CN110161066B - 一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法 - Google Patents

一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，属金属物理研究方法领域。本发明通过配制非水溶液电解液，在一定的电解参数下,将夹杂物与钢基体电解进入非水溶液中，然后通过离心的方法将夹杂物提取分离。非水溶液电解液成分(质量百分比)为10％乙酰丙酮，0.7％四甲基氯化铵，1～5%硫氰酸铵,其余为无水甲醇。电解参数为：电压为2～5V，电流为0.04～0.05A/cm2。本发明通过控制电解液配方和电解参数，使电解过程不损坏钢中的夹杂物，达到无损提取钢中夹杂物的目的。

Description

一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法
技术领域
本发明涉及一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，属金属物理研究方法领域。
背景技术
钢中夹杂物会严重影响钢材的性能，不同钢种对钢中夹杂物的要求不同，夹杂物的数量、成分、尺寸、分布及形态对钢的质量都会产生影响。因此，检测和分析钢中夹杂物对提高钢的质量具有重要意义。为了全面深入的研究夹杂物，就需要将夹杂物从钢中完整无损地提取出来。
常见的检测提取钢中夹杂物的方法有金相法，酸溶法，水溶液电解法等。金相法制样简单，时间短，然而，该方法只能观察到夹杂物某个截面的形貌，不能观察到夹杂的完整形貌，具有较大的局限性。酸溶法是将钢基体浸入酸溶液中，钢基体受到腐蚀而溶解，难溶或不溶于酸的非金属夹杂物保存下来。然而，钢样在酸中溶解时，不稳定夹杂物（如硫化物），甚至某些硅酸盐也会被溶解或部分溶解，因此该方法提取夹杂物不稳定。水溶液电解法采用的电解液通常为酸性水溶液，与酸溶法类似，在酸性水溶液，部分夹杂物会被破坏，且该电解法只能完整的保留大于50μm的夹杂物，对于钢中尺寸较小的夹杂物不能进行准确评价。
发明内容
本发明旨在提供一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法。通过限定电解液配方及电解条件和电解参数，完整无损地提取钢中各种类型的夹杂物。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，包括以下步骤：
（1）以钢为阳极、不锈钢薄膜为阴极，在电解液中电解，得到电解混合液；所述电解液包括乙酰丙酮、四甲基氯化铵、硫氰酸铵与无水溶剂；
（2）将电解混合液离心处理，得到钢中夹杂物。
本发明还公开了用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解工作站,包括直流电源、不锈钢薄膜、电解槽、电解液；不锈钢薄膜与直流电源的负极连接；所述电解液包括乙酰丙酮、四甲基氯化铵、硫氰酸铵与无水溶剂。
本发明公开了用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解液，所述电解液由乙酰丙酮、四甲基氯化铵、硫氰酸铵与无水溶剂组成；所述钢为H13钢。
本发明公开了上述用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解液的制备方法，包括以下步骤：将乙酰丙酮、四甲基氯化铵、硫氰酸铵与无水溶剂混合，得到用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解液。
本发明公开了上述用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解液在非水溶液电解提取钢中夹杂物中的应用；所述钢为H13钢。
本发明中，所述电解液由乙酰丙酮、四甲基氯化铵、硫氰酸铵与无水溶剂组成；优选的，按质量百分比，所述电解液由10％乙酰丙酮、0.4～0.8％四甲基氯化铵、1～5%硫氰酸铵、余量无水溶剂组成；进一步优选的，按质量百分比，所述电解液由10％乙酰丙酮、0.7％四甲基氯化铵、1.5%硫氰酸铵、余量无水溶剂组成；所述无水溶剂为无水甲醇。
本发明中，电解的电压为2～5V，电流为0.04～0.05A/cm2；电解的温度为室温;电解的时间为2.5小时。
本发明中，电解在电解工作站中进行；所述离心处理的转速为14000r/min～15000r/min，时间为13min～16min。
本发明电解液用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法具体包括以下步骤：
a)配置电解液：电解液成分(质量百分比)为：10％乙酰丙酮，0.4～0.8％四甲基氯化铵，1～5%硫氰酸铵,其余为无水甲醇；
b）连接电解装置：将加工好的钢样作为阳极，与直流电源正极相连；不锈钢薄膜作为阴极，与直流电源负极相连；电解参数为：电压为2～5V，电流为0.04～0.05A/cm2，电解温度为室温；
c）电解液中夹杂物分离：电解完成后，利用多支容积为5ml的离心管逐次转移电解槽中的电解混合液，并将离心管置于高速离心机中，设定其转速为14500r/min，离心时间为15min；单次操作结束后，将离心管中的上层溶液倒掉，再加入新的电解混合液，重复上述离心操作过程，直到电解混合液中的夹杂物全部粘附至离心管侧壁上；至此，实现钢中夹杂物的提取。
向上述所有管壁粘附夹杂物的离心管中倒入约2ml的无水乙醇溶液，将离心管放置在超声波震荡器中震荡60秒，使离心管侧壁上的夹杂物充分溶于溶液中；然后依次将不同离心管中的溶液转移到同一离心管中，重复上述操作3～4次，直至溶液中的夹杂物全部富集在同一支离心管内。将离心管中含有夹杂物的乙醇溶液滴在单晶硅片上，待硅片上溶液自然蒸发干后，夹杂物就留在硅片上，此时，即可将硅片放置在扫描电子显微镜下观察分析夹杂物特征。
本发明所述钢为H13钢；H13钢用量很大，尤其作为模具，夹杂物会使得其因型腔龟裂而报废，掌握钢中夹杂物是提高钢材使用性能的基础与关键，尤其是掌握夹杂物的数量与尺寸对分析钢材夹杂物十分重要；现有电解液公开了不少配方简单的非水溶液，但是由于H13特殊钢种夹杂物的原因，比如其中90%以上的夹杂物粒径小于1微米，都无法较好的对其电解并获得夹杂物。本发明公开了新的电解液组成，结合电解参数的设计，可以有效的提取H13中的夹杂物，尤其可提取到小于1微米的夹杂物，取得意想不到的技术效果。
附图说明
图1为非水溶液电解装置示意图；
直流电源1、电解槽2、电解液3、不锈钢薄膜4、H13钢样5；
图2为采用非水溶液电解出的碳化物SEM照片；
图3为实施例电解出的夹杂物的能谱图；
图4为实施例电解出的夹杂物的能谱图；
图5为采用对比例电解液电解出的物质的SEM照片；
图6为采用对比例电解液电解出的物质能谱面扫描图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
本发明非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法具体可以如下：
a)配置电解液，电解液成分(质量百分比)为：10％乙酰丙酮，0.7％四甲基氯化铵，1～5%硫氰酸铵,其余为无水甲醇。
b）将钢样作为阳极，与直流电源的正极相连；不锈钢薄膜作为阴极，与直流电源的负极相连。电解参数为：电压为2～5V，电流为0.04～0.05A/cm2，电解温度为室温，电解2.5小时。
c)将电解液置于离心管中，用高速离心机使夹杂物全部粘附至离心管侧壁上，从而达到提取分离夹杂物的目的。
实施例：利用非水溶液电解提取H13钢中碳化物
试样制备：将经退火处理后的H13钢切割成20×40×5mm的薄片，然后用砂纸打磨至表面光滑，抛光后用无水乙醇清洗干净并干燥。
配制电解液：电解液组成为：4.2g四甲基氯化铵+60g乙酰丙酮+9g硫氰酸铵+526.8g无水甲醇。将各物质按要求比例倒入烧杯中后用玻璃棒搅拌均匀。
电解过程：参见附图1，用于非水溶液电解提取钢中夹杂物的电解工作站包括直流电源1、电解槽2、上述电解液3、不锈钢薄膜4；不锈钢薄膜与直流电源的负极连接, H13钢样5连接直流电源的正极。阳极钢样浸没入电解液中，电解实验在室温下进行。装置连接完成后通电，调节电解工作站设定电解电压为4V，电流为0.05A/cm2，电解2.5小时，得到电解混合液。
电解混合液中夹杂物分离：利用容积为5ml的离心管逐次转移电解槽中的电解混合液，并将离心管置于高速离心机中，设定其转速为14500r/min，离心时间15min。单次操作结束后，将离心管中的上层溶液倒掉，再加入新的电解混合液，重复上述离心操作过程，直到电解混合液中的夹杂物全部粘附至离心管侧壁上。然后向这些离心管中倒入2ml的无水乙醇溶液，将离心管放置在超声波震荡器中震荡60秒，使离心管侧壁上的夹杂物充分溶于溶液中。然后重复前面的离心操作，直至溶液中的夹杂物全部富集在一支离心管内。
夹杂物观察：向最后一支离心管中加入2ml无水乙醇溶液，并放入超声波振荡器中进行充分震荡，使得离心管内壁附着的夹杂物充分弥散于溶液中，然后将含有夹杂物的乙醇溶液滴在单晶硅片上，待溶液自然蒸发后，将硅片放置在扫描电子显微镜下，观察其夹杂物形貌特征。图2为电解出的H13钢中的碳化物SEM照片，很明显看出本发明提取的夹杂物尺寸很小，图3、图4为夹杂物成分的能谱图，图3、图4分别为不同位置夹杂物图谱，可以看出本发明方法得到的夹杂物合理，没有额外杂质。由图可以看出，钢中碳化物呈颗粒状，尺寸很小，均在0.8μm以下，用金相法很难观察到如此细小的碳化物，而非水溶液电解法则可以将这种细小的碳化物轻松的提取出来。
对比例
采用现有AA溶液（6g四甲基氯化铵+60g乙酰丙酮+534g无水甲醇）作为电解液，参照实施例的方法，其余条件不变，得到电解混合液。再经过离心处理，最后观察夹杂物。
图5为对比例电解出的夹杂物SEM照片（比例尺为300微米），图6为对比例电解出的夹杂物能谱面扫描图，可以看出，对比例中电解提取出物质中含有大量的Fe，这不利于夹杂物提取分离，说明对比电解液使Fe在电解过程中大量析出，影响了夹杂物的提取与观察效果；尤其是对比电解液收到杂质的影响得到的夹杂物尺寸很大，无法对本该存在的尺寸小的夹杂物进行分析。而本发明在电解液中添加了硫氰酸铵，可以有效防止Fe的析出，从而使电解提取出的夹杂物中含有的杂质更少，有利于夹杂物的观察，如图2所示。
本发明采用非水溶液电解法，通过优化电解液成分及电解条件，可以完整地提取钢中的各类夹杂物，更加直观清晰的检测分析夹杂物的各项特征；尤其是本发明室温下进行电解，之后只需要经过简单的离心处理，而无需其他复杂步骤，即可有效地将H13钢中的小于0.8μm的碳化物夹杂物提取出来，取得意想不到的技术效果。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的范围之内。

Claims (3)

1.一种非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以钢为阳极、不锈钢薄膜为阴极，在电解液中电解，得到电解混合液；按质量百分比，所述电解液由10％乙酰丙酮、0.7％四甲基氯化铵、1.5%硫氰酸铵、无水甲醇组成；电解的电压为2～5V，电流密度为0.04～0.05A/cm2；电解的温度为室温；
（2）将电解混合液离心处理，得到钢中夹杂物。
2.按照权利要求1所述非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，其特征在于：所述钢为H13钢。
3.按照权利要求1所述非水溶液电解提取钢中夹杂物的方法，其特征在于：所述离心处理的转速为14000r/min～15000r/min，时间为13min～16min。
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