一种电解分离高碳钢中夹杂物的原貌分析方法与流程

本发明属于钢中夹杂物电解分离及三维形貌观察领域，具体涉及一种电解分离高碳钢中夹杂物的原貌分析方法。

背景技术：

随着我国各高精尖行业的发展，例如航空航天、高速铁路等，所需高碳钢(如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等)的质量要求也越来越高。以高铁为例，目前300km/h时速以上的高铁所用轴承还完全依赖于进口，国内轴承钢产量虽大，但质量不能满足高要求，还需进一步对国内轴承钢生产工艺进行优化。

影响钢材质量的一个重要因素是钢中夹杂物。因此，采用合适的工艺手段，最大程度的去除钢中各类夹杂物，实现钢水洁净化对冶金行业生产高品质钢至关重要。通过对电解手段对钢中夹杂物进行原貌分析，掌握钢中夹杂物的三维形貌、性质和生成条件，得到去除钢中夹杂物的相应措施，成为实现钢中夹杂物的高效根本去除的重要手段。

目前，使用电解法对钢中夹杂物进行原貌观察的方法主要有两种，一种使用有机电解液电解，一种使用无机电解液电解。使用无机电解液电解容易破坏部分类型夹杂物的原始形貌，不利于钢中夹杂物的精确提取；然而使用有机电解液电解可以完整的保留钢中全部夹杂物的原始形貌，但是对于高碳钢使用电解法进行夹杂物原貌分析时，由于钢中碳含量高，电解过程中不可避免产生碳化物，碳化物会随着电解的进行与夹杂物一起进入电解液中，而不会在电解中被溶解。且碳化物通常颗粒较大，使用抽滤的手段处理电解产物时不易被抽滤掉，与尺寸较小的夹杂物混在一起，极大的影响了夹杂物的观测和提取。

现有技术中有申请号为CN201510239355.0的一种高碳钢夹杂物的提取及分析方法，该方法仍采用原有的有机溶液电解法，无法从根本上消除碳化物对高碳钢电解过程中带来影响，极大影响电解高碳钢中夹杂物的分离效率以及有效提取。而本方法提供了一种全新的方法，克服了电解后高碳钢中大量碳化物对夹杂物观察的影响，极大的降低了对高碳钢中夹杂物原貌分析的难度与工作量，通过在电解之前对钢样的预处理，严格控制钢中碳化物的尺寸，使大部分碳化物在抽滤过程中与夹杂物分离，同时严格控制通电电流、电解时间及钢样尺寸，实现较精确的定量电解，并于抽滤时采用不同孔径的滤纸，对夹杂物按尺寸进行分级抽滤，最终实现高碳钢中各类夹杂物的有效电解分离，达到易于观察的目的。并且该方法简单可靠，效率高，缩短了钢样电解时间，夹杂物损失少，能够有效的提取高碳钢中各类夹杂物，最终对高碳钢中各类夹杂物形貌进行有效观察和准确判断，为钢中夹杂物去除工艺的改进与优化提供指导。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供提供一种分离高碳钢夹杂物简单可靠、损失少，碳化物对夹杂物的观察及分离影响小的夹杂物原貌分析法，所述方法先电解之前在加热炉中对加工好的待电解钢样进行预处理，控制钢中碳化物的尺寸，使大部分碳化物在抽滤过程中与夹杂物分离，同时控制通电电流、电解时间及钢样尺寸，以进行精确的定量电解，并于抽滤时采用不同孔径的滤纸，对夹杂物按尺寸进行分级抽滤，最终实现高碳钢中各类夹杂物的电解分离，完成原貌分析；

进一步地，所述方法包括：

S1：将钢样加工至要求尺寸后，然后将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，预处理工艺为改良后的球化退火工艺；

S2：连接电解装置，其中所使用电源为直流电源，接线连通后，电解过程采用恒压控制模式；

S3：电解结束后将钢样、钢样与导线连接段、阴极等进行冲洗，所有冲洗液及电解液全部收集，倒入抽滤瓶进行抽滤，抽滤首先使用孔径2μm的聚碳酸酯滤膜，抽滤重复进行2-4遍，再使用孔径0.45μm的聚碳酸酯滤膜将第一次抽滤后得到的滤液再次重复抽滤2-4遍；

S4：将两次抽滤所用的不同孔径滤膜置于干燥箱中烘干，然后将烘干后滤膜使用导电胶粘于导电基体上；

S5：对固定在导电基体上的滤膜进行喷金或喷碳导电处理，使用扫描电镜和能谱分析手段对滤膜上分离出的夹杂物进行三维形貌的观察；

进一步地，S1中所述改良后的球化退火工艺为：首先将置于炉内钢样加热至780℃-820℃，保温3h-5h，然后随炉以30℃/h缓冷至680℃-720℃，保温2h-4h，再以30℃/h缓冷至650℃，取出空冷至室温，并对钢样待电解截面进行打磨；

进一步地，所述S1具体包括：

S11：首先将钢样加工至φ(5-10)mm×(30-50)mm的圆棒或(5-20)mm×(5-20)mm×(5-20)mm的方块作为待电解钢样；

S12：将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，处理工艺为改良后的球化退火工艺；

S13：对处理后的待电解钢样的待电解截面进行打磨，采用金相制样的方法，分别采用200#、400#和600#砂纸将钢样待电解截面进行打磨均匀；

进一步地，所述S2具体包括：

S21：将阴极浸入电解液，电解液为AA溶液，所述为AA溶液为无水甲醇/乙醇-(5～15)％乙酰丙酮-(0.5～1.5)％四甲基氯化铵，所述阴极材质为钢板，阴极形状为闭合圈，阴极通过金属导线连接直流电源负极；

S22：将待电解钢样四周使用绝缘胶带密封，并通过金属导线连接直流电源正极，仅留待电解截面裸露，电解时浸入电解液；

S23：接线连通后，电解过程采用恒压控制模式，电压选取

120mV-160mV范围内固定值控制，并保持电流控制在0.04A-0.07A范围内，电解时间2～5h；

进一步地，所述S3包括：

S31：将电解结束后的钢样、钢样与导线的连接段、阴极进行冲洗，冲洗所用试剂为无水甲醇/乙醇有机溶液，

S32：将所有冲洗液及电解液全部收集，倒入抽滤瓶进行抽滤，抽滤首先使用孔径2μm的聚碳酸酯滤膜，抽滤重复进行2-4遍，再使用孔径0.45μm的聚碳酸酯滤膜将第一次抽滤后得到的滤液再次重复抽滤2-4遍；

进一步地，所述S4具体为将两次抽滤所用的不同孔径滤膜置于干燥箱中烘干，干燥箱温度控制在150±2℃，干燥时间1h-3h，然后将烘干后滤膜使用导电胶粘于导电基体上，所述导电基体材质为金属材质，该金属材质为钢块，铜板或铝板；

进一步地，所述高碳钢为钢中碳含量在0.5wt％以上的钢种；

进一步地，所述高碳钢包括高碳铬轴承钢、弹簧钢、齿轮钢和硬线钢；

进一步地，S2所述电解过程中电压选取(120-160)mV范围内固定值控制，并保持电流控制在(0.04-0.07)A范围内，电解时间2～5h；

本发明的有益效果如下：

1)提供了一种有效提取高碳钢中夹杂物的原貌分析方法；

2)针对高碳钢，通过热处理工艺从电解的源头控制高碳钢中碳化物的尺寸，极大的减轻了电解时碳化物对夹杂物观测带来的影响，降低了夹杂物观察难度；

3)提高了电解效率，将电解时间缩短至2～5h，提供了高效获取与分离高碳钢中夹杂物的原貌分析方法；

4)精确控制钢样被电解尺寸，通电参数(电流和电压)以及通电时间等条件，提高电解精度，并使用不同孔径的滤膜分级抽滤，减少操作过程中夹杂物损失，实现高碳钢中夹杂物全尺寸分离与提取。

附图说明

图1为本发明所述电解装置连接示意图；

图2为本发明所述抽滤装置示意图；

图3为本发明所述实施例1中电解后观察到Al-O类夹杂物的显微形貌图；

图4为本发明所述实施例1中电解后观察到Al-O类夹杂物的能谱分析成分图；

图5为本发明所述实施例1中电解后观察到尖晶石类夹杂物的显微形貌图；

图6为本发明所述实施例1中电解后观察到尖晶石类夹杂物的能谱分析成分图；

图7为本发明所述实施例1中电解后观察到MnS类夹杂物的显微形貌图；

图8为本发明所述实施例1中电解后观察到MnS类夹杂物的能谱分析成分图；

图9为本发明所述实施例1中电解后观察到Al-Si-O类夹杂物的显微形貌图；

图10为本发明所述实施例1中电解后观察到Al-Si-O类夹杂物的能谱分析成分图；

图11为本发明所述实施例1中电解后观察到Ca-Mg-Al-Si-O类夹杂物的显微形貌图；

图12为本发明所述实施例1中电解后观察到Ca-Mg-Al-Si-O类夹杂物的能谱分析成分图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图7所示，本发明提供一种电解分离高碳钢中夹杂物的原貌分析方法，所述高碳钢为钢中碳含量在0.5％wt以上的钢种，所述高碳钢包括高碳铬轴承钢、弹簧钢、齿轮钢和硬线钢，所述方法先电解之前在加热炉中对加工好的待电解钢样进行预处理，控制钢中碳化物的尺寸，使大部分碳化物在抽滤过程中与夹杂物分离，同时控制通电电流、电解时间及钢样尺寸，以进行精确的定量电解，并于抽滤时采用不同孔径的滤纸，对夹杂物按尺寸进行分级抽滤，最终实现高碳铬轴承钢中各类夹杂物的电解分离，完成原貌分析。

所述方法包括：

S1：将钢样加工至要求尺寸后，然后将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，预处理工艺为改良后的球化退火工艺；

S2：连接电解装置，其中所使用电源为直流电源，接线连通后，电解过程采用恒压控制模式，电压选取(120-160)mV范围内固定值控制，并保持电流控制在(0.04-0.07)A范围内，电解时间2～5h；

S3：电解结束后将钢样、钢样与导线连接段、阴极等进行冲洗，所有冲洗液及电解液全部收集，倒入抽滤瓶进行抽滤，抽滤首先使用孔径2μm的聚碳酸酯滤膜，抽滤重复进行2-4遍，再使用孔径0.45μm的聚碳酸酯滤膜将第一次抽滤后得到的滤液再次重复抽滤2-4遍；

S4：将两次抽滤所用的不同孔径滤膜置于干燥箱中烘干，然后将烘干后滤膜使用导电胶粘于导电基体上；

S5：对固定在导电基体上的滤膜进行喷金或喷碳导电处理，使用扫描电镜和能谱分析手段对滤膜上分离出的夹杂物进行三维形貌的观察。

所述S1具体包括：

S11：首先将钢样加工至φ(5-10)mm×(30-50)mm的圆棒或(5-20)mm×(5-20)mm×(5-20)mm的方块作为待电解钢样；

S12：将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，处理工艺为改良后的球化退火工艺；

S13：对处理后的待电解钢样的待电解截面进行打磨，采用金相制样的方法，分别采用200#、400#和600#砂纸将钢样待电解截面进行打磨均匀。S1中所述改良后的球化退火工艺为：首先将置于炉内钢样加热至780℃-820℃，保温3h-5h，然后随炉以30℃/h缓冷至680℃-720℃，保温2h-4h，再以30℃/h缓冷至650℃，取出空冷至室温，并对钢样待电解截面进行打磨。

所述S2具体包括：

S21：将阴极浸入电解液，电解液为AA溶液，所述为AA溶液为无水甲醇/乙醇-(5～15)％乙酰丙酮-(0.5～1.5)％四甲基氯化铵，其中，溶液中百分比为体积分数，所述阴极材质为钢板，阴极形状为闭合圈，阴极通过金属导线连接直流电源负极；

S22：将待电解钢样四周使用绝缘胶带密封，并通过金属导线连接直流电源正极，仅留待电解截面裸露，电解时浸入电解液；

S23：接线连通后，电解过程采用恒压控制模式，电压选取120mV-160mV范围内固定值控制，并保持电流控制在0.04A-0.07A范围内，电解时间2～5h。

所述S3包括：

S31：将电解结束后的钢样、钢样与导线的连接段、阴极进行冲洗，冲洗所用试剂为无水甲醇/乙醇有机溶液，

S32：将所有冲洗液及电解液全部收集，倒入抽滤瓶进行抽滤，抽滤首先使用孔径2μm的聚碳酸酯滤膜，抽滤重复进行2-4遍，再使用孔径0.45μm的聚碳酸酯滤膜将第一次抽滤后得到的滤液再次重复抽滤2-4遍，所述S4具体为将两次抽滤所用的不同孔径滤膜置于干燥箱中烘干，干燥箱温度控制在150±2℃，干燥时间1h-3h，然后将烘干后滤膜使用导电胶粘于导电基体上，所述导电基体材质为金属材质，该金属材质为钢块，铜板或铝板。

实施例1

首先将钢样加工至φ(5-10)mm×(30-50)mm的圆棒或(5-20)mm×(5-20)mm×(5-20)mm的方块作为待电解钢样；(2)将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，处理工艺为改良后的球化退火工艺，所述工艺具体操作步骤如下：首先将置于炉内钢样加热至(780-820)℃保温(3-5)h，然后随炉以30℃/h缓冷至(680-720)℃，保温(2-4)h，再以30℃/h缓冷至650℃，取出空冷至室温；(3)并对处理后的待电解钢样的待电解截面进行打磨，采用金相制样的方法，分别采用200#、400#和600#砂纸将钢样待电解截面进行打磨均匀。

针对某高碳铬轴承钢采用本方法进行电解分离显微夹杂物，该高碳铬轴承钢主要成分如附表1。具体实施过程如下：

(1)首先将该轴承钢加工至10mm×10mm×15mm方块作为待电解钢样；

(2)将加工好的待电解钢样置于加热炉中进行预处理，处理工艺为改良后的球化退火工艺，所述工艺具体操作步骤如下：将置于炉内钢样加热至800℃保温5h，然后随炉以30℃/h缓冷至720℃，保温2h，再以30℃/h缓冷至650℃，取出空冷至室温；

(3)并对处理后的待电解轴承钢样的待电解截面(一个10mm×10mm截面)进行打磨，采用金相制样的方法，分别采用200#、400#和600#砂纸将钢样待电解截面进行打磨均匀；

(4)按附图1接线连通电解装置，所使用电源为直流电源。将阴极浸入电解液，电解液为甲醇-10％乙酰丙酮-1％四甲基氯化铵，阴极材质为钢板，阴极形状为闭合圈，阴极通过金属导线连接直流电源负极；将待电解钢样四周使用绝缘胶带密封，并通过金属导线连接直流电源正极，仅留待电解截面裸露，电解时浸入电解液；接线连通后，电解过程中采用恒压控制模式，电压选取130mV范围内固定值控制，并保持电流控制在(0.04-0.07)A范围内，电解时间2-5h；

(5)电解结束后将钢样、钢样与导线连接段、阴极等进行冲洗，冲洗所用试剂为无水甲醇或乙醇有机溶液，将所有冲洗液及电解液全部收集，倒入抽滤瓶进行抽滤，抽滤首先使用孔径2μm的聚碳酸酯滤膜，抽滤重复进行2遍，再使用孔径0.45μm的聚碳酸酯滤膜将第一次抽滤后得到的滤液再次重复抽滤2遍；

(6)将两次抽滤所用的不同孔径滤膜置于干燥箱中烘干，干燥箱温度控制在(150±2)℃，干燥时间1.5h，，然后将烘干后滤膜使用导电胶粘于钢块上；

(7)对固定在钢块上的滤膜进行喷金导电处理，使用扫描电镜和能谱分析手段对滤膜上分离出的夹杂物进行三维形貌的观察，所观察到该高碳铬中各类轴承钢中夹杂物的三维形貌如附图3-7所示。

表1电解高碳铬轴承钢主要成分/wt％

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。