以10%质量百分含量的乙酰丙酮、1%质量百分含量的四甲基氯化铵、余量为无水甲醇的混合液；

电解萃取的电解条件是恒定电压为4.3V，恒流电流为0.6A，萃取时间为12h；

采用分析天平称量不能完全溶解的残留部分试样，得到试样电解后质量；

试样电解前质量减去试样电解后质量即为试样的电解量；

2）离心分离：

电解完成后得到的是石墨和夹杂物粉末和电解液的混合液体，首先需要将电解产物从电解液中分离出来，方法是将第1）步的萃取混合液静置沉淀，再用离心机进行离心分离把包含石墨和夹杂物的萃取产物分离出来，然后用无水酒精进行多次稀释和清洗，最后在60±5℃恒温烘干；

3）浮力分离：

将第2）步的萃取产物静置于浮力分离液令石墨位于上层、夹杂物位于下层，用吸管将上层的石墨吸出，再加入无水酒精对下层的浮力分离液进行反复稀释、清洗，直至剩余的是无水酒精和夹杂物，再对分离出来的夹杂物进行60±5℃恒温烘干；

浮力分离液的配方为将三溴甲烷重液与丙酮按比例混合，得到密度在2.2-2.3g/cm³之间的混合液；

4）夹杂物总含量的测定：

对第3）步烘干的夹杂物采用分析天平称量，获得夹杂物质量，夹杂物质量与电解量之比即为试样中夹杂物总含量的质量百分比含量；

5）X射线衍射分析：

用X射线衍射对夹杂物进行物相分析和定量分析，得到夹杂物的化学成分及各组分的相对含量，各组分的相对含量乘以夹杂物总含量的质量百分比即为该组分夹杂物的质量百分比；

X射线衍射也称XRD，即X-ray diffraction 的缩写，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

应用电解分离法萃取夹杂物，配制适宜的电解液是重要的，没有合适的电解液就不能顺利进电解，也不能保证电解过程中所萃取的非金属夹杂物不被破坏。合适的电解液通常要满足以下几点要求：对提取的夹杂物的浸蚀性要尽可能小；电解能有较快的速度；提取物易于分离、洗净；对基体离子的络合能力强；可抑制金属离子发生的水解沉淀或其他副反应。本发明的电解液完全符合上述要求。

本发明在电解工艺上，采用恒电位电解，并且能够控制温升和保持pH值的稳定，缩短电解时间。

我们知道，铸铁与钢都属于铁碳合金，两者的最大区别在于铸铁中的碳元素基本上以石墨的形态存在。因此，球墨铸铁电解萃取之后的产物不仅有夹杂物，还有石墨。如何将两者分离开也是一个难题。本发明利用石墨与夹杂物的密度不同，石墨密度在1.8-2.2g/cm³之间，SiO₂等夹杂物密度在2.3 g/cm³以上，采用浮力法进行分离，提供了一种浮力分离液，将三溴甲烷重液（密度2.89 g/cm³）与丙酮（密度0.79 g/cm³）按比例混合（实际比例可以根据浮力分离液的密度计算并通过调配得到），得到密度在2.2-2.3 g/cm³之间的浮力分离液，将萃取产物静置于分离液3h后，得到上下两层物质，由于石墨密度小，比重轻，位于上层，而下层则是夹杂物。用吸管将上层的石墨吸出，再加入无水酒精对下层的分离液进行反复稀释、清洗，直至剩余的基本上是无水酒精和夹杂物，再对分离出来的夹杂物进行60℃恒温烘干。这样，就将夹杂物从萃取产物中单独分离出来，供后续的各项研究。

为了定量测定夹杂物的含量，采用分析天平进行称量。优选使用感量0.1毫克的分析天平。以下表格为用本发明方法定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的例子：

表1：电解萃取的夹杂物总含量计算结果

表2：X射线衍射仪测定的夹杂物各组分含量

Claims

1.定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是包括以下步骤：

3）浮力分离：将第2）步的萃取产物静置于浮力分离液，令石墨位于上层、夹杂物位于下层，用吸管将上层的石墨吸出，再加入无水酒精对下层的浮力分离液进行反复稀释、清洗，直至剩余的是无水酒精和夹杂物，再对分离出来的夹杂物进行60±5℃恒温烘干；

2.根据权利要求1所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：所述的球墨铸铁试样为直径10mm、长25mm的圆棒。

3.根据权利要求1所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：所述第1）步的电解萃取的电解液的配比为以10%质量百分含量的乙酰丙酮、1%质量百分含量的四甲基氯化铵、余量为无水甲醇的混合液。

4.根据权利要求3所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：所述第1）步的电解萃取的电解工艺是恒定电压为4.3V，恒流电流为0.6A，萃取时间为12h。

5.根据权利要求1所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：所述第3）步的浮力分离液的配方为将三溴甲烷重液与丙酮按比例混合，得到密度在2.2-2.3g/cm³之间的混合液。

6.根据权利要求1所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：

首先在砂轮机上打磨去除球墨铸铁试样表面的氧化层，进行电解萃取前称重，获得试样电解前质量，再进行第1）步的电解萃取；

第1）步的电解萃取完成后，称量不能完全溶解的残留部分试样，得到试样电解后质量；

试样电解前质量减去试样电解后质量即为试样的电解量；

按照第4）步称量第3）步烘干的夹杂物进行称量，获得夹杂物质量；

夹杂物质量与电解量之比即为试样中夹杂物总含量的质量百分比含量。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的定量测定铁素体球墨铸铁中夹杂物的方法，其特征是：采用分析天平进行所述的称量。