CN115558813B - 一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及到合金样品的检测技术领域，尤其涉及一种微束分析用Fe‑Ni合金质量控制样品的制备方法；所述方法包括：对预设重量比的铁和镍在无氧环境下进行高频感应加热，以使铁和镍形成熔融液，后进行浇注，再进行冷却，得到原料块；对原料块进行样品的切取，得到Fe‑Ni合金质量控制样品；其中，高频感应加热包括熔融加热段、降温段和熔融段，熔融加热段的加热功率＞熔融段的加热功率；降温段的前后温差为40℃～50℃；利用高频感应加热的方式，控制熔融加热段的功率比熔融段的加热功率高，同时在高频感应加热的熔融加热段和熔融段之间设置降温段，可以控制降温段的温差在40℃～50℃，从而通过熔融段能得到成分均匀的Fe‑Ni合金质量控制样品。

Description

一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法

技术领域

本申请涉及到合金样品的检测技术领域，尤其涉及一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法。

背景技术

目前微束分析常用的定量分析方法包括能谱定量分析法和波谱定量分析法，而这两种分析方法都涉及到标准样品或质量控制样品的使用，因此标准样品或质量控制样品的质量好坏很大成都上影响定量分析的准确程度。相比于毫米尺度要求的光谱分析标准样品，微束分析用标准样品要求在微米尺度上达到均匀、稳定，因此微束分析用标准样品或质量控制样品的制备有着极高的要求，并且制备环节较为复杂，比如合金标准样品或质量控制样品一般需要经过熔炼、热锻、热轧、退火等复杂的处理工序，成功率也低。

在微束分析进行定量分析时，标准样品或质量控制样品的原料选择也尤为重要，由于合金试样应该优先选择组成与结构相同或相近的合金标准样品或质量控制样品，待测试样与标准样品或质量控制样品应该有相近的化学成分含量，然而由于质量控制样品的制备工艺过于复杂，难以达到分布均匀的状态，使得目前微束分析用的合金质量控制样品极为有限，比如Fe-Ni合金质量控制样品仅有5个不同Ni含量的标准样品(Ni:5.00％、9.97％、19.85％、40.11％、59.91％)，远远不能满足实际生产中各种Ni含量钢种的微束定量分析的需求。

因此如何制备得到分布均匀的Fe-Ni合金质量控制样品，以得到多种不同Ni含量的Fe-Ni合金质量控制样品，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种微束分析用Fe-Ni合金样品的制备方法，以解决现有技术中制备质量控制样品的种类较为单一技术问题。

第一方面，本申请提供了一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法，所述方法包括：

对预设重量比的铁和镍在无氧环境下进行高频感应加热，以使铁和镍形成熔融液，后进行浇注，再进行冷却，得到原料块；

对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品；

其中，所述高频感应加热包括熔融加热段、降温段和熔融段，所述熔融加热段的加热功率＞所述熔融段的加热功率；

所述降温段的前后温差为40℃～50℃。

可选的，所述熔融加热段的终点温度为1500℃～1520℃。

可选的，所述降温段的终点温度为1450℃～1480℃。

可选的，所述熔融段的终点温度为1580℃～1600℃。

可选的，所述高频感应加热还包括预热段。

可选的，所述预热段的终点温度为980℃～1000℃，所述预热段的时间为1min～2min。

可选的，所述预设重量比为所述镍：所述铁＝1:4～1:99。

可选的，所述对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品，具体包括：

对原料块进行分区，得到含有柱状区和舌状区的试件；

对所述试件的舌状区以预设规格进行切取，后以所述舌状区的外表面作为检测面，得到Fe-Ni合金质量控制样品。

可选的，以所述舌状区远离所述柱状区的最远端为原点，所述切取的初始位点距离原点的距离h满足：

h＝(0～1/2)*H，

式中，H为所述舌状区的长度。

可选的，所述预设规格为长*宽*高＝8mm～15mm:4mm～7mm:1mm～2mm。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法，通过以高频感应加热的方式替代传统的熔炼、热锻、热轧和退火的工艺，利用高频感应加热的电磁感应加热铁和镍两种电导体，利用高频感应加热的方式在电导体中产生涡电流，使得铁和镍本身的电阻产生焦耳热，从而实现铁和镍的熔融，控制熔融加热段的功率比熔融段的加热功率高，同时在高频感应加热的熔融加热段和熔融段之间设置降温段，可以控制降温段的温差范围在40℃～50℃这一范围，由于铁和镍的导热系数和熔点不同，加热过程中铁和镍的熔化程度也不同，而降温段一方面可以缩小经过熔融加热段但是熔融不充分的铁和镍的温度差异，方便后续熔融段对铁和镍的同步熔融，另一方面降温段还能提高高频感应加热的涡旋电场的变化程度，使得熔融的铁和镍在变化的电场中互相搅拌，从而使得熔融的铁和镍混合均匀，进而通过熔融段能得到成分均匀的Fe-Ni合金质量控制样品。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的方法的详细流程示意图；

图3为本申请实施例提供的原料块的实际示意图；

图4为本申请实施例提供的原料块的取样位置示意图，其中，阴影部分为取样位置；

图5为本申请实施例提供的微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的实物示意图；

图6为本申请实施例提供的微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的正确取样位置的显微组织示意图；

图7为本申请实施例提供的微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的正确取样位置之外的显微组织示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请的创造性思维为：

由于传统的熔炼、热锻、热轧和退火的工艺制备质量控制样品的过程中，在熔炼阶段，极易出现铁和镍熔融不充分或者熔融混合不均匀，在冷却凝固阶段又极易出现枝晶偏析分布，使得制备出的Fe-Ni合金质量控制样品的成分难以均匀，导致后续取样阶段，难以取到符合预期的质量控制样品，因此导致目前国内Fe-Ni合金质量控制样品仅有5个不同Ni含量的标准样品(Ni:5.00％、9.97％、19.85％、40.11％、59.91％)。

本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

在本申请的一个实施例中，如图1所示，提供一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法，所述方法包括：

S1.对预设重量比的铁和镍在无氧环境下进行高频感应加热，以使铁和镍形成熔融液，后进行浇注，再进行冷却，得到原料块；

S2.对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品；

其中，所述高频感应加热包括熔融加热段、降温段和熔融段，所述熔融加热段的加热功率＞所述熔融段的加热功率；所述降温段的前后温差为40℃～50℃，其中，铁可以采用纯铁熔剂和纯铁这类铁含量在90％以上的含铁金属，镍可以采用纯镍这类含量在90％以上的含镍金属。

本申请实施例中，降温段的前后温差为40℃～50℃的积极效果是在该温度范围内，一方面可以使得经过熔融加热段但是熔融不充分的铁和镍的温度在同一温度水平下，方便后续熔融段对铁和镍的同步熔融，另一方面降温段还能提高高频感应加热的涡旋电场的变化程度，使得熔融的铁和镍在变化的电场中互相搅拌，从而使得熔融的铁和镍混合均匀；当温度的取值大于该范围时，一定程度上会导致降温的前后温差过大，影响后续的熔融段，同时会导致部分熔融液凝固，影响铁和镍的分布均匀程度；当温度的取值小于该范围时，一定程度上会导致降温的前后温差不大，不利于缩小铁和镍的温度差异，并且高频感应加热的涡旋电场的变化程度不强，使得熔融的铁和镍在变化的电场中无法互相搅拌充分，从而使得熔融的铁和镍混合不均匀，影响最后产品的均匀程度。

在一些可选的实施方式中，所述熔融加热段的终点温度为1500℃～1520℃。

本申请实施例中，熔融加热段的终点温度为1500℃～1520℃的积极效果是在该温度范围内，由于镍的熔点为1453℃，而铁的熔点为1538℃，因此熔融加热段能使得铁和镍能够初步熔融，方便后续的降温段和熔融段的顺利进行。

在一些可选的实施方式中，所述降温段的终点温度为1450℃～1480℃。

本申请实施例中，降温段的终点温度为1450℃～1480℃的积极效果是在该温度范围内，物料内部未熔融的铁和镍会快速稳定地充分熔融，为后续熔融液的混合均匀奠定基础。

在一些可选的实施方式中，所述熔融段的终点温度为1580℃～1600℃，其中，熔融段的终点温度可以是1580℃，还可以是1590℃，还可以是1600℃。

本申请实施例中，控制熔融段的终点温度为1580℃～1600℃的积极效果是在该温度范围内，能使得铁和镍充分熔融，形成混合均匀的熔融液，同时确保物料不粘连反应容器；若温度的取值大于该范围，熔融液温度过高，会影响浇注过程模具的安全性，若温度的取值小于该范围，熔融液的温度不足，物料会粘连在反应容器的内壁中。

在一些可选的实施方式中，所述高频感应加热还包括预热段。

在一些可选的实施方式中，控制高频感应加热还有预热段，方便对铁和镍的加热充分，方便后续熔融加热段的进行。

在一些可选的实施方式中，所述预热段的终点温度为980℃～1000℃，所述预热段的时间为1min～2min，其中，预热段的终点温度可以是980℃，也可以是990℃，还可以是1000℃，预热段的时间可以是1min，也可以是1.5min，还可以是2min。

本申请实施例中，预热段的终点温度为980℃～1000℃的积极效果是在该温度范围内，可以使得反应容器内的加热温度均匀，从而使得物料初步的均匀熔融；若该温度的取值大于该范围，使得出现反应容器内物料的下部先熔融而上部难以熔融的情况，使得物料上下分层，无法初步熔融完全；若该温度的取值小于该范围，使得物料的熔融速度慢，会出现物料粘连在反应容器内的情况，导致最终制备的样品含量不准确。

预热段的时间为1min～2min的积极效果是在该时间范围内，使得物料实现初步均匀熔融。

在一些可选的实施方式中，所述预设重量比为所述镍：所述铁＝1:4～1:99。

本申请实施例中，控制预设重量比为镍：铁＝1:4～1:99的积极效果是在该重量比范围内，可制备得到Ni含量为1％～20％的Fe-Ni合金质量控制样品。

在一些可选的实施方式中，如图2所示，所述对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品，具体包括：

S201.对原料块进行分区，得到含有柱状区和舌状区的试件；

S202.对所述试件的舌状区以预设规格进行切取，后以所述舌状区的外表面作为检测面，得到Fe-Ni合金质量控制样品。

本申请实施例中，控制切取的方式的积极效果是由于在凝固阶段，柱状区中含有大量的铁和镍的熔融液，冷却速度较慢，极易出现合金元素枝晶偏析分布的情况，影响质量控制样品的微区不均匀性，而舌状区因厚度在1mm～2mm，在冷却阶段能够迅速冷凝成型，合金元素来不及发生偏析分布，微区均匀度高，可满足质量控制样品的均匀性要求。

同时由于舌状区外表面的冷却速度较内表面更快，因此选择舌状区的外表面充当检测面，能得到更为均匀的Fe-Ni合金质量控制样品。

在一些可选的实施方式中，以所述舌状区远离所述柱状区的最远端为原点，所述切取的初始位点距离原点的距离h满足：

h＝(0～1/2)*H，

式中，H为所述舌状区的长度。

本申请实施例中，由于舌状区的冷却速度越靠近柱状区相对越慢，因此控制切取位置在舌状区远离柱状区的0～1/2的高度内，能得到成分分布更为均匀的样品。

在一些可选的实施方式中，所述预设规格为长*宽*高＝8mm～15mm:4mm～7mm:1mm～2mm。

本申请实施例中，控制切取的样品规格的积极效果是能使得样品的大小符合检测要求，获得足够大的定量分析区域，同时由于舌状区外表面为圆弧状，为获得检测用的平面试样，取样尺寸不宜过大。

在一些可选的实施方式中，所述方法还包括：

S101.根据高频感应功率和反应容器容量，设计样品总量；

S102.对铁进行酒精清洗，后根据设计样品总量和预期的镍含量，分别加入铁和镍；其中，酒精清洗包括：将铁放入质量分数为100％的酒精内，不断搅拌，随后更换酒精3～5次并不断搅拌，当酒精不变色时将其倒出，待酒精挥发干净后，将铁密封收集。

实施例1

如图2所示，提供一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法，包括：

S101.根据高频感应加热的功率和反应容器容量，设计样品总量，其中，高频感应加热的最大功率为10kW，反应容器容量为120g，设计样品的总量为150g；

S102.对纯铁熔剂进行酒精清洗，后根据设计样品总量和预期的镍含量，分别加入纯铁熔剂和纯镍粉；其中，酒精清洗包括：将铁放入质量分数为100％的酒精内，不断搅拌，随后更换酒精3～5次并不断搅拌，当酒精不变色时将其倒出，待酒精挥发干净后，将铁密封收集；纯铁熔剂的重量为126g，纯镍的重量为24g，也即预设重量比为镍：铁＝4:21。

S1.对预设重量比的纯铁熔剂和纯镍粉在无氧环境下进行高频感应加热，先以4kW的功率对纯铁熔剂和纯镍粉进行预热，预热段的终点温度为1000℃，预热段的时间为1.5min，以使铁和镍形成熔融液，后进行浇注60s，再进行自然冷却至室温，得到如图3所示的原料块；其中，无氧环境的操作过程为：首先抽真空，然后充入氩气，再抽一次真空，真空状态确保样品不发生氧化变质；

S201.对原料块进行分区，得到含有柱状区和舌状区的试件，其中，柱状区为圆柱状，圆柱区直径Φ为35mm和高度为20mm，舌状区的高度为60mm；

S202.如图4所示，对试件的舌状区以预设规格进行切取，后以舌状区的外表面作为检测面，对检测面进行镶嵌、磨制及抛光处理，如图5所示，得到Fe-Ni合金质量控制样品；

其中，高频感应加热包括熔融加热段、降温段和熔融段，熔融加热段的加热功率为6kW，熔融段的加热功率为4.5kW；降温段的前后温差为45℃。

熔融加热段的终点温度为1510℃。

降温段的终点温度为1465℃。

熔融段的终点温度为1590℃。

高频感应加热还包括预热段。

如图2所示，以舌状区远离柱状区的最远端为原点，切取的初始位点距离原点的距离h满足：

h＝1/6*H＝10mm，

式中，H为舌状区的长度。

预设规格为10mm(长)×5mm(宽)×2mm(厚)。

实施例2

将实施例2和实施例1进行对比，实施例2和实施例1的区别在于：

降温段的前后温差为40℃。

实施例3

将实施例3和实施例1进行对比，实施例3和实施例1的区别在于：

降温段的前后温差为50℃。

实施例4

将实施例4和实施例1进行对比，实施例4和实施例1的区别在于：

熔融加热段的终点温度为1500℃。

降温段的终点温度为1455℃。

熔融段的终点温度为1580℃。

预热段的终点温度为980℃，预热段的时间为1min。

实施例5

将实施例5和实施例1进行对比，实施例5和实施例1的区别在于：

熔融加热段的终点温度为1520℃。

降温段的终点温度为1475℃。

熔融段的终点温度为1600℃。

预热段的终点温度为1000℃，预热段的时间为2min。

实施例6

将实施例6和实施例1进行对比，实施例6和实施例1的区别在于：

预设重量比为镍：铁＝3:22。

对比例1

将对比例1和实施例1进行对比，对比例1和实施例1的区别在于：

不采用降温段。

对比例2

将对比例2和实施例1进行对比，对比例2和实施例1的区别在于：

切取的初始位点距离原点的距离h不控制在：

h＝(0～1/2)*H这一范围内。

相关实验：

以实施例1为例，在样品的表面随机选取10个位点，检测各位点的铁和镍的含量，得到的质量控制样品的检测情况如表1所示。

表1 Ni含量在16％的样品的检测情况表

将各个实施例和对比例所得质量控制样品进行检测，在同一个试样中随机选取不同的检测位点，统计各检测点的标准偏差，结果如表2所示。

表2

表2的具体分析：

由实施例1-6的数据可知：

利用高频感应加热的电磁感应加热铁和镍两种电导体，利用高频感应加热的方式，实现铁和镍的熔融，控制熔融加热段的功率比熔融段的加热功率高，同时在高频感应加热的熔融加热段和熔融段之间设置降温段，可以控制降温段的温差范围在40℃～50℃这一范围，降温段一方面可以缩小经过熔融加热段但是熔融不充分的铁和镍的温度差异，方便后续熔融段对铁和镍的同步熔融，另一方面降温段还能提高高频感应加热的涡旋电场的变化程度，使得熔融的铁和镍在变化的电场中互相搅拌，从而使得熔融的铁和镍混合均匀，进而通过熔融段能得到成分均匀的Fe-Ni合金质量控制样品。

实施例1所得的质量控制样品的显微组织如图6所示，检测面为细密均匀的马氏体组织分布。

对比例分析：

对比例1所得样品进行测试时，发现检测面有散乱的粗大枝晶分布，枝晶间距大，说明此样品的成分分布不均匀，难以满足微区定量分析的要求。

对比例2所得样品进行测试时，如图7所示，检测面为平行排列的粗大枝晶分布，枝晶间距达到30μm左右，成分分布不均匀，难以满足微区定量分析的要求。

本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

(1)本申请实施例所提供的方法，利用高频感应加热的方式，实现铁和镍的熔融，控制熔融加热段的功率比熔融段的加热功率高，同时在高频感应加热的熔融加热段和熔融段之间设置降温段，可以控制降温段的温差范围在40℃～50℃这一范围，降温段一方面可以缩小经过熔融加热段但是熔融不充分的铁和镍的温度差异，方便后续熔融段对铁和镍的同步熔融，另一方面降温段还能提高高频感应加热的涡旋电场的变化程度，使得熔融的铁和镍在变化的电场中互相搅拌，从而通过熔融段能得到成分均匀的Fe-Ni合金质量控制样品。

(2)本申请实施例所提供的方法，将通常用于铁合金成分分析的高频感应重熔炉首次应用于Fe-Ni合金微束质量控制样品的制备，操作工序简单，只需要熔融处理，而不需要经过熔炼、热锻、热轧、退火等复杂的一般处理工序。

(3)本申请实施例所提供的方法，可根据实际需求制备不同Ni含量的Fe-Ni合金微束质量控制样品，而不必受限于市场提供的几个Ni含量合金标样，或者不会如某些来源于大生产冶炼的内控标样受到实际生产成分的含量限制。

(4)本申请实施例所提供的方法，借助显微组织观察确定微束样品取样位置范围，所制备的Fe-Ni合金微束质量控制样品显微组织细密，成分分布均匀，成分不均匀性小于1％，完全符合微束定量分析的要求，从而可解决现有微束标样无法对多种含Ni钢进行微区准确定量分析的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种微束分析用Fe-Ni合金质量控制样品的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

对预设重量比的铁和镍在无氧环境下进行高频感应加热，以使铁和镍形成熔融液，后进行浇注，再进行冷却，得到原料块；

对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品；

其中，所述高频感应加热包括熔融加热段、降温段和熔融段，所述熔融加热段的加热功率＞所述熔融段的加热功率；

所述降温段的前后温差为40℃～50℃；

所述对所述原料块进行样品的切取，得到Fe-Ni合金质量控制样品，具体包括：

对原料块进行分区，得到含有柱状区和舌状区的试件；

对所述试件的舌状区以预设规格进行切取，后以所述舌状区的外表面作为检测面，得到Fe-Ni合金质量控制样品；

以所述舌状区远离所述柱状区的最远端为原点，所述切取的初始位点距离原点的距离h满足：

h=（0～1/2）*H，

式中，H为所述舌状区的长度；

所述铁采用铁含量在90%以上的含铁金属，所述镍采用含量在90%以上的含镍金属。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔融加热段的终点温度为1500℃～1520℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述降温段的终点温度为1450℃～1480℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔融段的终点温度为1580℃～1600℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高频感应加热还包括预热段。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预热段的终点温度为980℃～1000℃，所述预热段的时间为1min～2min。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预设重量比为所述镍：所述铁=1:4～1:99。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设规格为长*宽*高=8mm～15mm:4mm～7mm:1mm～2mm。

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