检测热处理过程中夹杂物与合金基体之间固相反应的方法

技术领域

本发明属于炼钢工艺技术领域，提供了一种检测热处理过程中夹杂物与合金基体之间固 相反应的方法。

背景技术

合金生产过程中，经过热处理和轧制工序后在合金基体中最终所形成的夹杂物种类、数 量、尺寸、形貌特征以及物化特性，直接影响着合金产品的质量和性能，而此类夹杂物与合 金液凝固前其内部初始存在的夹杂物往往存在较大的差异性，其中一个主要原因在于，合金 基体经历的后续热处理工艺不仅能够改变金属材料的组织结构与性能，同时也会对其内部夹 杂物造成影响，固态金属材料与夹杂物之间易发生固相二次氧化反应，从而造成合金基体成 分偏析、原有夹杂物的变性以及新夹杂物的析出。

在合金产品实际生产过程中，许多情况下正是由于热处理过程中夹杂物-合金基体间的固 相反应，破坏了合金基体的整体韧性、易疲劳性以及延展性等性质，给合金产品造成质量损 害。一般情况下采用EPMA或SEM-EDS等方法直接观察和分析夹杂物在热处理过程中形貌、 成分等特性的变化情况，然而由于夹杂物尺寸极小的限制，夹杂物与合金基体之间固相反应 所带来的变化往往不易察觉，而且目前国内外该领域的研究主要集中于夹杂物本身特性在热 处理过程中的改变，对于夹杂物与合金基体交界面处的情况以及对合金基体成分、性质的影 响研究甚少，且经过国内外的数据库检索并仔细比对后未发现与本申报专利技术相同或相似 的方法或技术。因此，需要提出一种能够充分揭示热处理过程中夹杂物与合金基体之间固相 反应及其机理的检测方法，以正确的指导热处理工艺进而实现更好的对合金中夹杂物的控制。

发明内容

本专利申请技术发明了一种检测热处理过程中夹杂物与合金基体之间固相反应的方法， 可有效避免由于夹杂物尺寸过小所带来的不便，从而能够充分分析热处理过程中夹杂物、合 金基体以及二者交界面处成分、物相的变化的情况，揭示其固相反应机理，为指导热处理工 艺和夹杂物控制提供了重要的分析依据和方法基础。

实际合金产品热处理过程中，非金属夹杂物与合金基体二者所组成的系统中氧分压非常 低，因此，本方法的整个过程中需要采用抽真空和氩气保护的方式以消除周围环境中的氧对 于夹杂物和合金基体固相反应的影响。该方法其特征在于，包括如下步骤：

a.高温预熔过程：将合金基体切割成边长为2.5--3.5mm的正方体，并在合金基体上表面 钻得直径为1.4--1.6mm的半圆孔洞以放置粉状夹杂物，接着将二者置于高温共聚焦激光显微 镜所用坩埚内，并对实验腔室进行抽真空处理，真空度应低于5.0×10^-3Pa。随后，室内引入 Ar气并在坩埚四周缠绕Ti箔进行保护以减少合金基体的氧化，如图1所示。夹杂物预熔过 程中，温度由室温升高至约高于夹杂物熔点后马上急冷降至室温，使得夹杂物得到有效淬火 处理；在高温预熔过程中，应将温度升高至大于夹杂物熔点40K～60K后急冷，升温速率为 80K/min～120K/min，急冷速率应达到1000K/min以上。

b.石英管密封过程：将粘接良好的夹杂物和合金基体样品置于内径9--11mm的石英管 内，采用封管设备将管内抽真空处理后充入高纯氩气进行密封保护处理，以防止合金基体在 高温下被氧气氧化，如图2所示；在石英管密封过程中，Ti箔和块状同成分合金基体随样品 一同密封入石英管内，块状同成分合金基体位于Ti箔和样品之间。

c.热处理过程：利用高温管式炉基于一定的温度曲线对石英管整体进行拟定好的热处理 工艺，热处理过程完成后，从炉内取出石英管对其进行冰水淬火，温度曲线如图3所示，冷 却后从管内取出样品进行树脂样品的制备；热处理温度曲线为先将石英管整体从室温下升温 至1473K温度，升温速率大于120K/min，接着在1473K温度下保温5h以上，最后对石英管 进行淬火，急冷速率应达到1000K/min以上。

d.制样过程：采用砂纸和抛光设备对样品纵截面进行打磨、抛光，利用EPMA检测设备 对纵截面处夹杂物与合金基体交界面形貌、各自成分以及物相进行观察、检测与分析。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明在有效降低环境氧分压的基础上，通过采用扩散偶的方法，有效克服了现有技 术中夹杂物过小而不易观察的缺点，夹杂物与合金基体交界面情况得以更为清晰的呈现；

2.本发明中夹杂物尺寸的增大使得热处理过程中夹杂物与合金基体之间的相互影响作 用加剧，合金基体中的合金元素以及夹杂物中成分变化趋势更为明显，更能准确把握热处理 时二者固相反应机理，大大缩短了现有技术寻找和检测单个细小夹杂物成分的时间。

附图说明

图1为预熔合金基体上夹杂物实验装置示意图，主要包括合金基体、夹杂物粉末、氧化 铝坩埚、Ti箔、保护性Ar进出口位置等。

图2为粘接良好的夹杂物-合金基体样品、合金块以及降氧分压用Ti箔密封于石英管示 意图，管内充Ar保护，Ar气压力为2×10⁴Pa。

图3为热处理过程的温度曲线示意图。

图4为在高温共聚焦激光显微镜粘接实验后Fe-Mn-Si钢基体合金与MnO-SiO₂-FeO-MnS 系氧化物二者交界面情况。图4中编号1、2、3、4、5、6、7分别表示不同位置的氧化物夹 杂和颗粒物质的成份含量，8是单质铁颗粒的成份含量，如表1所示。

表1

图5为粘接实验后Fe-Mn-Si钢基体合金与MnO-SiO₂-FeO-MnS系氧化物在1473K温度 下热处理10h时二者交界面情况。图5中编号1、2、3、4、5、6、7分别表示不同位置的氧 化物夹杂和颗粒物质的成份含量，8是单质铁颗粒的成份含量，如表2所示。

表2

图6为粘接实验后Fe-Mn-Si钢基体合金与MnO-SiO₂-FeO-MnS系氧化物在1473K温度 下热处理50h时二者交界面情况。图6中编号1、2、3、4、5、6、7分别表示不同位置的氧 化物夹杂和颗粒物质的成份含量，8是单质铁颗粒的成份含量，如表3所示。

表3

图7为在1473K温度下热处理前后靠近交界面处钢基体中Mn成分变化情况。

图8为在1473K温度下热处理前后靠近交界面处钢基体中Si成分变化情况。

具体实施方式：

实施例：

(1)采用此方法研究Fe-Mn-Si钢基体合金与MnO-SiO₂-FeO-MnS系氧化物夹杂之间在 1473K温度下热处理过程中的固相反应及其机理，合金与氧化物各自初始化学成分分别为：

Fe-Mn-Si合金：Fe:Bal.,Mn:3.10％,Si:0.10％；

MnO-SiO₂-FeO氧化物夹杂：MnO:66％,SiO₂:31％,FeO:3％。

(2)如图1所示，将合金与氧化物样品置于高温共聚焦激光显微镜所使用氧化铝坩埚内， 以100K/min速率升温至1673K(约高于氧化物熔点50K)后迅速降低温度至室温，降温速率 达1000K/min；随后，将样品横截面进行打磨、抛光，并进行EPMA观察和检测分析，如图 4所示，氧化物夹杂析出了灰色2MnO-SiO₂相和黑色MnO-SiO₂相，以及少量白色铁颗粒， 在靠近交界面处的合金内出现了少量MnO-SiO₂类型夹杂物颗粒。

(3)重复步骤(2)中预熔过程，随后，将合金-氧化物粘接良好的样品、Ti片以及用于 阻隔样品的同成分块状合金密封于石英管内(外径：12mm，内径：10mm)，如图2所示。管 内抽真空后充入氩气保护，P_Ar＝2×10⁴Pa。接着，将石英管置于高温感应炉内在1473K温度 下分别保温10h和50h，而后取出采用冰水淬火。样品横截面上的合金和氧化物的成分与物 相以及二者交界面情况采用EPMA方法检测分析。如图5～图8所示。图5和图6所示分别为 在1473K温度下热处理10h和50h后合金与氧化物夹杂交界面情况以及各相成分，由图可知， 氧化物夹杂同样析出了灰色2MnO-SiO₂相和黑色MnO-SiO₂相，以及少量白色铁颗粒，黑色 MnO-SiO₂相所占比例逐渐增大，而白色铁颗粒的尺寸也呈增大趋势。图7和图8所示分别为 1473K温度下热处理前后靠近交界面处合金基体中Mn和Si成分变化情况。由图可知，热处 理10h后，靠近交界面处合金基体中Mn、Si含量逐渐降低，分别由初始含量3.1％和0.1％， 下降至最低值的1.2％和0.001％。然而，在离交界面15μm或更少的距离以内，合金基体内 Mn、Si含量又由最低值略微上升。热处理50h后，合金基体中Mn、Si含量下降区域宽度逐 渐增大，Mn含量最低值以及最低值的位置均略微增大，分别到1.5％和30μm，而对于Si含 量而言，Si含量最低值以及最低值的位置分别为0％和70μm。

由图5～图8可知，在1473K热处理过程中，Fe-Mn-Si钢基体合金与MnO-SiO₂-FeO-MnS 系氧化物之间发生了固相反应，氧化物中部分FeO发生分解导致分布均匀的单质铁颗粒出现， 而其分解所产生过量的氧则由氧化物中扩散至合金中与其内Mn、Si元素发生反应，一方面 造成图7和图8中所示Mn、Si含量的降低，另一方面导致在氧化物合金界面处产生了如图5 和图6中所示的MnO-SiO₂等类型夹杂物颗粒。该现象表明，本种种检测热处理过程中非金 属夹杂物与钢基体之间固相反应的方法能够有效反映非金属夹杂物(氧化物)与钢基体之间 的固相反应及其机理，具有重要的实验和生产指导作用以及良好的应用推广前景。