JP7010411B2 - 析出物および/または介在物の抽出方法、析出物および/または介在物の定量分析方法、ならびに、電解液 - Google Patents
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Description
これに伴い、鉄鋼材料の製造工程において、析出物等の制御が厳格に行なわれている。そのためには、析出物等を高い精度で定量分析することを要する。
析出物等の抽出方法は、酸分解法、ハロゲン法および電解法に大別できる。
これらのうち、金属材料中の析出物等を電解により抽出する電解法(特許文献1を参照)は、析出物等を安定的に抽出できることから、多く用いられる。
更に、本発明は、上記抽出方法を用いた析出物等の定量分析方法、および、上記抽出方法に用いる電解液を提供することも目的とする。
[1]金属材料中の析出物および/または介在物を、電解液を用いた電解により抽出する方法であって、上記電解液が、上記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有する、析出物および/または介在物の抽出方法。
[2]上記電解液が、溶媒を含有し、上記吸着剤の比重が、上記溶媒の比重よりも大きい、上記[1]に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
[3]上記電解液が、上記マトリックス金属と錯体を形成する薬剤を含有する、上記[1]または[2]に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
[4]上記金属材料が、鉄鋼材料である、上記[1]~[3]のいずれかに記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
[5]上記任意の金属が、Cuである、上記[4]に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
[6]上記[1]~[5]のいずれかに記載の抽出方法により抽出した析出物および/または介在物を定量分析する、析出物および/または介在物の定量分析方法。
[7]金属材料中の析出物および/または介在物を電解により抽出する電解液であって、上記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有する、電解液。
[8]上記マトリックス金属と錯体を形成する薬剤を含有する、上記[7]に記載の電解液。
[9]溶媒を含有し、上記吸着剤の比重が、上記溶媒の比重よりも大きい、上記[7]または[8]に記載の電解液。
[10]上記金属材料が、鉄鋼材料である、上記[7]~[9]のいずれかに記載の電解液。
[11]上記任意の金属が、Cuである、上記[10]に記載の電解液。
上述したように、金属材料中の析出物等を電解により抽出(電解抽出)し、抽出した析出物等を定量分析すると、定量分析値が予想値を大きく外れる場合がある。
具体的には、例えば、鉄鋼材料を電解して、CuS、Cu2S、(Mn,Cu)S、MnSなどの析出物等を抽出すると、その定量分析値に誤差が生じる場合がある。
その結果、電解残渣中には、抽出した析出物等に混ざって、鉄鋼材料中には観察されない金属Cu粒子(図1を参照)が高い頻度で存在することを見出した。
SEMおよびTEMの観察結果から、Cuは鉄鋼材料中に固溶状態で存在していると推定される。鉄鋼材料を電解すると、Cuは、鉄鋼材料のマトリックス金属であるFeとともに、電解液中に溶出する。
このとき、電解液に対するCuの溶解度が大きくない場合、溶解度を超えたCuが析出し、更には凝集して、ナノサイズの金属Cu粒子が形成される。ナノサイズの金属Cu粒子は、表面エネルギーが高い。このため、形成された金属Cu粒子が鉄鋼材料の表面に付着し、電解残渣として、本来の分析対象である析出物等に混ざって抽出される。こうして、定量分析値に誤差が生じる。
具体的には、誤差原因となる金属Cuに選択的に吸着(物理吸着および/または化学吸着)する吸着剤を含有させた電解液を用いて、鉄鋼材料を電解した。
その結果、金属Cu粒子が鉄鋼材料の表面に付着することを阻害でき、析出物等の定量分析の精度を良好にできた。
以下、本発明の実施形態(以下、単に「本発明」ともいう)を説明する。
以下の説明において、「金属材料」としては、特に限定されないが、例えば、熱延鋼板、冷延鋼板などの鉄鋼材料が挙げられる。
金属材料のマトリックス金属を除く「任意の金属」は、上述した誤差原因となる金属であり、以下、「妨害金属」ともいう。妨害金属としては、特に限定されないが、例えば、金属材料が鉄鋼材料である場合は、Cuなどが挙げられる。
本発明の電解液は、金属材料中の析出物および/または介在物を電解により抽出する電解液であって、上記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有する、電解液である。
本発明の電解液は、実質的に、電解質を含有する。
電解質としては、特に限定されず、従来公知の電解質を使用でき、例えば、塩化テトラメチルアンモニウム、塩化ナトリウム、臭化カリウムなどが挙げられる。
本発明の電解液は、実質的に、溶媒を含有する。
溶媒としては、特に限定されず、従来公知の電解液の溶媒を使用でき、非水溶媒または水溶媒(水)が挙げられる。非水溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのヒドロキシ基を有する非水溶媒が好適に挙げられる。
本発明の電解液は、金属材料のマトリックス金属と錯体を形成する薬剤(以下、単に「薬剤」ともいう)を含有することが好ましい。これにより、電解液中に溶解したマトリックス金属が、金属材料の表面に再付着したり再析出したりするのを抑制する。
薬剤としては、特に限定されず、例えば、アセチルアセトン、サリチル酸、サリチル酸メチル、マレイン酸、クエン酸、クエン酸ナトリウムなどが好適に挙げられる。
一方、経済的合理性、環境負荷などの観点から、溶媒に対する質量比で、50%以下が好ましく、30%以下がより好ましい。
本発明の電解液は、ベース電解液を主体に構成されることが好ましい。
ベース電解液は、少なくとも上述した電解質および溶媒を含有し、更に、上述した薬剤を含有していてもよい。
ベース電解液としては、特に限定されず、例えば、AA系(アセチルアセトン-塩化テトラメチルアンモニウム-メタノール)電解液、MS系(サリチル酸メチル-サリチル酸-塩化テトラメチルアンモニウム-メタノール)電解液、MA系(無水マレイン酸-塩化テトラメチルアンモニウム-メタノール)電解液などの非水溶媒系電解液;クエン酸電解液、塩酸電解液などの水溶媒系電解液;等が挙げられる。
本発明の電解液が含有する吸着剤は、妨害金属に物理吸着および/または化学吸着する物質である。物理吸着は、ファンデルワールス力による吸着である。化学吸着は、化学結合による吸着である。
なお、吸着剤がマトリックス金属に吸着(物理吸着および/または化学吸着)することは排除されない。すなわち、吸着剤は、妨害金属(金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属)だけでなく、金属材料のマトリックス金属に吸着してもよい。
後述するように、電解後に金属材料を電解液から取り出す。このとき、吸着剤の比重が溶媒の比重よりも大きいと、吸着剤は沈殿し、金属材料に付着しにくいため、好ましい。
吸着剤の細孔径は、ガス吸着法を用いた計測により求める。
もっとも、後述するように、フィルタを用いて吸着剤をろ過する場合がある。この場合、吸着剤の平均粒子径は、フィルタの孔径以上が好ましく、具体的には、3μm以上がより好ましく、5μm以上が更に好ましい。この場合、上限は特に限定されず、例えば300μm以下であり、250μm以下が好ましい。
吸着剤の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法を用いた計測により求める。
一方、作業性を良好にする観点からは、本発明の電解液における吸着剤の含有量は、ベース電解液100mLに対して、5g以下が好ましく、1g以下がより好ましい。
本発明の析出物および/または介在物の抽出方法(以下、便宜的に「本発明の抽出方法」ともいう)は、金属材料中の析出物および/または介在物を、電解液を用いた電解により抽出する方法であって、上記電解液が、上記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有する、析出物および/または介在物の抽出方法である。
上述した本発明の電解液は、本発明の抽出方法に用いる電解液である。
本発明の抽出方法においては、まず、金属材料を、適当な大きさの試験片に切断し、研磨、洗浄および乾燥などを施すことが好ましい。研磨などを施した金属材料の試験片を、以下、「被検試料」ともいう。
析出物等を定量分析する場合は、電解前に被検試料の質量を測定することが好ましい。
次いで、本発明の電解液を用いて、被検試料を陽極として、電解(定電位電解または定電流電解)を行なう。
電解量は、特に限定されないが、通常、被検試料を0.1~1g程度電解する。電解量は、電解液の量、電解条件、被検試料(金属材料)の種類、析出物等の量の推定値などに基づいて、適宜調整できる。
一方、妨害金属は、電解液に溶出するが、吸着剤によって捕捉される。このため、妨害金属が被検試料に付着することを抑制できる。
所定量の電解後、被検試料の残部に付着している電解残渣(析出物等)を電解液中に脱落させないように、被検試料の残部を、電解液から静かに取り出し、直ちに分散液に浸漬する。
被検試料の残部を分散液に浸漬することにより、被検試料の残部に付着している電解残渣(析出物等)は、被検試料の残部から分離し、分散液に分散する。
分散液としては、特に限定されず、従来公知の分散液を使用でき、例えば、メタノールが挙げられる。
被検試料の残部から析出物等が全量分離すると、被検試料の残部が金属光沢を呈するので、超音波振とう時間は、これを目安とする。
析出物等を定量分析する場合は、乾燥した被検試料の残部の質量を測定し、電解前の被検試料の質量から差し引くことにより電解質量を求める。
具体的には、例えば、析出物等が多いため、1回の分離ステップ後では析出物等を分離しきれず、被検試料の残部の表面に析出物等が残留していると思われる場合である。
この場合、別途、分散液を準備して、被検試料の残部が金属光沢を呈するまで分離ステップを複数回繰り返すことが好ましい。
被検試料の残部を取り出した分散液(析出物等が分散している分散液)を、フィルタを用いてろ過(例えば、吸引ろ過)することにより、析出物等をフィルタ上に捕集する。
析出物等のうち、数10nm以下のものは凝集しやすい。このため、析出物等の捕集に用いるフィルタの孔径は、想定される析出物等のサイズ以下にする必要はなく、析出物等の平均粒子径に応じて選択すればよい。
本発明の析出物および/または介在物の定量分析方法(以下、便宜的に「本発明の定量分析方法」ともいう)は、上述した本発明の抽出方法により抽出した析出物および/または介在物を定量分析する、析出物および/または介在物の定量分析方法である。
析出物等の溶解には、従来公知の酸水溶液またはアルカリ水溶液を使用でき、定量分析する対象元素に応じて適宜選択する。
発明例1では、後述する電解液Aを用いて、被検試料中の析出物等を抽出し、定量分析した。具体的には、以下のとおりである。
下記表1に示す成分組成(残部はFeおよび不可避的不純物)を有する鋼塊を、真空溶解にて作製した。作製した鋼塊を、1200℃に加熱後、熱間圧延することにより、厚さ3mmの熱延鋼板を作製した。
作製した熱延鋼板から、断面観察用の試料を採取した。採取した試料を、SEMを用いて観察したところ、析出物等は全てMnSであることを確認した。
次いで、作製した熱延鋼板から、30mm×30mmサイズの試験片を採取し、表面を研磨して、被検試料とした。
100mLのクエン酸電解液(10質量%クエン酸ナトリウム-1質量%臭化カリウム-純水。ただし、クエン酸を用いてpHを4に調整。以下同様)に、吸着剤(化学吸着剤)として、チオール基を有するシリカ(R-Cat-Sil MP、関東化学社製、平均粒子径5μm)を0.1g添加することにより、電解液Aを調製した。
調製した電解液Aを用いて、被検試料を、電流密度20mA/cm2の条件で、定電流電解した。
被検試料を0.1g電解した後、電解液Aから取り出した被検試料の残部を、分散液であるメタノールに浸漬し、超音波振とうを2分間付与し、被検試料の残部に金属光沢が現れたことを確認した。こうして、被検試料の残部に付着していた析出物等を分離し、分散液に分散させた。その後、被検試料の残部を、分散液から取り出した。
次いで、被検試料の残部を取り出した分散液を、孔径5μmのフィルタでろ過して、吸着剤を取り除いた。更に、ろ液を、孔径0.2μmのフィルタでろ過して、析出物等をフィルタ上に捕集した。
捕集した析出物等を、フィルタごとビーカーに入れ、20mLの硝酸を添加し、100℃で30分間加熱して溶解した。加熱後、ビーカーからフィルタを取り出し、フィルタに付着した硝酸を純水で洗い流した。
ビーカー内の液体について、ICP発光分光分析計(ICPS-8100、島津製作所社製)を用いて定量分析し、フィルタ上に捕集した析出物等のCu量(単位:質量%)を求めた。
更に、3回のCu量の標準偏差(単位:質量%)を求めた。標準偏差の値が小さいほど、定量分析の精度に優れると評価できる。
いずれも結果を下記表2に示す。
100mLのクエン酸電解液に、吸着剤(物理吸着剤)として、直径1~50nmの細孔径を有する活性炭(活性炭素、富士フイルム和光純薬社製、平均粒子径30~150μm)を5.0g添加することにより、電解液Bを調製した。
電解液Aに代えて電解液Bを用いた以外は、発明例1と同様にして、電解抽出および定量分析を行なった。結果を下記表2に示す。
ただし、発明例2においては、吸着剤が電解液Bの溶媒よりも粒子径および比重が大きく沈殿しやすいことから、電解中は、マグネチックスターラーを用いて電解液Bを回転速度200rpmで攪拌した。
100mLのクエン酸電解液を、吸着剤を添加しないで、電解液Cとした。
電解液Aに代えて電解液Cを用いた以外は、発明例1と同様にして、電解抽出および定量分析を行なった。結果を下記表2に示す。
ただし、比較例1では、電解後、被検試料の残部を取り出した分散液を、孔径5μmのフィルタでろ過すること(吸着剤を取り除くこと)なく、孔径0.2μmのフィルタでろ過して、析出物等をフィルタ上に捕集した。
上記表2に示すように、発明例1および発明例2は、比較例1よりも、析出物等のCu量が少なく、かつ、標準偏差の値も小さく、定量分析の精度に優れることが分かる。
発明例1と発明例2とを対比すると、電解液Bを用いた発明例2の方が、電解液Aを用いた発明例1よりも、定量分析の精度がより良好であった。
図1は、比較例1の析出物等のCuの特性X線像である。図1に示すように、比較例1においては、析出物等に混ざって、金属Cu粒子が存在していた。
Claims (9)
- 金属材料中の析出物および/または介在物を、電解液を用いた電解により抽出する方法であって、
前記電解液が、前記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有し、
前記任意の金属が、Cuであり、
前記任意の金属に物理吸着する前記吸着剤が、多孔質材料であり、
前記多孔質材料が、活性炭、シリカ、活性アルミナ、合成ゼオライトまたは多孔性有機化合物であり、
前記任意の金属に化学吸着する前記吸着剤が、チオール基を有するシリカである、析出物および/または介在物の抽出方法。 - 前記電解液が、溶媒を含有し、
前記吸着剤の比重が、前記溶媒の比重よりも大きい、請求項1に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。 - 前記電解液が、前記マトリックス金属と錯体を形成する薬剤を含有する、請求項1または2に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
- 前記金属材料が、鉄鋼材料である、請求項1~3のいずれか1項に記載の析出物および/または介在物の抽出方法。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の抽出方法により抽出した析出物および/または介在物を定量分析する、析出物および/または介在物の定量分析方法。
- 金属材料中の析出物および/または介在物を電解により抽出する電解液であって、
前記金属材料のマトリックス金属を除く任意の金属に物理吸着および/または化学吸着する吸着剤を含有し、
前記任意の金属が、Cuであり、
前記任意の金属に物理吸着する前記吸着剤が、多孔質材料であり、
前記多孔質材料が、活性炭、シリカ、活性アルミナ、合成ゼオライトまたは多孔性有機化合物であり、
前記任意の金属に化学吸着する前記吸着剤が、チオール基を有するシリカである、電解液。 - 前記マトリックス金属と錯体を形成する薬剤を含有する、請求項6に記載の電解液。
- 溶媒を含有し、
前記吸着剤の比重が、前記溶媒の比重よりも大きい、請求項6または7に記載の電解液。 - 前記金属材料が、鉄鋼材料である、請求項6~8のいずれか1項に記載の電解液。
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