專利名稱：一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)成分分析與制樣方法技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法，通過(guò)對(duì)樣品取樣方式和加工方法的控制以及定氫前對(duì)樣品進(jìn)行必要的預(yù)處理，可以測(cè)得鋼中準(zhǔn)確的含氫量。
背景技術(shù)：
眾所周知，鋼中氣體對(duì)鋼材質(zhì)量有極大的影響，鋼中的氫，氧，氮等氣體是鋼錠中出現(xiàn)疏松，氣泡等缺陷的主要原因，其中氫更是造成鋼中白點(diǎn)和韌塑性下降的根本原因。準(zhǔn)確地測(cè)定鋼中氫含量，為冶煉工藝提供可靠的數(shù)據(jù)，以便控制其含量范圍對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。而測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性如何，關(guān)鍵在于試樣是否具有代表性和制樣方法是否合理。對(duì)于鋼中氫的測(cè)定，即使是同一爐取樣，在同一臺(tái)儀器上分析，其結(jié)果由于取樣、制樣過(guò)程 的不同仍會(huì)出現(xiàn)較大差異。另外由于氫的原子半徑較小，其在鋼鐵材料，特別是在具有體心立方bcc結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼中擴(kuò)散速度較快，且對(duì)溫度、應(yīng)力等非常敏感，因此，定氫結(jié)果還極大地依賴于取樣時(shí)間、保存方式、定氫時(shí)間及操作規(guī)程等因素。目前國(guó)家還未有標(biāo)準(zhǔn)的鋼中氫取樣及制樣方法，工人在取樣制樣及定氫過(guò)程無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)作參照，操作過(guò)程有極大的隨機(jī)性，從而導(dǎo)致一些重點(diǎn)產(chǎn)品的定氫檢測(cè)數(shù)據(jù)較分散，檢測(cè)結(jié)果無(wú)規(guī)律可循，可信度差，無(wú)法指導(dǎo)下一步的擴(kuò)氫熱處理工藝。鐵素體鋼的用途非常廣泛，而由于bcc結(jié)構(gòu)的四面體間隙半徑較小，以間隙原子形式存在的氫在其中的溶解度極低，而氫在該類型鋼中擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較大，因此形成白點(diǎn)缺陷的敏感性極高。因此，對(duì)于一些重要的鐵素體類型鋼，一般要求其中的氫含量小于2ppm(yg/g)。例如，核電壓力容器用SA508-3鋼為鐵素體鋼，該部件常年在高溫、高壓及高輻射的環(huán)境下服役，對(duì)含氫量的要求(< O. 8ppm)比一般的鋼種(< 2ppm)更為苛刻，倘若不能準(zhǔn)確確定其中的含氫量，一方面，若檢測(cè)值較真實(shí)值偏高，則需要對(duì)其在600°C左右進(jìn)行300 500h的擴(kuò)氫熱處理，這樣不僅使得熱處理爐的使用效率大大降低，而且造成了能源的極大浪費(fèi)；另一方面，若檢測(cè)值較真實(shí)值偏低，則不能準(zhǔn)確評(píng)估鋼中真實(shí)氫含量對(duì)部件造成的潛在危害，使得核電運(yùn)行的安全性大大降低。因此，為有效、客觀地反映鋼中的氫含量，亟待發(fā)明一套科學(xué)完善的取樣-制樣-定氫檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種準(zhǔn)確確定鋼中痕量氫的取樣制樣方法，解決當(dāng)前鋼中氫含量測(cè)不準(zhǔn)這一難題，依此可以制定合理的擴(kuò)氫熱處理工藝，提升關(guān)鍵產(chǎn)品的使用安全性和提高熱處理效率，推進(jìn)節(jié)能減排政策的實(shí)施。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法，包括下料、粗加工、終加工，I)下料取工件進(jìn)行熱態(tài)或者冷態(tài)切割下料，火焰切割時(shí)各個(gè)面應(yīng)預(yù)留至少30mm的加工余量，以避免切割熱影響區(qū)對(duì)定氫分析結(jié)果的影響，即對(duì)于不同形狀和尺寸的工件，首先根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的質(zhì)量要求，選擇熱態(tài)或者冷態(tài)切割下料；初始下料必須保證足夠大的加工余量，以避免切割熱影響區(qū)對(duì)定氫分析結(jié)果的影響。2)粗加工通過(guò)鋸床或電火花線切割的加工方式將坯料粗加工為長(zhǎng)和寬為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的長(zhǎng)條形中間態(tài)試棒或直徑為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的圓柱形中間態(tài)試棒。3)終加工將粗加工后的試棒送至車床進(jìn)行精加工，達(dá)到定氫樣品的要求尺寸-直徑為3. 5 4. 5mm,高度為60 80mm的圓棒。4)預(yù)處理將定氫試棒鉗斷成定氫小樣，定氫前在分析純四氯化碳中對(duì)鉗斷的小樣進(jìn)行3 5min的超聲清洗，超聲頻率在20 40KHz之間，之后用鑷子取出定氫小樣并置于干凈的濾紙上晾干后于彡3min的時(shí)間內(nèi)稱重并定氫。熱態(tài)及冷態(tài)切割下料、樣品取制以及預(yù)處理定氫樣品的詳細(xì)步驟如下(如圖I所 示)I.熱態(tài)與冷態(tài)切割下料a、鋼坯熱態(tài)取樣鋼坯在經(jīng)鍛造加工后，當(dāng)冷卻至400 600°C時(shí)，對(duì)其進(jìn)行火焰切割下料，切割位置選擇在鍛件端頭或其它預(yù)留位置處，并避免從冒口或水口取樣；對(duì)于小型鍛件(5t以下鍛件)，可沿其端頭橫截面切下厚度不小于IOOmm的試塊；對(duì)于大型鍛件(5t及5t以上鍛件)，可從其端頭切下長(zhǎng)、寬、高均為90 IlOmm的方形試塊；經(jīng)火焰切割的樣品快速冷卻至室溫；b、工件冷態(tài)取樣經(jīng)鍛造及后續(xù)熱處理后的工件冷至室溫后，于機(jī)床上切取定氫試塊，切割位置選擇在鍛件端頭或其它預(yù)留位置處，并避免從冒口或水口處取樣；加工過(guò)程采取冷卻液冷卻，以保證加工過(guò)程中樣品溫度低于50°C ;對(duì)于小型鍛件(5t以下鍛件)，可沿其端頭橫截面切下厚度不小于70mm的試塊；對(duì)于大型鍛件(5t及5t以上鍛件)，可從其端頭切下長(zhǎng)、寬、高均為60 80mm的方形試塊。2.定氫試塊的粗加工與保存a、定氫試塊的粗加工從定氫試塊中心位置處采用鋸床或電火花線切割的方法加工制取中間態(tài)試棒；加工過(guò)程中采取冷卻液冷卻，以保證樣品溫度低于50°C;中間態(tài)試棒尺寸長(zhǎng)和寬為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的長(zhǎng)條狀試棒或直徑為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的圓柱形試棒；b、中間態(tài)試棒的保存中間態(tài)試棒具有較小的橫截面和相對(duì)較大的表面積，為避免氫在室溫的擴(kuò)散逸出，將加工完畢后的中間態(tài)試棒立即放入液氮中保存和運(yùn)輸，直至對(duì)其進(jìn)行終加工前取出。3.定氫試棒的終加工與保存a、定氫試棒的終加工將中間態(tài)試棒車削加工為直徑3. 5 4. 5mm,高60 80mm的圓柱形試棒，保證車刀及夾具的潔凈，避免接觸任何形式的油污；車削速度必須小于或等于250r/min( —般為80 250r/min)，以保證加工過(guò)程中試樣溫度不高于50°C ；b、定氫試棒的保存車削后的定氫試棒放在干凈的試樣袋中，于液氮或干冰中保存和傳遞，直至定氫分析前取出；定氫試棒的粗加工，終加工及定氫分析必須在24h之內(nèi)完成；整個(gè)過(guò)程避免潮濕和油污。
4.定氫分析前定氫試棒的預(yù)處理將車削制取后的試棒鉗斷為3 5個(gè)平均重量為1.0±0. 2g左右的小樣，置于分析純四氯化碳中以20 40KHz的工作頻率超聲清洗3 5min,以去除表面吸附氫的影響；定氫小樣經(jīng)超聲清洗后用鑷子取出并置于干凈的濾紙上自然風(fēng)干后，于彡3min的時(shí)間內(nèi)稱重并定氫。本發(fā)明的有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)當(dāng)前一些重大工程重點(diǎn)產(chǎn)品中鐵素體類型鋼的定氫分析數(shù)據(jù)分散、可信度差這一問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法。通過(guò)規(guī)范制樣時(shí)的各個(gè)環(huán)節(jié)(通過(guò)對(duì)樣品取樣方式和加工方法的控制以及定氫前對(duì)樣品進(jìn)行必要的預(yù)處理)，得到較為準(zhǔn)確且真實(shí)的定氫數(shù)據(jù)，其中有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)一是避免樣品在加工過(guò)程中的溫升從而抑制鋼中固有氫的逸出，包括下料時(shí)必須留有足夠的加工余量以及加工時(shí)轉(zhuǎn)速的精確控制；二是定氫試棒在冷卻劑(液氮或干冰等)中保存和運(yùn)輸，有效抑制在室溫放置時(shí)氫從鐵素體鋼中的逸出；三是定氫分析前對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗，以去除表面氫的影響，從而使定氫結(jié)果反映真實(shí)的鋼中固有氫含量。 本發(fā)明的制樣方法解決了當(dāng)前鋼中氫含量測(cè)不準(zhǔn)的難題，用此制樣方法制成的定氫試棒按照GB/T 223. 82-2007標(biāo)準(zhǔn)，可得到準(zhǔn)確的鋼中痕量氫含量，從而為工業(yè)生產(chǎn)中的擴(kuò)氫熱處理提供可靠數(shù)據(jù)，有助于節(jié)能減排政策的有效實(shí)施。


圖I定氫樣品加工與預(yù)處理流程圖；圖2沖芯料熱態(tài)下料圖。圖中①繳粗后的鋼徒，②沖芯料，③取樣部位。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :SA508_3鋼沖芯料熱態(tài)下料定氫樣品的制備I.預(yù)制坯熱態(tài)取樣經(jīng)鍛造加工后的沖芯料，當(dāng)冷卻至400 600°C時(shí)，在沖芯料端頭對(duì)其進(jìn)行火焰切割下料，試塊尺寸為100X 100X IOOmm(如圖2所示)。試塊快冷至室溫。2.定氫試塊的粗加工與保存a、定氫試塊的粗加工從定氫試塊中心位置處采用電火花線切割的加工方式加工制取中間態(tài)試棒；中間態(tài)試棒尺寸為4>6X60mm的圓棒。b、中間態(tài)試棒的保存中間態(tài)試棒具有較小的橫截面和相對(duì)較大的表面積，為避免氫在室溫的擴(kuò)散逸出，將加工完畢后的中間態(tài)試棒立即放入液氮中保存和運(yùn)輸，直至對(duì)其進(jìn)行終加工前取出。3.定氫試棒的終加工與保存a、定氫試棒的終加工將中間態(tài)試棒車削加工為4) 4X 60mm的定氫試樣,保證車刀及夾具的潔凈,避免接觸任何形式的油污,加工過(guò)程使用酒精冷卻；車削速度為80r/min，以保證加工過(guò)程中試樣溫度不高于50°C。b、定氫試棒的保存車削后的定氫試棒放在干凈的試樣袋中，于液氮或干冰中保存和傳遞，直至定氫分析前取出。定氫試棒的粗加工，終加工及定氫分析于24h之內(nèi)完成。整個(gè)過(guò)程避免潮濕和油污。4.定氫分析前定氫試棒的預(yù)處理將車取后的試棒鉗斷為4個(gè)平均重量為I. 0±0. 2g左右的小樣，置于分析純四氯化碳中以40KHZ的工作頻率超聲清洗3 5min，以去除表面吸附氫的影響。定氫小樣經(jīng)超聲清洗后用鑷子取出并置于干凈的濾紙上自然風(fēng)干后，于3min內(nèi)稱重并定氫。由上述方法得到的定氫樣品，按照GB/T 223. 82-2007標(biāo)準(zhǔn)，使用惰氣脈沖熔融熱導(dǎo)法測(cè)定鋼中的氫含量，多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表明，沖芯料中氫含量平均值為0. 30ppm。實(shí)施例2 :成品SA508-3鋼冷態(tài)下料定氫樣品的制備I.成品SA508-3鋼冷態(tài)取樣經(jīng)鍛后熱處理和最終熱處理并精加工后的成品樣，于機(jī)床上切取定氫試塊，切割位置選擇在為組織性能測(cè)試預(yù)留的位置處。加工過(guò)程緩慢并采取冷卻液冷卻，以保證加工過(guò)程中樣品溫度低于50°C。試塊尺寸為70X70X70mm。2.定氫試塊的粗加工與保存a、定氫試塊的粗加工從定氫試塊中心位置處采用電火花線切割的加工方式加工制取中間態(tài)試棒；中間態(tài)試棒尺寸為4>6X60mm的圓棒。b、中間態(tài)試棒的保存中間態(tài)試棒具有較小的橫截面和相對(duì)較大的表面積，為避免氫在室溫的擴(kuò)散逸出，將加工完畢后的中間態(tài)試棒立即放入液氮中保存和運(yùn)輸，直至對(duì)其進(jìn)行終加工前取出。3.定氫試棒的終加工與保存a、定氫試棒的終加工將中間態(tài)試棒車削加工為4) 4X 60mm的定氫試樣,保證車刀及夾具的潔凈,避免接觸任何形式的油污,加工過(guò)程使用酒精冷卻；車削速度為80r/min，以保證加工過(guò)程中試樣溫度不高于50°C。b、定氫試棒的保存車削后的定氫試棒放在干凈的試樣袋中，于液氮或干冰中保存和傳遞，直至定氫分析前取出。定氫試棒的粗加工，終加工及定氫分析于24h之內(nèi)完成。整個(gè)過(guò)程避免潮濕和油污。4.定氫分析前定氫試棒的預(yù)處理將車取后的試棒鉗斷為4個(gè)平均重量為
I.0±0. 2g左右的小樣，置于分析純四氯化碳中以40KHZ的工作頻率超聲清洗3 5min，以去除表面吸附氫的影響。定氫小樣經(jīng)超聲清洗后用鑷子取出并置于干凈的濾紙上自然風(fēng)干后，于3min內(nèi)稱重并定氫。由上述方法得到的定氫樣品，按照GB/T 223. 82-2007標(biāo)準(zhǔn)，使用惰氣脈沖熔融熱導(dǎo)法測(cè)定鋼中的氫含量，多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表明，成品SA508-3鋼中氫含量平均值為0. 25ppm。對(duì)比例I :成品SA508-3鋼冷態(tài)下料定氫樣品的制備I.成品SA508-3鋼冷態(tài)取樣經(jīng)鍛后熱處理、最終熱處理及機(jī)加工后的成品樣，于機(jī)床上切取定氫試塊，切割位置選擇在為組織性能測(cè)試預(yù)留的位置處。加工過(guò)程緩慢并采取冷卻液冷卻，以保證加工過(guò)程中樣品溫度低于50°C。試塊尺寸為70X 70X 70mm。2.定氫試塊的粗加工從定氫試塊中心位置處采用電火花線切割的加工方式加工制取中間態(tài)試棒；中間態(tài)試棒尺寸為4>6X60mm的圓棒。3.定氫試棒的終加工與保存a、將中間態(tài)試棒車削加工為(j54X60mm的定氫試樣，加工過(guò)程使用油性冷卻液冷卻；車削速度為80r/min，以保證加工過(guò)程中試樣溫度不高于50°C。b、車削后的定氫試棒放在干凈的試樣袋中保存和傳遞，并避免潮濕和油污。4.定氫分析前定氫試棒的預(yù)處理將車取后的試棒鉗斷為4個(gè)平均重量為1.0±0. 2g左右的小樣，置于分析純四氯化碳中浸泡3 5min去油，之后用鑷子取出并置于干凈的濾紙上自然風(fēng)干后，于3min內(nèi)稱重并定氫。由上述方法得到的定氫樣品，按照GB/T 223. 82-2007標(biāo)準(zhǔn)，使用惰氣脈沖熔融熱導(dǎo)法測(cè)定鋼中的氫含量，得到的定氫結(jié)果數(shù)據(jù)較為分散，列舉不同批次測(cè)的同一試塊加工 而成的定氫試棒中的氫含量數(shù)據(jù)如下1. OOppm, I. 90ppm, 2. 50ppm, 3. 20ppm。結(jié)果表明，定氫前的浸泡去油處理，難以完全去除定氫樣品的 表面氫，從而導(dǎo)致定氫結(jié)果偏高且極為分散。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法，包括下料、粗加工、終加工及預(yù)處理，其特征在于 1)下料取工件進(jìn)行熱態(tài)或者冷態(tài)切割下料，火焰切割時(shí)各個(gè)面應(yīng)預(yù)留至少30mm的加工余量，以避免切割熱影響區(qū)對(duì)定氫分析結(jié)果的影響； 2)粗加工通過(guò)鋸床或電火花線切割的加工方式將坯料粗加工為長(zhǎng)和寬為5.5 6. 5mm,高為60 80mm的長(zhǎng)條形中間態(tài)試棒或直徑為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的圓柱形中間態(tài)試棒； 3)終加工將粗加工后的試棒送至車床進(jìn)行精加工,達(dá)到定氫樣品的要求尺寸——直徑為3. 5 4. 5mm,高度為60 80_的圓棒； 4)預(yù)處理將定氫試棒鉗斷成定氫小樣，定氫前在分析純四氯化碳中對(duì)鉗斷的小樣進(jìn)行3 5min的超聲清洗，超聲頻率在20 40KHz之間，之后用鑷子取出定氫小樣并置于干凈的濾紙上晾干后于彡3min的時(shí)間內(nèi)稱重并定氫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制樣方法，其特征在于熱態(tài)與冷態(tài)切割下料a、鋼坯熱態(tài)取樣鋼坯在經(jīng)鍛造加工后，當(dāng)冷卻至400 600°C時(shí)，對(duì)其進(jìn)行火焰切割下料，切割位置選擇在鍛件端頭或其它預(yù)留位置處，并避免從冒口或水口取樣。對(duì)于小型鍛件，可沿其端頭橫截面切下厚度不小于IOOmm的試塊；對(duì)于大型鍛件，可從其端頭切下長(zhǎng)、寬、高均為90 IlOmm的方形試塊；經(jīng)火焰切割的樣品快速冷卻至室溫；b、工件冷態(tài)取樣經(jīng)鍛造及后續(xù)熱處理后的工件冷至室溫后，于機(jī)床上切取定氫試塊，切割位置選擇在鍛件端頭或其它預(yù)留位置處，并避免從冒口或水口處取樣；加工過(guò)程采取冷卻液冷卻，以保證加工過(guò)程中樣品溫度低于50°C ;對(duì)于小型鍛件，可沿其端頭橫截面切下厚度不小于70_的試塊；對(duì)于大型鍛件，可從其端頭切下長(zhǎng)、寬、高均為60 80_的方形試塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制樣方法，其特征在于定氫試塊的粗加工與保存a、定氫試塊的粗加工從定氫試塊中心位置處采用鋸床或電火花線切割的方法加工制取中間態(tài)試棒；加工過(guò)程中采取冷卻液冷卻，以保證樣品溫度低于50°C ;中間態(tài)試棒尺寸長(zhǎng)和寬為5.5 6. 5mm,高為60 80mm的長(zhǎng)條狀試棒或直徑為5. 5 6. 5mm,高為60 80mm的圓柱形試棒；b、中間態(tài)試棒的保存中間態(tài)試棒具有較小的橫截面和相對(duì)較大的表面積,為避免氫在室溫的擴(kuò)散逸出，將加工完畢后的中間態(tài)試棒立即放入液氮中保存和運(yùn)輸，直至對(duì)其進(jìn)行終加工前取出。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制樣方法，其特征在于定氫試棒的終加工與保存a、定氫試棒的終加工將中間態(tài)試棒車削加工為直徑3. 5 4. 5mm，高60 80mm的圓柱形試棒，保證車刀及夾具的潔凈，避免接觸任何形式的油污；車削速度必須小于或等于250r/min，以保證加工過(guò)程中試樣溫度不高于50°C ;b、定氫試棒的保存車削后的定氫試棒放在干凈的試樣袋中，于液氮或干冰中保存和傳遞，直至定氫分析前取出；定氫試棒的粗加工，終加工及定氫分析必須在24h之內(nèi)完成；整個(gè)過(guò)程避免潮濕和油污。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制樣方法，其特征在于定氫分析前定氫試棒的預(yù)處理將車削制取后的試棒鉗斷為3 5個(gè)平均重量為I. 0±0. 2g左右的小樣，置于分析純四氯化碳中以20 40KHz的工作頻率超聲清洗3 5min，以去除表面吸附氫的影響；定氫小樣經(jīng)超聲清洗后用鑷子取出并置于干凈的濾紙上自然風(fēng)干后，于< 3min的時(shí)間內(nèi)稱重并定氫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)確測(cè)定鋼中痕量氫的制樣方法，通過(guò)對(duì)樣品取樣方式和加工方法的控制以及定氫前對(duì)樣品進(jìn)行必要的預(yù)處理，可以測(cè)得鋼中準(zhǔn)確的含氫量，有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)一避免樣品在加工過(guò)程中的溫升從而抑制鋼中固有氫的逸出，包括下料時(shí)必須留有足夠的加工余量以及加工時(shí)轉(zhuǎn)速的精確控制；二是定氫試棒在冷卻劑中保存和運(yùn)輸，有效抑制在室溫放置時(shí)氫從鐵素體鋼中的逸出；三是定氫分析前對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗，以去除表面氫的影響，使定氫結(jié)果反映真實(shí)的鋼中固有氫含量。解決了當(dāng)前鋼中氫含量測(cè)不準(zhǔn)的難題，用此法制成的定氫試棒按照GB/T 223.82-2007標(biāo)準(zhǔn)，可得到準(zhǔn)確的鋼中痕量氫含量，為工業(yè)生產(chǎn)中的擴(kuò)氫熱處理提供可靠數(shù)據(jù)，有助于節(jié)能減排政策的有效實(shí)施。
文檔編號(hào)G01N1/04GK102778370SQ20111012506
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者孫明月, 朱躍進(jìn), 李依依, 李殿中, 郝露菡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所