电解萃取法测定Fe-Ni合金中非金属夹杂物.pdf

第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金 属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．1 F e b r u a r y ．2010 电解萃取法测定F e ．N i 合金中非金属夹杂物 冯晓春1 8 山，夏天东h ，，王晓军1 8 ，沈婕h 一，孙光曦2 ，梁仲兵2 1 ．兰州理工大学a ．有色金属合金教育部重点实验室b ．甘肃省有色金属新材料省部 共建国家重点实验室c ．技术工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．金川集团有限公司镍钻研究设计院，甘肃金昌7 3 7 10 0 摘要采用电解萃取方法，测定F e ．N i 合金的阳极极化曲线，并依此确定了电流密度、阳极电位等参数，将F e ．N i 合金中的 非金属夹杂物从基体中分离并提取出来。结果表明，选择合适的电解液、电流密度等参数进行电解萃取，可以较准确地对F e ．N i 合 金中的非会属夹杂物进行分析。 关键词金属材料；非金属夹杂物；电解萃取；F e ．N i 合金 中图分类号T G l 4 6 ．1 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 o i 一0 0 5 2 0 4 由于某合金厂生产的F e N i 合金在轧制冷拉后 发现表面有微裂纹，甚而有断裂的现象。通过前期 的分析研究发现⋯，此F e - N i 合金中存在大量的非 金属夹杂物。这些非金属夹杂物的存在破坏了F e N i 合金基体的连续性，尖端处应力集中严重，影响 到F e ．N i 合金的机械性能“1 。 传统研究夹杂物的主要方法口’7 1 是金相试样检 验法，它具有简单、直观等优点，但由于夹杂物在合 金基体内是三维的，而金相试样法所观察到的视场 只能是二维的，因此用金相试样检验法无法准确的 观察和分析非金属夹杂物的形貌。鉴于此，通过电 解萃取的方法，将F e N i 合金中的非金属夹杂物分 离出来，并对其形貌进行观察分析。 1实验方法 1 ．1 试验材料 试验所用的F e N i 合金是由某合金厂提供的含 4 2 ％N i 的4 J 4 3 合金线材，其生产工艺为中频感应炉 熔炼- 水平连铸- 电渣重熔一热锻方坯一修磨一轧 制，根据标准Y B ／T5 2 3 6 2 0 0 5 } ，4 J 4 3 合金的化学 成分如表1 所示。 试验所用的电解液是以蒸馏水为溶剂，电介质 包括活化剂、含氧酸盐和络合剂。 收稿日期2 0 0 7 1 1 1 4 基金项目甘肃省科技攻关项目 Z G S 0 6 4 一A 5 2 0 3 6 0 4 作者简介冯晓春 1 9 8 1 一 ，女，兰州市人，硕士生，主要从事镍基 合金中非金属夹杂物等方面的研究。 表1 4 J 4 3 合金的化学成分 T a b l elT h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f4 J 4 3a l l o y 合金 牌号 化学成分 质量分数 ／％ 4 J 4 30 ．1 00 ．0 2 0 0 ．0 2 00 ．3 0o ．7 5 一I ．2 54 1 ．0 1 3 ．0 余量 1 ．2 试验过程 在电解萃取之前，必须先确定电流密度等参数， 因此，首先测定了F e ．N i 合金的阳极极化曲线，确定 了电流密度及阳极电位，最后对F e N i 合金中非金 属夹杂物进行电解萃取分离。 ” 1 ．2 ．1 F e N i 合金阳极极化曲线的测定。将 咖1 2 m m 的4 J 4 3 合金轧制盘条车至I q b 5 m m ，去除其表 面油污，为了便于计算试样与电解液的接触面积，只 留一端面与电解液接触，因此用环氧树脂将试样表 面涂覆包裹，使电解液不会与试样其他部位接触。 将试样上留出的端面磨平后置于如图1 所示的实验 装置中，使用C H l 6 6 0 C 电化学工作站测定F e - N i 合 金的阳极极化曲线。 1 ．2 ．2 电解萃取F e - N i 合金中的非金属夹杂物。 将q b l 2 m m 的4 J 4 3 轧制盘条上截取1 0 0 r a m 作为电 解萃取的试样。首先去除试样表面氧化皮及毛刺， 防止试样在装载过程中将半透膜刺破，其次为了固 定试样，在其一端做螺纹孔。以4 J 4 3 合金试样为阳 极，不锈钢板为阴极，试验装置如图2 所示。所采用 的电解液p H 值控制在4 5 。为了使阳极一直保持 活化电解状态或超钝化状态，将通过阳极的电流密 度控制在8 0 m A ／c m 2 左右，采用恒电位电解，这是由 万方数据 第1 期冯晓春等电解萃取法测定F e - N i 合金中非金属夹杂物 5 3 图1阳极极化曲线测试装置 F i g ．1 A n o d ep o l a r i z a t i o nt e s t i n gd e v i c e 4 J 4 3 合金在此电解液中阳极极化曲线决定的。 1 1 - 汞电极螺栓阳极铜棒 图2 试验装置 F i g ．2 S c h e m eo fe x p e r i m e n td e v i c e 电解完毕后取下试样先用蒸馏水清洗试样表面 和半透膜的外表面”。，然后将半透膜中所收集的 非金属夹杂物倒入烧杯中，并用蒸馏水反复冲洗膜 的内壁。然后将收集到的夹杂物进行分离，分离过 程严格执行程序蒸馏水反复冲洗5 次；1 5 0 m L1 0 ％ 的柠檬酸钠溶液洗两次；用磁分离的方法分离出电 解过程中未被电解的金属掉渣；将去除了金属掉渣 的夹杂物再用蒸馏水洗3 4 次；最后用1 5 0 m L 酒 精清洗两次；烘干。 将分离出来的非金属夹杂物均匀分散于导电支 持膜上，通过配有能谱分析仪的扫描电镜及电子探 针对其进行观察分析。 2 试验结果与讨论 2 ．1F e ．N i 合金的阳极极化曲线 图3 是4 J 4 3 合金在此电解液中的阳极极化曲 线。由图3 可以看出，4 J 4 3 合金在此电解液中的活 化区很小，不容易控制，而稳定的超钝化区却很大， 当阳极电位大于1 ．7 V 时，合金一直处于超钝化状 态，因此在电解过程中，必须保持电流密度大于 1 5 m A ／c m 2 。这是因为电流密度对阳极钝化过程的 影响显著。由图3 可以看到，当电流密度为5 m A ／ e m 2 ，阳极电位分别在0 ．6 1 ．0 V 和1 ．5 一1 ．7 V 时， 阳极处于钝化状态。另外，电流密度还直接影响到 电解速度，电流密度大其电解速度就快，电解时间也 相应缩短。有资料表明，缩短电解时间，采用恒电位 分离，可以防止夹杂物在电解分离中损失。因此，综 合上述因素，在电解萃取4 J 4 3 合金中非金属夹杂物 时所选取得电流密度为8 0 m A ／c m 2 ，对应的阳极电 位约为4 V 左右。 毫 魁 稍 媛 掣 电位厂v 图34 J 4 3 合金的阳极极化曲线 F i g ．3 A n o d ep o l a r i z a t i o nc n l T eo f4 J 4 3a l l o y 1 2 ．24 j 4 3 合金电解过程中电解液p H 值的变化 图4 a 和图4 b 分别为阳极区与阴极区电解 液的p H 值变化曲线。由图4 可以看出，4 J 4 3 合金 在电解过程中，阳极p H 值虽然在3 4 ．5 之间波 动，但变化并不大，并且与阴极电解液的p H 值也较 接近。阴极p H 值在电解初期就达到5 ，并一直保持 稳定。电解过程中，阳极表面产生钝化膜，阻碍阳极 参与反应使p H 值下降，钝化膜被破坏后，阳极继续 溶解，p H 值升高，如此反复造成阳极p H 值的波动。 ，由于在阴极壁上有H 析出，电解液中H 不断减 少，因而阴极p H 值有所升高。但总体来看，阳极电 解液p H 值虽然有波动，但其范围很小，并未溶解夹 杂物。阴极p H 值虽有所升高，但阴极电解液并未 呈碱性以阻碍电解的正常进行，当p H 值达到5 时 就稳定了。因此，4 J 4 3 合金在此电解液中电解时， 阳极与阴极p H 值的变化均属于正常。 2 ．3 ’4 J 4 3 合金中的非金属夹杂物的形貌观察 图5 所示是从4 J 4 3 合金轧制盘条中萃取出来 的非金属夹杂物不同形貌的S E M 照片。图5 a 是 球状夹杂物，此类夹杂多为由S i 的氧化物或铝硅酸 盐，其尺寸一般都不大于5 斗m ，但含量却很多，约占 夹杂物含量的6 0 ％。这类夹杂物是合金用硅铁、硅 万方数据 有色金属第6 2 卷 钙等脱氧或脱氧不完全产生的内生夹杂物，它们在 合金的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些液态的 硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式 保存于合金中。这种球状夹杂物0 。J ，性质脆而 硬，且加工时不易变形。虽然这类夹杂物是球状的， 但其数量较多，容易造成应力集中，进而产生微裂 纹。图5 b 为多角状夹杂物，经能谱分析为A I ，O ，。 此类夹杂虽然尺寸不大，但它们呈多角形，且多为锐 角，A 1 0 ，夹杂沿晶界呈链式分布，是A l 脱氧产物。 这类夹杂物是脆性夹杂物，由于其变形率低，和基体 之间变形性差异显著，势必造成在夹杂物与基体的 交界面处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物 趔 Z 厶 辎 医 本身开裂。图5 c 是大的块状夹杂物多为含T i O 或T i N 的夹杂”“。。在这种夹杂物上还经常附着 有S i O 等小的夹杂物，其中T i N 是由于在合金熔炼 时加入了与氮亲和力较大的元素而产生的，并且在 出钢与浇注过程中，合金液与空气接触，空气中的氮 在合金中溶解会使氮化物的数量显著增加，T i O 可 能是T i 脱氧产生的。此类大的块状夹杂物因其具 有许多硬性尖角，其曲率半径很小，很容易引起应力 集中，在交变应力作用下，裂纹优先在垂直于拉应力 方向的夹杂物尖角处萌生，裂纹扩展速率也比球状 夹杂物快得多，对合金性能很不利。 趔 Z 厶 辎 墨 时l ’H j ／m i n时间／m i n 图4电解液p H 值变化曲线 F i g ．4 C u r v eo fe l e c t r o l y t ep H 图54 J 4 3 和金中非金属夹杂物形貌S E M 照片 F i g ．5 S E Mi m a g eo fm o r p h o l o g yo fi n c l u s i o n si n4 J 4 3a l l o y 3结论 4 J 4 3 合金中存在着大量的非金属夹杂物，它们 的形貌各异，而且有些是由多种成分组成的复合夹 杂物。其中含T i 元素夹杂物，如T i N 和T i O 等，其 尺寸大、硬度高、不易变形，且具有硬性尖角，这类夹 杂物对合金的性能有极大的影响。采用电解萃取的 方法将非金属夹杂物从4 J 4 3 合金的基体中提取出 来，再用扫描电镜等检测手段分析研究夹杂物，克服 了传统金相试样法在分析夹杂物方面的不足。 在电解4 J 4 3 合金之前测定其阳极极化曲线，保 证4 J 4 3 合金在电解时一直处于活化状态或超钝化 状态，综合考虑电解速度以及电解分离出夹杂物的 完整性因素，最终选择电流密度为8 0 m A ／c m 2 ，进行 恒电位电解。采用试验所用的电解液对4 J 4 3 合金 电解时，整个过程的阳极与阴极的p H 值都是在正 万方数据 第l 期冯晓春等电解萃取法测定F e ．N i 合金中非金属夹杂物 5 5 常范围内变化，因此，用此电解液电解萃取分离4 J 4 3 合金中非金属夹杂物是适用的。 参考文献 [ 1 ] 沈婕，钱月平，王晓军，等．F e ．N i 系膨胀合金4 J 4 3 棒材的表面缺陷研究[ J ] ．金属功能材料，2 0 0 6 ，1 3 5 9 一1 2 ． [ 2 ] 荭育智，白玉文，李静媛，等．电解分离低碳钢中非金属夹杂物的研究[ J ] ．金属学报，1 9 5 6 ，l 1 5 9 7 1 ． [ 3 ] 李代钟，赵淑熙，卢进华．氯化法测定低铬钢中的非金属夹杂物[ J ] ．金属学报，1 9 5 9 ，4 2 1 6 2 1 6 8 ． [ 4 ] 李为缪．钢中非金属夹杂物[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 7 5 2 7 4 ． [ 5 ] 王晓峰，马杰．浅谈高碳硬线钢中非金属夹杂物【J ] ．冶金丛刊，2 0 0 6 ， 4 4 9 ． [ 6 ] 王爱霞．钢中非金属夹杂物对显微组织的影响[ J ] ．宽厚板，2 0 0 6 ，1 2 5 l 一3 ． [ 7 ] 尚德礼，王习东，王国承，等．无损伤提取分析钢中非金属夹杂物的实验研究[ J ] ．冶金标准化与质量，2 0 0 5 ，4 5 1 2 8 3 0 ． [ 8 ] 鞍钢钢铁研究所．实用冶金分析方法与基础[ M ] ．辽宁辽宁科学出版社，1 9 9 0 7 2 6 7 4 1 。 [ 9 ] 中国科学院金属研究所等图谱协作组．钢中非金属夹杂物的鉴定及图谱[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 2 9 3 6 ． [ 1 0 ] 张德堂．钢中非金属夹杂物鉴别[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 9 1 2 5 5 2 5 7 ． [ 11 ] M a r c o l i n oF e r n a n d e s ，N o e ’C h e u n g ，A m a u r iG a r e i a ．I n v e s t i g a t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nc o n t i n u o u s l ye a s tc a r b o ns t e e lb y d i s s o l u t i o no ft h ef e r r i t i em a t r i x [ J ] ．M a t e r i a l sC h a r a c t e r i z a t i o n 。2 0 0 2 ，4 8 4 2 5 5 2 6 1 ． 【1 2 ] 周德光，罗伯钢，曾立，等．钢中氮的控制及其对质量的影响[ J ] ．炼钢，2 0 0 5 ，2 1 1 4 3 4 6 ． D e t e r m i n a t i o no fN o n m e t a l l i cI n c l u s i o n si nF e - N iA l l o yw i t hE l e c t r o l y t i cE x t r a c t i o nM e t h o d F E N GX i a o ．c h u n ⋯。，X I AT i a n ．d o n g ⋯6 。W A N GX i a o - j u n ⋯。，S H E N 膪”，S U NG u a n g ．x i 2 ，L I A N GZ h o n g b i n 9 2 1 ．口K e yL a b o r a t o r yo fN o nf e r r o u , M e t a lA l l o y s ，T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，6S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e d N o n - f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，CC o l l e g eo fT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ；2 ．T e c h n i c a lC e n t e ro f J i n c h u a nG r o u pL i m i t e d ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 0 ，G a n s u 。C h i n a A b s t r a c t T h ea n o d ep o l a r i z a t i o nc u r v eo fF e N ia l l o yi sd e t e r m i n e d ，a n dt h ec u r r e n td e n s i t y ，a n o d ev o l t a g ea n do t h e r p a r a m e t e r si sm e a s u r e db a s e do ni t ．T h en o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si si s o l a t e da n de x t r a c t e df r o mt h eF e - N ia l l o yb y e l e c t r o l y t i ce x t r a c t i o nm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o n m e t a l l i ci n c l u s i o n sc a nb ea n a l y z e dm o r ee x a c t l yb y e l e c t r o l y t i ce x t r a c t i o nw i t hs u i t a b l ee l e c t r o l y t e ，c u r r e n td e n s i t ya n do t h e rp a r a m e t e r s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s ；e l e c t r o l y t i ce x t r a c t i o n ；F e - N ia l l o y 万方数据