CN108896643A - 一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，属于金属检测分析技术领域。所述方法包括：制备待观测试样；在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所述侵蚀溶液中；设定电压和侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀，使观测面浅表层钢基体溶解，使非金属夹杂物裸露；侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电镜观察所述试样中非金属夹杂物立体形貌。该方法不会破坏夹杂物在试样中的真实立体形态、不改变夹杂物在试样中的位置、分布等信息，可帮助正确认识非金属夹杂物在钢中的形态，以及夹杂物在生产全流程各工序的生成、发展、演变过程，对夹杂物的去除或变性、提高钢水洁净度提供指导作用。

Description

一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法

技术领域

本发明涉及金属检测分析技术领域，特别涉及一种本位观察钢中非金属 夹杂物立体形貌的方法。

背景技术

近年来，洁净钢的冶炼一直是钢铁冶金行业的重要课题，尤其是对洁净 度要求比较高的汽车板、镀锡板等薄板品种，各钢企不断进行工艺开发和优 化来减少、去除钢水中的非金属夹杂物。研究一种钢材的洁净度，不光要研 究成品的洁净度，对钢材冶炼过程中钢水的洁净度也要特别关注，只有对生 产过程钢水中夹杂物的形态和演变有充分了解，才能为夹杂物的去除制定合 适的生产工艺路线。

对于钢中夹杂物，通常为金属的氧化物或硫化物等非金属夹杂物，传统 的研究方法是金相法，提取金属试样，将试样进行切割、打磨，制备成金相 试样后，在光学显微镜或扫描电镜下观察试样表面夹杂物的形貌、数量、分 布等特征。但是因为试样观测面是接近镜面的平面，观察到的夹杂物状态都 是二维结构，对于球状、块状等独立个体夹杂物，尚可看到夹杂物的一个剖 面，但对于簇群状的夹杂物则很难反映出其真实形态。以实例来说，对超低 碳IF钢RH精炼过程提取钢水试样，观察到了二维簇群状的Al-O类夹杂物， 如图1所示，仅能展现一些在二维平面上的夹杂物剖面，至于这些夹杂物是 否属于同一群落、是如何链接的，则无法显示；而对于不规则块状的Al-O类 夹杂物(如图2所示)和长方体TiN夹杂物(如图3所示)，则只能显示夹 杂物的一个剖面，不能显示立体形态。

所以，近些年又出现了溶解法，就是将合适大小的金属试样，放入电解 液中，通过电流的作用，将金属溶解掉一部分，其中的夹杂物就会进入到电 解液中，再经过抽滤、烘干等操作将夹杂物分离出来。这种方法的优点是可 以得到纯粹的夹杂物颗粒，便于夹杂物的分类和统计，缺点是步骤多、时间 长、操作难度大，对于独立的夹杂物效果较好，对于群落状的夹杂物破坏较 大，因为电解过程和抽滤等步骤，容易破坏群落状夹杂物的链接状态，从而 很难完整反映出该类夹杂物的真实形态。并且，该种方法使得夹杂物从试样 上脱离，不能反映出夹杂物在试样中的位置、分布情况等信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法， 该方法能够反映夹杂物在试样中的真实立体形态，以及夹杂物在试样中的位 置、分布等信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形 貌的方法，包括：

制备待观测试样；

在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所述侵蚀溶液中， 以所述试样为阳极、电解槽为阴极，连接电源；

设定电压和侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀，使观测面浅 表层钢基体溶解，使非金属夹杂物裸露；

侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电镜观察所述试样中 非金属夹杂物立体形貌。

进一步地，所述制备待观测试样，具体包括：将试样的观测面用砂纸打 磨、并进行抛光处理。

进一步地，所述将试样的观测面用砂纸打磨，具体是先用240#砂纸打磨， 再用800#砂纸打磨。

进一步地，所述试样的观测面最大径向尺寸小于70mm。

进一步地，所述电解装置包括：

电解槽，用于盛放侵蚀溶液；

导电夹钳，用于夹持待观测试样，使所述试样的观测面浸入侵蚀溶液中；

电源，所述电源阴极与所述电解槽连接、阳极与所述导电夹钳连接。

进一步地，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：10-20％丙三醇， 60-70％无水乙醇，15-30％高氯酸。

优选的，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：15-20％丙三醇，60-70％ 无水乙醇，15-20％高氯酸。

进一步地，所述电压设定为1-5v，侵蚀时间设定为100-240s。

优选的，所述电压设定为1-2v，侵蚀时间设定为100-150s。

进一步地，所述清洗具体是先用纯水清洗，再用无水乙醇清洗。

本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，包括： 制备待观测试样；在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所 述侵蚀溶液中，以所述试样为阳极、电解槽为阴极，连接电源；设定电压和 侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀，使观测面浅表层钢基体溶解， 使非金属夹杂物裸露；侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电 镜观察所述试样中非金属夹杂物立体形貌。通过对试样观测面进行电解侵蚀， 使试样观测面浅表层钢基体溶解，非金属夹杂物裸露，展现出立体形貌以进 行观察，该方法简便、高效，不会破坏夹杂物在试样中的真实立体形态，不 破坏夹杂物在试样中的位置、分布等信息，可在试样本来位置观察非金属夹 杂物的真实立体形貌，可揭示钢材生产全流程中非金属夹杂物的真实生成、 演变规律，对提高钢材洁净度提供重要的理论指导。

附图说明

图1是本申请实施例提供的典型群落状Al-O类夹杂物的二维平面形貌；

图2是本申请实施例提供的典型不规则块状Al-O类夹杂物的二维平面形 貌；

图3是本申请实施例提供的典型TiN夹杂物的二维平面形貌；

图4是本申请实施例提供的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法 流程图；

图5是本申请实施例提供的电解装置的结构示意图；

图6是本申请实施例1中超低碳IF钢RH精炼过程加铝脱氧1min钢水试 样电解侵蚀后观察到的枝晶状和大型群落状Al-O类夹杂物的立体形貌；

图7是本申请实施例1中超低碳IF钢RH精炼过程加铝脱氧3min钢水试 样电解侵蚀后观察到的小型群落状和不规则块状Al-O类夹杂物的立体形貌；

图8是本申请实施例1中超低碳IF钢RH精炼过程加钛合金化3min钢水 试样电解侵蚀后观察到的球状Al-Ti-O类夹杂物和TiN夹杂物的立体形貌；

图9是本申请实施例1中超低碳IF钢连铸坯试样电解侵蚀后观察到的不 规则块状Al-O类夹杂物和TiN夹杂物的立体形貌；

图10是本申请实施例1中超低碳IF钢热轧板卷试样电解侵蚀后观察到 的不规则块状Al-O类夹杂物和TiN夹杂物的立体形貌；

图11是本申请实施例2中低碳铝镇静钢连铸中间包钢水试样电解侵蚀后 观察到的球状含F、Na元素的Mg-Al-Ca-O类夹杂物和小块聚合状Al-O类夹 杂物的立体形貌；

图12是本申请实施例3中含P高强钢中间包钢水试样电解侵蚀后观察到 的球状Al-Ca-Mg-Ti-O类夹杂物和TiN夹杂物的立体形貌。

具体实施方式

本申请实施例提供一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，该 方法能够反映夹杂物在试样中的真实立体形态，以及夹杂物在试样中的位置、 分布等信息，以帮助正确认识非金属夹杂物在钢中的形态，以及夹杂物在生 产全流程各工序的生成、发展、演变过程，对夹杂物的去除或变性、提高钢 水洁净度提供指导作用。

为实现上述目的，本申请实施例总体思路如下：

本申请提供了一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，包括：

制备待观测试样；

在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所述侵蚀溶液中， 以所述试样为阳极、电解槽为阴极，连接电源；

设定电压和侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀，使观测面浅 表层钢基体溶解，使非金属夹杂物裸露；

侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电镜观察所述试样中 非金属夹杂物立体形貌。

上述技术方案，通过对试样观测面进行电解侵蚀，使试样观测面浅表层 钢基体溶解，非金属夹杂物裸露，展现出立体形貌以进行观察，该方法简便、 高效，不会破坏夹杂物在试样中的真实立体形态，不破坏夹杂物在试样中的 位置、分布等信息，可在试样本来位置观察非金属夹杂物的真实立体形貌， 可揭示钢材生产全流程中非金属夹杂物的真实生成、演变规律，对提高钢材 洁净度提供重要的理论指导。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请 技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是 对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲 突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

本申请实施例提供一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，如 图4所示，具体包括以下步骤：

步骤S110：制备待观测试样；

该步骤具体包括：将试样的观测面用砂纸打磨、并进行抛光处理。

其中，所述将试样的观测面用砂纸打磨，具体是先用240#砂纸打磨，再 用800#砂纸打磨。

本实施例中，所述试样的观测面最大径向尺寸小于70mm，形状没有特殊 要求，可为方形、多边形、圆形等，试样高度也没有特别限制。

步骤S120：在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所述 侵蚀溶液中，以所述试样为阳极、电解槽为阴极，连接电源；

如图5所示，本实施例中所述电解装置包括：

电解槽1，用于盛放侵蚀溶液；

导电夹钳2，用于夹持待观测试样4，使所述试样的观测面浸入侵蚀溶液 中；

电源3，所述电源3的阴极与所述电解槽1连接、阳极与所述导电夹钳2 连接。

优选的，所述电解槽1上设置有导线接口，通过导线将电源3阴极与导 线接口连接。电解槽1为不锈钢材质，不会被侵蚀溶液腐蚀。在电解侵蚀过 程中，电解槽1既作为侵蚀溶液的容器，同时也作为电解阴极。

本实施例中，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：10-20％丙三醇， 60-70％无水乙醇，15-30％高氯酸。侵蚀溶液能够与试样基体发生反应，但不 与非金属夹杂物反应，其作用是与试样金属发生反应使非金属夹杂物裸露出 来。优选的，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：15-20％丙三醇，60-70％ 无水乙醇，15-20％高氯酸。

上述侵蚀溶液中，无水乙醇作为基础溶液，起稀释作用，丙三醇作为缓 释剂，而高氯酸直接参与试样基体溶解反应。要控制合理的试剂比例，才能 起到良好的侵蚀效果，其中高氯酸浓度过低的话，侵蚀速度较慢，增加实验 时间，浓度过高的话，对试样基体侵蚀速度快、深度大，可能造成夹杂物脱 落。

步骤S130：设定电压和侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀， 使观测面浅表层钢基体溶解，使非金属夹杂物裸露；

该步骤中，所述电压设定为1-5v，侵蚀时间设定为100-240s。优选的， 所述电压设定为1-5v，侵蚀时间设定为100-240s。电压的大小与电流大小相 对应，电压大则电流强，侵蚀能力强，电压小则电流小，侵蚀能力弱；侵蚀 时间的长短决定了试样基体的侵蚀深度，侵蚀时间过短，试样基体侵蚀深度 浅，则夹杂物裸露不充分，立体形貌不能完全展现，侵蚀时间过长，试样基 体侵蚀较深，夹杂物易发生脱落。

步骤S140：侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电镜观察 所述试样中非金属夹杂物立体形貌。

具体的，所述清洗是先用纯水清洗，再用无水乙醇清洗。试样吹干后保 存在干燥器皿中，随时可进行扫描电镜观察。试样处理完成后，侵蚀溶液则 可以回收，循环使用多次。

通过上述内容可以看出，本申请使用侵蚀溶液对试样进行电解侵蚀，使 试样观测面浅表层钢基体溶解，非金属夹杂物裸露，展现出原有立体形貌， 通过扫描电镜进一步观察非金属夹杂物的尺寸、成分组成等信息；如此，不 会破坏夹杂物在试样中的位置、分布等信息，能够反映夹杂物在试样中的真 实立体形态。该方法对温度没有特殊要求，可在室温下操作，对试样尺寸要 求宽泛、操作简单、快速、侵蚀溶液可重复使用、成功率高。

为了使本领域所属技术人员能够进一步的了解本申请实施例的方案，下 面将基于本申请实施例所介绍的方案对其进行详细介绍。

实施例1

对超低碳IF钢RH精炼过程钢水试样、铸坯样、板卷样进行电解侵蚀后 分析。其中RH精炼过程取样时刻为加Al脱氧合金化后1min和3min、加 Ti合金化后3min，提取钢水拍样，试样加工后尺寸为30mm×12mm×25mm。 正常连铸坯上切取试样，铸坯样加工后尺寸为25mm×25mm×25mm。热轧板 卷上切取试样，试样加工后尺寸为20mm×4mm×20mm。

所有试样待观测面用240#、800#砂纸打磨后，再经过抛光处理；将体积 百分比为15％的丙三醇和70％的无水乙醇混合后，再往该混合溶液中加入 15％的高氯酸，配置成侵蚀溶液；不锈钢电解槽加入侵蚀溶液，将金属试样 用导电夹钳夹住，观测面朝下浸入侵蚀液中，接通稳压电源，以试样做阳极， 不锈钢电解槽为阴极，设定电压为1v，侵蚀时间为120秒；侵蚀结束后，将 试样先用纯水冲洗，再用无水乙醇冲洗，然后吹干，通过扫描电镜对试样侵 蚀面上夹杂物的立体形貌进行观察。

图6显示了RH精炼过程加Al脱氧合金化后1min钢中典型的树枝状(图 6a、图6b)和群落状(图6c、图6d)Al-O类夹杂物立体形貌，如果只是进 行常规的二维观察，是不能看到这种树枝状Al-O类夹杂物的，通过侵蚀处理 则可以显示出夹杂物的形貌多样性，同时也可以看出群落状Al-O类夹杂物的 链接方式。

图7显示了加Al脱氧合金化后3min时钢中典型的小群落(图7e)和不 规则块状(图7f)Al-O类夹杂物的立体形貌，此时大尺寸群落状夹杂物减少。

图8显示了加Ti合金化后3min钢中典型球状Al-Ti-O系夹杂物(图8g) 和长方体TiN夹杂物(图8h)的立体形貌，加入Ti合金后生成了Al-Ti-O系 复合夹杂物，成球状，同时生成小长方体TiN夹杂物，TiN成单体存在或聚 合生长，但其尺寸较小，对后续产品表面质量基本不产生影响。

图9显示了铸坯试样中典型不规则块状Al-O类夹杂物(图9i)和长方体 TiN夹杂物(图9j)的立体形貌。

图10显示了热轧板卷试样中典型的不规则块状Al-O类夹杂物(图10k) 和长方体TiN夹杂物(图10I)的立体形貌，与铸坯中夹杂物类型一致。

通过本实施例的研究，可了解超低碳IF钢全流程夹杂物的演变规律，明 确夹杂物立体形貌的特点和尺寸等信息，从而制定合理的生产工艺，如确定 合适的合金加入时间、循环时间等，有利于夹杂物的上浮去除，提高钢材洁 净度。

实施例2

对低碳铝镇静钢中包钢水试样进行侵蚀后分析。利用提桶提取中间包钢 水试样，试样加工后为圆柱形，直径30mm，高12mm。

将试样一端圆形截面用240#、800#砂纸打磨后，再经过抛光处理，做为 观测面；将体积百分比为20％的丙三醇和65％的无水乙醇混合后，再往该混 合溶液中加入15％的高氯酸，配置成侵蚀溶液；不锈钢电解槽加入侵蚀溶液， 将钢水试样用导电夹钳夹住，观测面朝下浸入侵蚀溶液中，接通稳压电源， 以试样做阳极，不锈钢电解槽为阴极，设定电压为1.5v，侵蚀时间为100秒； 侵蚀结束后，将试样先用纯水冲洗，再用无水乙醇冲洗，然后吹干。通过扫 描电镜对试样侵蚀面进行观察。

图11显示了钢水试样侵蚀面观测到的非金属夹杂物立体形貌，其中图 11m为球状含F、Na元素的Mg-Al-Ca-O类夹杂物，该类夹杂物符合保护渣 成分体系，为卷渣夹杂物，且尺寸较大，可能对后续产品造成影响，应改善 连铸工艺，尽量避免此类夹杂物，图11n为不规则块状Al-O类夹杂物。

实施例3

对含P高强钢连铸坯试样进行侵蚀后分析。切取正常连铸坯试样，铸坯 试样加工后为平行四面体，待观测面为平行四边形，边长为33mm×35mm， 高25mm。

所有试样待观测面用240#、800#砂纸打磨后，再经过抛光处理；将体积 百分比为10％的丙三醇和60％的无水乙醇混合后，再往该混合溶液中加入 30％的高氯酸，配置成侵蚀溶液；不锈钢电解槽加入侵蚀溶液，将金属试样 用导电夹钳夹住，观测面朝下浸入侵蚀液中，接通稳压电源，以试样做阳极， 不锈钢电解槽为阴极，设定电压为2v，侵蚀时间为150秒；侵蚀结束后，将 试样先用纯水冲洗，再用无水乙醇冲洗，然后吹干。通过扫描电镜对试样侵 蚀面进行观察。

图12显示了含P高强钢铸坯中典型球状Al-Ca-Mg-Ti-O系夹杂物(图 12o)和长方体TiN夹杂物(图12p)的立体形貌。

以上实施例研究结果表明，本申请方法可以对不同钢种试样进行电解侵 蚀，在试样表面本来位置观察夹杂物的立体形貌，以帮助优化生产工艺、提 高钢材洁净度。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1)能够真实反映非金属夹杂物在试样中的位置、分布情况，不破坏团簇 状夹杂物的链接状态；

2)设备新颖，以不锈钢电解槽做阴极，方便简单；

3)对试样尺寸和形状要求宽泛，便于加工，可对钢水样、铸坯样、轧材 及各种成品试样进行检测；

4)高效快速，样品表面侵蚀时间一般在4min以内就可完成，大部分钢 种在2min内即可完成；

5)适用钢种广泛，操作成功率高；

6)侵蚀液配方简单，安全可靠，制备容易，可循环使用，节约成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而 非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应 当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明 技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，包括：

制备待观测试样；

在电解装置中加入侵蚀溶液，将所述试样的观测面浸入所述侵蚀溶液中，以所述试样为阳极、电解槽为阴极，连接电源；

设定电压和侵蚀时间，对所述试样的观测面进行电解侵蚀，使观测面浅表层钢基体溶解，使非金属夹杂物裸露；

侵蚀结束后对所述试样进行清洗、吹干，通过扫描电镜观察所述试样中非金属夹杂物立体形貌。

2.如权利要求1所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述制备待观测试样，具体包括：将试样的观测面用砂纸打磨、并进行抛光处理。

3.如权利要求2所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述将试样的观测面用砂纸打磨，具体是先用240#砂纸打磨，再用800#砂纸打磨。

4.如权利要求1-3之一所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述试样的观测面最大径向尺寸小于70mm。

5.如权利要求1所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述电解装置包括：

电解槽，用于盛放侵蚀溶液；

导电夹钳，用于夹持待观测试样，使所述试样的观测面浸入侵蚀溶液中；

电源，所述电源阴极与所述电解槽连接、阳极与所述导电夹钳连接。

6.如权利要求1或5所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：10-20％丙三醇，60-70％无水乙醇，15-30％高氯酸。

7.如权利要求6所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，按体积百分比，所述侵蚀溶液的组成为：15-20％丙三醇，60-70％无水乙醇，15-20％高氯酸。

8.如权利要求1所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述电压设定为1-5v，侵蚀时间设定为100-240s。

9.如权利要求8所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述电压设定为1-2v，侵蚀时间设定为100-150s。

10.如权利要求1所述的本位观察钢中非金属夹杂物立体形貌的方法，其特征在于，所述清洗具体是先用纯水清洗，再用无水乙醇清洗。