一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法
阅读说明：本技术 一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法 (Surface treatment process method for diffusible hydrogen analysis sample ) 是由 周庆军 刘明亮 吴玮巍 张仁彪 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法,包括：1)根据扩散氢测量仪器对样品尺寸的要求,采用剪切、湿式切割方式获得待测样品,然后立即将切好的样品放入冷却装置中冷却,冷却温度为-150～-196℃；2)用低温水喷砂方法对冷冻后的样品进行表面处理；喷砂时,把从冷却装置中取出的待处理样品快速固定在夹具上喷砂；3)喷砂处理样品检查合格后用清水冲洗,用冷风吹干,然后马上放入丙酮中用超声进行清洗,得到待测样品。本发明方法可以快速有效地去除金属材料表面氧化皮、腐蚀产物、陶瓷或有机涂层、油污等,获得干净的测氢样品表面,可以保证样品在测量前一直处于较低温状态,减少扩散氢的损失,获得更准确的测量结果。(The invention discloses a surface treatment process method of a diffusible hydrogen analysis sample, which comprises the following steps: 1) according to the requirement of the diffusible hydrogen measuring instrument on the size of the sample, obtaining the sample to be measured by adopting a shearing and wet cutting mode, and then immediately putting the cut sample into a cooling device for cooling, wherein the cooling temperature is-150 to-196 ℃; 2) carrying out surface treatment on the frozen sample by using a low-temperature water sand spraying method; during sand blasting, quickly fixing a sample to be treated taken out from the cooling device on a clamp for sand blasting; 3) and (4) after the sand blasting sample is checked to be qualified, washing the sand blasting sample with clear water, drying the sand blasting sample with cold air, immediately putting the sand blasting sample into acetone, and ultrasonically cleaning the sand blasting sample to obtain the sample to be detected. The method can quickly and effectively remove oxide skin, corrosion products, ceramic or organic coatings, oil stains and the like on the surface of the metal material, obtain the clean surface of the hydrogen measurement sample, ensure that the sample is always in a lower temperature state before measurement, reduce the loss of diffused hydrogen and obtain a more accurate measurement result.)
技术领域
本发明涉及金属材料测试
技术领域
，具体涉及一种钢铁材料分析所用样品表面处理的工艺方法。背景技术
氢致延迟开裂是导致高强钢断裂失效的主要原因之一。钢铁材料及其制品在冶炼、加工制造和服役过程中受到环境的影响，氢会进入材料内部。例如钢铁材料在酸洗过程中吸氢，汽车板在使用过程中受到大气环境腐蚀或融雪盐腐蚀吸收氢，油井管在含硫油气介质中受到硫化氢腐蚀而吸氢。进入钢中的氢大致可以分为两类：一是陷阱氢，氢进入钢后被各种缺陷(氢陷阱)捕获，由于氢与陷阱的结合能较高，这部分氢在钢内部不能自由扩散，在常温下也无法逸出；另外一种是扩散氢，氢以氢原子的形式分布在金属晶格内，可以在金属中自由扩散，在常温下也可以向金属外部扩散，温度越高，向外扩散的速度越快。由于扩散氢是导致高强钢发生氢致延迟开裂的主要因素，因此，准确测量扩散氢的含量对于开展钢铁产品氢致延迟开裂失效原因分析以及制订预防改进措施是非常重要的。
钢中扩散氢含量的测量有甘油置换法、水银法，热脱附法(TDS)等，甘油法和水银法由于存在测量准确性、安全性等方面的问题目前已很少应用，TDS方法是目前比较常用的测量方法。无论采用哪种方法，测量扩散氢含量都必须满足以下两点基本要求：
1.样品表面清洁，不能有氧化皮、锈蚀产物、有机或无机涂层，不能有油污；
2.样品制备到测量时间间隔要尽可能短，减少测量前的氢扩散损失。
目前有关扩散氢测量的标准有两个，分别是GB/T 3965-2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》、ISO 3690《Welding and allied processes-Procedure for Determining theHydrogen Content in Arc Weld Metal》。此外，也有不少关于超高强钢扩散氢研究的文献。分析可以发现，现有文献资料中的测氢样品大都是在向钢中引入氢之前就对样品表面进行了清洁处理。例如，在GB/T 3965-2012中，试块表面要先进行打磨，使样品表面光滑洁净后再进行焊接，焊后样品表面经简单清洗即可测量熔敷金属中的扩散氢含量。在武光宗等人的《利用TDS方法研究氢在两种马氏体钢中的扩散》一文中，也是先采用车削的方法获得光滑的拉伸样品，然后进行电化学充氢，由于充氢过程中样品不会腐蚀，因此在测氢时不用再对样品表面做特殊处理。
在工业生产和实际应用中，往往需要对一些发生延迟开裂的产品、构件进行扩散氢含量分析，而失效样品表面可能有腐蚀产物或氧化皮，也可能覆盖有机涂层或陶瓷涂层，这时在进行样品表面处理时就会遇到以下问题：
1.由于酸洗会向样品中引入氢，通常采用的酸洗方法不能用来去除氧化皮或腐蚀产物；
2.采用传统喷砂方法会导致样品表面温度升高，造成扩散氢在喷砂过程中加速逃逸，因此不能采用常规喷砂方法去除氧化皮、腐蚀产物以及表面涂层；
3.车、刨、磨等机加工方法工序复杂，效率低，耗时长，加工时样品局部温度也会升高，这些都会增加制样过程中的氢损失，并且不适合形状不规则的样品。
现有技术的这几种方法，要么会向样品中引入外来的氢，或者导致试样中的氢在测量前流失，导致测量误差。
为解决以上这些问题，需要一种有效的扩散氢样品表面处理方法。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种可以快速有效地去除金属材料表面氧化皮、腐蚀产物、陶瓷或有机涂层、油污等，获得干净的测氢样品表面的扩散氢分析样品表面处理工艺方法。
本发明的技术方案是，一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，包括如下步骤：
1)取样：根据扩散氢测量仪器对样品尺寸的要求，采用剪切或者湿式切割方式获得待测样品，然后立即将切好的样品放入超低温冷却装置中冷却，冷却温度为-150～-196℃，冷却时间不少于30min；
2)低温水喷砂处理：用低温水喷砂方法对冷冻后的样品进行表面处理；砂子粒度范围为5～20目；所述低温水的水温控制范围为0～4℃；喷砂时，把从冷却装置中取出的待处理样品快速固定在夹具上，喷砂水压设定为10～40MPa；喷砂时间为0.1-2分钟；
3)丙酮超声清洗：喷砂处理样品表面全部呈现金属光泽,目视检查合格后，用清水冲洗，吹干，然后马上放入丙酮中用超声进行清洗，丙酮超声清洗时间不超过30s，得到待测样品。
优选的是，步骤3)所述吹干为采用室温压缩空气吹干；所述清水冲洗为自来水清洗。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤1)所述冷却采用液氮或者超低温冰箱。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤2)所述喷砂用的砂子选自河砂、黄砂或石英砂中的一种或者一种以上。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤2)所述喷砂用的砂子粒度范围为6～12目。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤2)所述水喷砂的水源来自于低温水箱，或者来自冰水混合物。低温水箱内的低温水由冷水机制备。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤2)中，喷砂时，喷头与样品表面距离控制为7-15cm。
优选的是，步骤3)的清水冲洗，可以直接用水龙头冲洗。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，步骤2)喷砂结束后，目视检查样品表面，如果样品表面全部呈现金属光泽则表示已处理干净，进入下一步；如目视样品局部没有处理干净，则将样品重新放入步骤1)的超低温冷却装置中冷却2～10min后按步骤2)要求再次喷砂。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，优选的是，得到的待测样品需要暂时保存时，将丙酮超声后的样品放入-150～-196℃的超低温冷却装置中保存；测量前解冻处理：将样品从冷却装置中取出后放入丙酮中，待样品表面达到室温后，取出样品，吹干，称重，然后马上放入测氢仪器进行扩散氢含量分析。
优选的是，上述吹干用室温压缩空气。氢含量是氢样品中的质量浓度，因此要在分析前测定样品质量，一般用电子分析天平，精度为0.1mg。
根据本发明所述的一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，进一步地，将样品从冷却装置中取出后放入丙酮中后，每隔1-3分钟测量样品温度。
更进一步的，所述测量样品温度采用红外测温计。
本发明的有益效果：
采用本发明提出的扩散氢样品表面处理工艺方法，可以快速、有效地去除扩散氢分析样品表面的腐蚀产物、氧化皮、有机或陶瓷涂层，获得满足扩散氢测量要求的样品表面；同时，由于本方法实现了全流程低温处理，可最大程度地减少样品表面处理过程中的扩散氢损失，从而获得准确的测氢结果。
附图说明
图1是扩散氢分析样品表面处理工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
下面通过具体实施例对本发明的方法和效果进行进一步阐述。某厚度为2.0mm、抗拉强度为1000MPa的超高强钢在使用约5年后发生了开裂，该钢板由于长期户外使用，钢板表面部分绿色油漆已经发生剥落，并且形成一层较厚的黄色锈蚀产物。为进行开裂失效分析，需要测量其中的扩散氢含量。采用本工艺方法对扩散氢分析样品进行表面处理，步骤如下：
1.准备好装有液氮的液氮罐，用剪板机从失效钢板上剪切尺寸为100mm×20mm的片状样品，剪好后马上将样品放入液氮罐中用液氮冷却；
2.表面除漆、除锈处理：采用某型号水喷砂机进行表面处理。先向喷砂机水箱注入1/2容积的水，然后向水中加入冰块使水温保持在0～4℃。砂子选用粒度为8目的石英砂，装入喷砂机的砂箱。待钢板在液氮中冷却30分钟后，取出钢板，固定在台钳上。调节喷砂机压力控制阀使喷射水压为30MPa，手持喷枪，喷枪口距离样板表面约10cm进行喷砂，喷砂时间约100s。然后，将样品取下放入液氮罐再次冷却5min，取出样品，将钢板背面朝向喷枪，按上述方法进行喷砂处理。每个面经两次重复喷砂，经目视检查已经没有绿色油漆和黄色腐蚀产物残留，样品全部表面均露出金属光泽，确认处理合格。整个喷砂过程共耗时约20min。最后一次喷砂后采用红外测温计测量样品表面温度，测量结果为-3.5℃；
3.喷砂合格后，立即用清水冲洗样品表面，冲掉表面残留的沙粒和附着物，之后用压缩空气吹干，然后放入丙酮，用超声波清洗30s；
4.将丙酮超声清洗后的样品放入液氮中冷冻；
5.扩散氢分析采用某型号TDS扩散氢分析仪进行。仪器设定好之后，从液氮中取出样品，放入盛有1000ml丙酮的烧杯中解冻，过程中每隔2分钟用红外测温计测量样品温度，约8分钟后，样品接近室温。将样品取出，用压缩空气吹干，称重，马上放入测氢仪进行测量。
实施例2
对实施例1-1中的样板，采用如下试验参数进行试验。
1.准备好装有液氮的液氮罐，用剪板机从失效钢板上剪切尺寸为100mm×20mm的片状样品，剪好后马上将样品放入液氮罐中用液氮冷却；
2.表面除漆、除锈处理：采用某型号水喷砂机进行表面处理。先向喷砂机水箱注入1/2容积的水，然后向水中加入冰块使水温保持在0～4℃。砂子选用粒度为16目的石英砂，装入喷砂机的砂箱。待钢板在液氮中冷却30分钟后，取出钢板，固定在台钳上。调节喷砂机压力控制阀使喷射水压为12MPa，手持喷枪，喷枪口距离样板表面约12cm进行喷砂，喷砂时间约100s。然后，将样品取下放入液氮罐再次冷却5min，取出样品，将钢板背面朝向喷枪，按上述方法进行喷砂处理。每个面经两次重复喷砂，经目视检查已经没有绿色油漆和黄色腐蚀产物残留，样品全部表面均露出金属光泽，确认处理合格。整个喷砂过程共耗时约20min。最后一次喷砂后采用红外测温计测量样品表面温度，测量结果为-3.0℃；
其它步骤和试验参数同实施例1-1.
实施例3
1.用剪板机从失效钢板上剪切尺寸为100mm×20mm的片状样品，剪好后马上将样品放入超低温冰箱，冰箱设定温度为-150℃；
2.表面除漆、除锈处理：采用某型号水喷砂机进行表面处理。采用水冷机向水喷砂机水箱供水，水温设定为4℃。砂子选用粒度为5目的石英砂，装入喷砂机的砂箱。待钢板在超低温冰箱中冷却30分钟后，取出钢板，固定在台钳上。调节喷砂机压力控制阀使喷射水压为20MPa，手持喷枪，喷枪口距离样板表面约10cm进行喷砂，喷砂时间约20s。然后，将样品取下放入超低温冰箱再次冷却5min，取出样品，将钢板背面朝向喷枪，按上述方法进行喷砂处理。每个面经两次重复喷砂，经目视检查已经没有绿色油漆和黄色腐蚀产物残留，样品全部表面均露出金属光泽，确认处理合格。整个喷砂过程共耗时约18min。最后一次喷砂后采用红外测温计测量样品表面温度，测量结果为-0.5℃；
3.喷砂合格后，立即用清水冲洗样品表面，冲掉表面残留的沙粒和附着物，之后用压缩空气吹干，然后放入丙酮，用超声波清洗30s；
4.将丙酮超声清洗后的样品放入超低温冰箱中冷冻；
5.扩散氢分析采用某型号TDS扩散氢分析仪进行。仪器
设定好之后，从超低温冰箱中取出样品，放入盛有1000ml丙酮的烧杯中解冻，过程中每隔2分钟用红外测温计测量样品温度，约8分钟后，样品接近室温。将样品取出，用压缩空气吹干，称重，马上放入测氢仪进行测量。
对比例1：
为比较不同表面处理方法获得的扩散氢测量结果差异，采用磨床打磨的方法进行表面处理，然后与本工艺方法进行对比。样品取自同一块钢板邻近部位，委托机加工车间用磨床磨掉表面的腐蚀产物和油漆层，磨床加工过程中使用的冷却液是常规乳化液。样品从液氮中取出到完成处理共耗时约2.5h。样品磨好后同样放入液氮保存，其它过程与本发明工艺方法相同。采用同一台扩散氢分析仪进行扩散氢测量。
对比例2
本对比例中，采用常规干式喷砂方法进行表面处理，去除试样表面油漆和锈蚀产物，然后与本工艺方法进行对比。样品取自同一块钢板相邻部位，用粒度为8目的石英砂在室温下进行干式喷砂，直至试样全部表面呈现金属色喷砂结束。样品从液氮中取出到完成处理共耗时约20min。样品喷砂处理完毕后同样放入液氮保存，其它过程与本发明工艺方法相同。采用同一台扩散氢分析仪进行扩散氢测量。
表1列出了采用两种不同方法进行表面处理后获得的测氢结果。
表1本方法与磨床打磨处理样品测氢结果比较
处理方法
三个平行样品氢含量测量值，ppm
平均氢含量，ppm
实施例1
0.18，0.17，0.18
0.18
实施例2
0.17，0.18，0.16
0.17
实施例3
0.18，0.17，0.19
0.18
对比例1
0.07，0.08，0.09
0.08
对比例2
0.06，0.07，0.06
0.06
从结果可以看出，用本方法测得的扩散氢含量结果波动小，重复性好；用磨床处理的样品扩散氢含量低，波动大，并且磨床打磨的样品氢含量结果明显偏低，比本工艺方法测量结果低一半以上。用常规干式喷砂处理的样品测得的氢含量最低，氢含量只是本方法测量值的1/3。这其中主要的原因是由于磨床打磨耗费时间长，而且打磨过程中样品温度高，而干式喷砂造成的样品表面温度跟高，导致部分扩散氢在制样过程中逃逸，而本工艺方法获得的样品，由于制样时间短，并且全过程采用低温保护，有效减少了扩散氢损失。
本发明提出了一种扩散氢分析样品表面处理工艺方法，采用本方法可以快速有效地去除金属材料表面氧化皮、腐蚀产物、陶瓷或有机涂层、油污等，获得干净的测氢样品表面，此外，由于采用了全流程的低温处理，可以保证样品在测量前一直处于较低温状态，减少扩散氢的损失，获得更准确的测量结果。
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