一种准确测定钢中痕量氢的制样方法

摘要

本发明涉及一种准确测定钢中痕量氢的制样方法，通过对样品取样方式和加工方法的控制以及定氢前对样品进行必要的预处理，可以测得钢中准确的含氢量，有三个关键点：一避免样品在加工过程中的温升从而抑制钢中固有氢的逸出，包括下料时必须留有足够的加工余量以及加工时转速的精确控制；二是定氢试棒在冷却剂中保存和运输，有效抑制在室温放置时氢从铁素体钢中的逸出；三是定氢分析前对样品进行超声清洗，以去除表面氢的影响，使定氢结果反映真实的钢中固有氢含量。解决了当前钢中氢含量测不准的难题，用此法制成的定氢试棒按照GB/T 223.82-2007标准，可得到准确的钢中痕量氢含量，为工业生产中的扩氢热处理提供可靠数据，有助于节能减排政策的有效实施。

说明书

技术领域

本发明涉及化学成分分析与制样方法技术领域，具体为一种准确测定 钢中痕量氢的制样方法，通过对样品取样方式和加工方法的控制以及定氢 前对样品进行必要的预处理，可以测得钢中准确的含氢量。

背景技术

众所周知，钢中气体对钢材质量有极大的影响，钢中的氢，氧，氮等 气体是钢锭中出现疏松，气泡等缺陷的主要原因，其中氢更是造成钢中白 点和韧塑性下降的根本原因。准确地测定钢中氢含量，为冶炼工艺提供可 靠的数据，以便控制其含量范围对提高产品质量至关重要。而测试数据的 准确性如何，关键在于试样是否具有代表性和制样方法是否合理。对于钢 中氢的测定，即使是同一炉取样，在同一台仪器上分析，其结果由于取样、 制样过程的不同仍会出现较大差异。另外由于氢的原子半径较小，其在钢 铁材料，特别是在具有体心立方bcc结构的铁素体钢中扩散速度较快，且对 温度、应力等非常敏感，因此，定氢结果还极大地依赖于取样时间、保存 方式、定氢时间及操作规程等因素。

目前国家还未有标准的钢中氢取样及制样方法，工人在取样制样及定 氢过程无相应的标准作参照，操作过程有极大的随机性，从而导致一些重 点产品的定氢检测数据较分散，检测结果无规律可循，可信度差，无法指 导下一步的扩氢热处理工艺。

铁素体钢的用途非常广泛，而由于bcc结构的四面体间隙半径较小，以 间隙原子形式存在的氢在其中的溶解度极低，而氢在该类型钢中扩散系数 相对较大，因此形成白点缺陷的敏感性极高。因此，对于一些重要的铁素 体类型钢，一般要求其中的氢含量小于2ppm(μg/g)。例如，核电压力容器 用SA508-3钢为铁素体钢，该部件常年在高温、高压及高辐射的环境下服 役，对含氢量的要求(＜0.8ppm)比一般的钢种(＜2ppm)更为苛刻，倘 若不能准确确定其中的含氢量，一方面，若检测值较真实值偏高，则需要 对其在600℃左右进行300～500h的扩氢热处理，这样不仅使得热处理炉的 使用效率大大降低，而且造成了能源的极大浪费；另一方面，若检测值较 真实值偏低，则不能准确评估钢中真实氢含量对部件造成的潜在危害，使 得核电运行的安全性大大降低。

因此，为有效、客观地反映钢中的氢含量，亟待发明一套科学完善的 取样-制样-定氢检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确确定钢中痕量氢的取样制样方法，解决 当前钢中氢含量测不准这一难题，依此可以制定合理的扩氢热处理工艺， 提升关键产品的使用安全性和提高热处理效率，推进节能减排政策的实施。

本发明的技术方案为：

一种准确测定钢中痕量氢的制样方法，包括下料、粗加工、终加工，

1)下料：取工件进行热态或者冷态切割下料，火焰切割时各个面应预 留至少30mm的加工余量，以避免切割热影响区对定氢分析结果的影响， 即对于不同形状和尺寸的工件，首先根据实际产品的质量要求，选择热态 或者冷态切割下料；初始下料必须保证足够大的加工余量，以避免切割热 影响区对定氢分析结果的影响。

2)粗加工：通过锯床或电火花线切割的加工方式将坯料粗加工为长和 宽为5.5～6.5mm，高为60～80mm的长条形中间态试棒或直径为5.5～6.5mm， 高为60～80mm的圆柱形中间态试棒。

3)终加工：将粗加工后的试棒送至车床进行精加工，达到定氢样品的 要求尺寸——直径为3.5～4.5mm，高度为60～80mm的圆棒。

4)预处理：将定氢试棒钳断成定氢小样，定氢前在分析纯四氯化碳中 对钳断的小样进行3～5min的超声清洗，超声频率在20～40KHz之间，之 后用镊子取出定氢小样并置于干净的滤纸上晾干后于≤3min的时间内称重 并定氢。

热态及冷态切割下料、样品取制以及预处理定氢样品的详细步骤如下 (如图1所示)：

1.热态与冷态切割下料：

a、钢坯热态取样：钢坯在经锻造加工后，当冷却至400～600℃时，对 其进行火焰切割下料，切割位置选择在锻件端头或其它预留位置处，并避 免从冒口或水口取样；对于小型锻件(5t以下锻件)，可沿其端头横截面切 下厚度不小于100mm的试块；对于大型锻件(5t及5t以上锻件)，可从其 端头切下长、宽、高均为90～110mm的方形试块；经火焰切割的样品快速 冷却至室温；

b、工件冷态取样：经锻造及后续热处理后的工件冷至室温后，于机床 上切取定氢试块，切割位置选择在锻件端头或其它预留位置处，并避免从 冒口或水口处取样；加工过程采取冷却液冷却，以保证加工过程中样品温 度低于50℃；对于小型锻件(5t以下锻件)，可沿其端头横截面切下厚度不 小于70mm的试块；对于大型锻件(5t及5t以上锻件)，可从其端头切下长、 宽、高均为60～80mm的方形试块。

2.定氢试块的粗加工与保存：

a、定氢试块的粗加工：从定氢试块中心位置处采用锯床或电火花线切 割的方法加工制取中间态试棒；加工过程中采取冷却液冷却，以保证样品 温度低于50℃；中间态试棒尺寸：长和宽为5.5～6.5mm，高为60～80mm的 长条状试棒或直径为5.5～6.5mm，高为60～80mm的圆柱形试棒；

b、中间态试棒的保存：中间态试棒具有较小的横截面和相对较大的表 面积，为避免氢在室温的扩散逸出，将加工完毕后的中间态试棒立即放入 液氮中保存和运输，直至对其进行终加工前取出。

3.定氢试棒的终加工与保存：

a、定氢试棒的终加工：将中间态试棒车削加工为直径3.5～4.5mm，高 60～80mm的圆柱形试棒，保证车刀及夹具的洁净，避免接触任何形式的油 污；车削速度必须小于或等于250r/min(一般为80～250r/min)，以保证加工 过程中试样温度不高于50℃；

b、定氢试棒的保存：车削后的定氢试棒放在干净的试样袋中，于液氮 或干冰中保存和传递，直至定氢分析前取出；定氢试棒的粗加工，终加工 及定氢分析必须在24h之内完成；整个过程避免潮湿和油污。

4.定氢分析前定氢试棒的预处理：将车削制取后的试棒钳断为3～5个 平均重量为1.0±0.2g左右的小样，置于分析纯四氯化碳中以20～40KHz的 工作频率超声清洗3～5min，以去除表面吸附氢的影响；定氢小样经超声清 洗后用镊子取出并置于干净的滤纸上自然风干后，于≤3min的时间内称重 并定氢。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：针对当前一些重大工程重点产 品中铁素体类型钢的定氢分析数据分散、可信度差这一问题，本发明提出 了一种准确测定钢中痕量氢的制样方法。通过规范制样时的各个环节(通 过对样品取样方式和加工方法的控制以及定氢前对样品进行必要的预处 理)，得到较为准确且真实的定氢数据，其中有三个关键点：一是避免样品 在加工过程中的温升从而抑制钢中固有氢的逸出，包括下料时必须留有足 够的加工余量以及加工时转速的精确控制；二是定氢试棒在冷却剂(液氮 或干冰等)中保存和运输，有效抑制在室温放置时氢从铁素体钢中的逸出； 三是定氢分析前对样品进行超声清洗，以去除表面氢的影响，从而使定氢 结果反映真实的钢中固有氢含量。

本发明的制样方法解决了当前钢中氢含量测不准的难题，用此制样方 法制成的定氢试棒按照GB/T 223.82-2007标准，可得到准确的钢中痕量氢 含量，从而为工业生产中的扩氢热处理提供可靠数据，有助于节能减排政 策的有效实施。

附图说明

图1定氢样品加工与预处理流程图；

图2冲芯料热态下料图。图中：①镦粗后的钢锭，②冲芯料，③取样 部位。

具体实施方式

实施例1：SA508-3钢冲芯料热态下料定氢样品的制备

1.预制坯热态取样：经锻造加工后的冲芯料，当冷却至400～600℃时， 在冲芯料端头对其进行火焰切割下料，试块尺寸为100×100×100mm(如图 2所示)。试块快冷至室温。

2.定氢试块的粗加工与保存：a、定氢试块的粗加工：从定氢试块中心 位置处采用电火花线切割的加工方式加工制取中间态试棒；中间态试棒尺 寸为φ6×60mm的圆棒。b、中间态试棒的保存：中间态试棒具有较小的横截 面和相对较大的表面积，为避免氢在室温的扩散逸出，将加工完毕后的中 间态试棒立即放入液氮中保存和运输，直至对其进行终加工前取出。

3.定氢试棒的终加工与保存：a、定氢试棒的终加工：将中间态试棒车 削加工为φ4×60mm的定氢试样，保证车刀及夹具的洁净，避免接触任何形 式的油污，加工过程使用酒精冷却；车削速度为80r/min，以保证加工过程 中试样温度不高于50℃。b、定氢试棒的保存：车削后的定氢试棒放在干净 的试样袋中，于液氮或干冰中保存和传递，直至定氢分析前取出。定氢试 棒的粗加工，终加工及定氢分析于24h之内完成。整个过程避免潮湿和油污。

4.定氢分析前定氢试棒的预处理：将车取后的试棒钳断为4个平均重 量为1.0±0.2g左右的小样，置于分析纯四氯化碳中以40KHz的工作频率超 声清洗3～5min，以去除表面吸附氢的影响。定氢小样经超声清洗后用镊子 取出并置于干净的滤纸上自然风干后，于3min内称重并定氢。

由上述方法得到的定氢样品，按照GB/T 223.82-2007标准，使用惰气 脉冲熔融热导法测定钢中的氢含量，多次重复测量结果表明，冲芯料中氢 含量平均值为0.30ppm。

实施例2：成品SA508-3钢冷态下料定氢样品的制备

1.成品SA508-3钢冷态取样：经锻后热处理和最终热处理并精加工后 的成品样，于机床上切取定氢试块，切割位置选择在为组织性能测试预留 的位置处。加工过程缓慢并采取冷却液冷却，以保证加工过程中样品温度 低于50℃。试块尺寸为70×70×70mm。

2.定氢试块的粗加工与保存：a、定氢试块的粗加工：从定氢试块中心 位置处采用电火花线切割的加工方式加工制取中间态试棒；中间态试棒尺 寸为φ6×60mm的圆棒。b、中间态试棒的保存：中间态试棒具有较小的横截 面和相对较大的表面积，为避免氢在室温的扩散逸出，将加工完毕后的中 间态试棒立即放入液氮中保存和运输，直至对其进行终加工前取出。

3.定氢试棒的终加工与保存：a、定氢试棒的终加工：将中间态试棒车 削加工为φ4×60mm的定氢试样，保证车刀及夹具的洁净，避免接触任何形 式的油污，加工过程使用酒精冷却；车削速度为80r/min，以保证加工过程 中试样温度不高于50℃。b、定氢试棒的保存：车削后的定氢试棒放在干净 的试样袋中，于液氮或干冰中保存和传递，直至定氢分析前取出。定氢试 棒的粗加工，终加工及定氢分析于24h之内完成。整个过程避免潮湿和油污。

4.定氢分析前定氢试棒的预处理：将车取后的试棒钳断为4个平均重 量为1.0±0.2g左右的小样，置于分析纯四氯化碳中以40KHz的工作频率超 声清洗3～5min，以去除表面吸附氢的影响。定氢小样经超声清洗后用镊子 取出并置于干净的滤纸上自然风干后，于3min内称重并定氢。

由上述方法得到的定氢样品，按照GB/T 223.82-2007标准，使用惰气 脉冲熔融热导法测定钢中的氢含量，多次重复测量结果表明，成品SA508-3 钢中氢含量平均值为0.25ppm。

对比例1：成品SA508-3钢冷态下料定氢样品的制备

1.成品SA508-3钢冷态取样：经锻后热处理、最终热处理及机加工后 的成品样，于机床上切取定氢试块，切割位置选择在为组织性能测试预留 的位置处。加工过程缓慢并采取冷却液冷却，以保证加工过程中样品温度 低于50℃。试块尺寸为70×70×70mm。

2.定氢试块的粗加工：从定氢试块中心位置处采用电火花线切割的加 工方式加工制取中间态试棒；中间态试棒尺寸为φ6×60mm的圆棒。

3.定氢试棒的终加工与保存：a、将中间态试棒车削加工为φ4×60mm 的定氢试样，加工过程使用油性冷却液冷却；车削速度为80r/min，以保证 加工过程中试样温度不高于50℃。b、车削后的定氢试棒放在干净的试样袋 中保存和传递，并避免潮湿和油污。

4.定氢分析前定氢试棒的预处理：将车取后的试棒钳断为4个平均重 量为1.0±0.2g左右的小样，置于分析纯四氯化碳中浸泡3～5min去油，之 后用镊子取出并置于干净的滤纸上自然风干后，于3min内称重并定氢。

由上述方法得到的定氢样品，按照GB/T 223.82-2007标准，使用惰气 脉冲熔融热导法测定钢中的氢含量，得到的定氢结果数据较为分散，列举 不同批次测的同一试块加工而成的定氢试棒中的氢含量数据如下：1.00ppm， 1.90ppm，2.50ppm，3.20ppm。结果表明，定氢前的浸泡去油处理，难以完 全去除定氢样品的表面氢，从而导致定氢结果偏高且极为分散。