無損電解提取彈簧鋼中夾雜物實(shí)驗(yàn)研究

張 波，崔鑫波，嚴(yán) 怡，祝文濤，黃羅翼，湯泳濤

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

無損電解提取彈簧鋼中夾雜物實(shí)驗(yàn)研究

張 波，崔鑫波，嚴(yán) 怡，祝文濤，黃羅翼，湯泳濤

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

以非水電解液為介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種無損電解彈簧鋼方法，并在某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)冶煉51CrV4彈簧鋼過程中，對(duì)LF精煉開始和鈣處理結(jié)束時(shí)分別取鋼樣進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)，采用掃描電鏡和能譜分析對(duì)電解得到的夾雜物進(jìn)行形貌、尺寸和成分檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在LF精煉開始時(shí)夾雜物主要為不規(guī)則多邊形，平均尺寸為25 μm；經(jīng)過鈣處理后，夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐危骄叽鐬?4 μm。實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)經(jīng)鈣處理后夾雜物表面出現(xiàn)高熔點(diǎn)CaS富集，表明在鈣處理時(shí)喂鈣量過高，應(yīng)在冶煉過程中適當(dāng)降低。

無損；電解；彈簧鋼；夾雜物

0 引言

彈簧鋼是一種非常重要的機(jī)械設(shè)備零件制造原材料，用其制造的零件需要承受較大的交變應(yīng)力，所以對(duì)其綜合性能要求十分嚴(yán)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)80%以上彈簧零部件失效是由疲勞破壞引起的，而鋼中大型不變形夾雜物是導(dǎo)致彈簧疲勞破壞的主要因素[1-6]。目前，鋼鐵企業(yè)對(duì)鋼水潔凈度的檢測(cè)法主要采用全氧含量檢測(cè)法和金相法，全氧含量檢測(cè)可在一定程度上對(duì)鋼中夾雜物總量進(jìn)行定量分析，但無法得到鋼中夾雜物的形貌、尺寸及種類情況。金相法能對(duì)鋼中夾雜物數(shù)量及粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但檢測(cè)結(jié)果具較大隨機(jī)性。

本文以某鋼企冶煉生產(chǎn)的高性能合金彈簧鋼51CrV4為例，采用非水電解液對(duì)鋼樣進(jìn)行無損電解，提取鋼中夾雜物，并借助掃描電鏡對(duì)夾雜物的形貌、成分及尺寸大小進(jìn)行分析，以期為提高51CrV4彈簧鋼的潔凈冶煉提供參考依據(jù)。

1 夾雜物電解提取方法

鋼中夾雜物的電解實(shí)驗(yàn)是利用鋼的基體和夾雜物在電解液中的溶解電位差別，通過選取合適的電解條件，使鋼的基體發(fā)生溶解，而夾雜物得以保留的一種檢測(cè)方法。在電解過程中要求電解液對(duì)夾雜物的侵蝕性盡可能小，且夾雜物易從電解物中分離[7]。為此，本次電解實(shí)驗(yàn)采用四甲基氯化銨為導(dǎo)電劑、無水甲醇為溶劑、丙三醇和三乙醇胺為絡(luò)合劑的非水電解液。電解液成分及主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 電解實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters setting in the process of the electrolysis experiment

電解裝置如圖1所示。

圖1 電解裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electrolysis units

在電解過程中，控制試樣的電流密度在0.1～0.3 A/cm2，當(dāng)電流密度過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陽極溶解速度太快，電極表面及電解液溫度迅速上升，從而導(dǎo)致陽極電化學(xué)過腐蝕、金屬微粒剝落、樣品表面惡化、提取相被溶解等問題。為控制電解速度，盡可能使鋼的基體電解完全，電解液溫度控制在-5～5℃，并在電解過程中通入氬氣以防止其氧化，同時(shí)通入氬氣可以起攪拌作用，加快電解過程中的傳質(zhì)，氬氣流量控制在6 mL/min左右。

在電解槽中以待電解試樣為陽極，以不銹鋼圓筒為陰極，將整個(gè)電解槽放置在冰箱中進(jìn)行控溫。電解前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，以除去樣品表面的氧化膜及油污，待干燥稱重后進(jìn)行電解。電解時(shí)鋼的基體會(huì)以離子的形態(tài)進(jìn)入溶液而溶解，非金屬夾雜物則不被電解。電解過程的主要反應(yīng)如下。

在陽極處發(fā)生氧化反應(yīng)，為

陰極處發(fā)生還原反應(yīng)，為

在電解過程中，根據(jù)電解液的變化情況，每隔4 h更換一次電解液，電解完畢取出試樣，將試樣上的陽極殘留物以及電解液一并轉(zhuǎn)入燒杯，進(jìn)一步分離夾雜物。為了完整保留各種類型的夾雜物，可以使用物理的磁選方法進(jìn)行分離。其過程是先用無水乙醇將其稀釋，再經(jīng)過超聲處理，將滲碳體與夾雜物充分分散，然后通過磁鐵將帶磁性的滲碳體等從夾雜物中分離出來。

經(jīng)分離后的夾雜物采用導(dǎo)電膠進(jìn)行粘連，并通過掃描電鏡對(duì)夾雜物形貌、尺寸及成分進(jìn)行分析，圖2為在掃描電鏡下觀察到的夾雜物形貌照片。

圖2 電解提取后夾雜物形貌及尺寸Fig. 2 Morphology and size of inclusions after the electrolytic extraction

相比于傳統(tǒng)的顯微夾雜物檢測(cè)方法（金相法、圖譜法），采用電解法可更加直觀地看到鋼中夾雜物的形態(tài)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合能譜儀對(duì)夾雜物顆粒進(jìn)行化學(xué)成分和粒徑大小的統(tǒng)計(jì)分析，可得到不同成分或不同形狀?yuàn)A雜物的數(shù)量及粒徑分布信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼中夾雜物的全面分析。

2 鋼中夾雜物分析

由于彈簧長期處于交變應(yīng)力下工作，疲勞斷裂是其最主要的破壞形式。而鋼中D類和Ds類點(diǎn)狀不變形夾雜物是導(dǎo)致彈簧疲勞破壞的主要原因，為此，開展彈簧鋼冶煉過程中夾雜物形態(tài)及尺寸分布演變過程的研究，對(duì)提高其疲勞壽命具有重要意義。

51CrV4彈簧鋼是一種優(yōu)質(zhì)合金彈簧鋼，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備零件制造中。51CrV4彈簧鋼冶煉工藝如下：轉(zhuǎn)爐→LF（Ladle Furnace）精煉→RH精煉（鋼液循環(huán)脫氣法）→鈣處理（軟吹）→連鑄。在冶煉過程中鋼水首先經(jīng)過LF精煉完成溫度和成分控制；然后，通過RH精煉過程對(duì)鋼水進(jìn)行脫氣處理，降低鋼中H、N元素含量并促進(jìn)大尺寸夾雜物的上??；最后，在鋼包內(nèi)對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理，對(duì)夾雜物進(jìn)行改質(zhì)變性，并保證12 min以上的軟吹時(shí)間，促進(jìn)夾雜物的上浮以便去除。

本次實(shí)驗(yàn)分別在LF精煉開始（試樣1）和鈣處理結(jié)束時(shí)（試樣2）取鋼水提樣，并通過線切割制成φ10 mm×120 mm的圓棒樣進(jìn)行電解。通過能譜儀對(duì)不同類型夾雜物的成分進(jìn)行檢測(cè)，其中典型夾雜物成分如圖3～4所示。

圖3 試樣1電解提取典型夾雜物結(jié)果Fig. 3 Morphology and composition of inclusions after the electrolytic extraction of sample 1

圖4 試樣2電解提取典型夾雜物結(jié)果Fig. 4 Morphology and composition of inclusions after the electrolytic extraction of sample 2

從圖3～4中夾雜物分析結(jié)果可以看出，在精煉開始階段和連鑄階段，鋼中夾雜物的形貌和成分完全不同。在精煉開始階段，鋼中夾雜物為脫氧產(chǎn)物，其成分為SiO2夾雜、Al2O3夾雜以及部分Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜，從形貌上看夾雜物為不規(guī)則多邊形，平均尺寸為25 μm。經(jīng)過RH精煉后，夾雜物基本上轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐?，主要為CaO-Al2O3復(fù)合夾雜，平均尺寸為14 μm；還存在一些CaO-Al2O3-MgO夾雜，此類夾雜物主要以Al2O3-MgO尖晶石為內(nèi)核，外面包裹著低熔點(diǎn)的CaO-Al2O3，這是由于51CrV4鋼精煉在冶煉后期進(jìn)行了鈣處理，將不規(guī)則的Al2O3類夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐蜟aO-Al2O3夾雜，從而減少夾雜物對(duì)鋼材質(zhì)量的影響；但在部分球狀?yuàn)A雜物表面發(fā)現(xiàn)有高熔點(diǎn)CaS富集，此類夾雜物尺寸偏大且難以去除。據(jù)文獻(xiàn)[8-10]分析，此類夾雜物主要是由于在鈣處理過程中喂鈣量過高導(dǎo)致，因此，應(yīng)適當(dāng)降低鈣處理過程中的喂鈣量。

3 結(jié)論

1）通過電解的方式能較完整得到鋼中夾雜物，通過掃描電解和能譜分析可檢測(cè)得到夾雜物形貌、尺寸及組成等信息；

2）采用電解的方法分別對(duì)51CrV4彈簧鋼冶煉過程中LF精煉開始和鈣處理結(jié)束時(shí)的鋼樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)夾雜物進(jìn)行檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，在LF精煉開始時(shí)夾雜物主要為不規(guī)則多邊形，平均尺寸為25 μm，在經(jīng)過鈣處理后，夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐?，平均尺寸?4 μm。

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（責(zé)任編輯：申 劍）

Study on the Extraction of Inclusions in Spring Steel Using the Method of Non-Destructive Electrolysis

ZHANG Bo，CUI Xinbo，YAN Yi，ZHU Wentao，HUANG Luoyi，TANG Yongtao
（School of Metallurgical and Material Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

With non-aqueous electrolyte as the medium, a non-destructive electrolytic method has been adopted to extract inclusions from spring steel. An electrolytic experiment has been carried out on the steel samples at the beginning of the LF re fi ning and at the end of the calcium treatment in the process of smelting 51CrV4 spring steel in a steel enterprise, followed by an examination of the morphology, size and composition of the inclusions by scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analysis. The results show that the inclusions are mainly irregular polygons in shape, with the average size about 25 μm at the beginning of LF refining, which are transformed into spherical shapes after the calcium treatment, with the average size reduced to 14 μm. It has also been found that there is a concentration of CaS with a high melting point on the surface of inclusions, indicating that the calcium content tends to be very high in the process of calcium treatment, which should be properly reduced in the process of smelting.

non-destructive；electrolysis；spring steel；slag inclusion

TF769

A

1673-9833(2017)04-0055-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.04.010

2017-02-26

省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（G201603），湖南工業(yè)大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目

張 波（1985-），男，湖北荊州人，湖南工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事純凈鋼冶煉技術(shù)方面的研究，E-mail：tale-2002@163.com

崔鑫波（1994-），男，山西長治人，湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)生，主要研究方向?yàn)橐苯鸸こ蹋珽-mail：cxb351604@163.com