气体氢试样的取样、制样及保存

李 艳

(东北特钢集团北满特殊钢有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔161041)

金属材料在机械部件与构件的生产过程和使用过程既取决于工艺规程也取决于各种成分。氢虽然是钢中的微量成分，但对钢材的性能有着很重要的影响。氢会对钢产生有害影响:(1)降低钢的塑性和韧性。(2)降低钢的使用寿命。(3)使气孔率增加。(4)引发表面细小裂纹。钢中氢是导致白点和发裂的主要原因。当钢中CO和H2等的压力之和大于大气压力和钢液饱和压力之和时，钢液中产生气泡。为了有效控制钢中的含氢量，必须选择正确的取样方法、制样方法和保存方法。以便能比较客观准确地得到钢中氢数据。

我们所采用的取样方法应保证分析试样能代表熔体或抽样产品的化学成分平均值。分析试样在化学成分方面应具有良好的均匀性，其不均匀性应不对分析产生显著偏差。然而对于熔体的取样，分析方法和分析试样二者有可能产生偏差，这种偏差用分析方法的重现性和再现性表示。

分析试样应去除表面涂层、除湿、除尘以及其他形式的污染。应尽可能避开孔隙、裂纹、疏松、毛刺、折叠或其他表面缺陷。对熔体进行取样时如果预测到可能的缺陷要采取措施。样品的尺寸及质量要足够大，以便进行复验或必要时使用其他的分析方法进行分析。要有适当的贮存设备用于保存分析试样。在分析试样的制备过程中和制备后，分析试样应该防止污染和化学变化。分析试样应保存足够长的时间，以保证实验室管理的完整性。

钢铁材料中氢在取制样过程中极易损失和污染。在取样、制样和保存过程中必须避免氢损失和被环境污染，氢损失与样品温度、环境氢分压、样品存放时间等有很大关系。所以在保存氢试样时要考虑到上述因素。

为了监控生产过程，需要在整个生产过程的不同阶段从熔体中取样。熔体的取样过程是根据对样品品质的要求而进行的一个独立的处理过程。当浇注生产中需要控制其一定限量时，就应该进行氢的测定。炉前取样是一项专业技术，必须使用特制的取样装置。一种新的炉前取样方法或新取样装置应用实施前，必须对其可靠性和有效性进行评估，并出据评估报告备案。

测定钢水中的氢的取样方法是用取样管。取样管有不同直径的片型和铅笔型。取样管通常包括有压制钢钢模以及在厚的保护纸管上安装有硅管。将取样管取得的样品设计为细棒状或铅笔状，直径为7～12mm，长度为75～150mm，所使用的取样方法应该设计成控制和减少氢从管式样品中的快速渗出。在进行取样、样品贮存以及试料的制备过程中都会发生这种渗出。渗出的损失环境温度高时会很大，尤其是小直径样品。管式样品应该无裂纹和表面气孔，没有湿气，尤其是没有俘获水。试料的状态对氢的结果影响很大。由于水的存在，会使氢的分析结果偏高。如果使用的是吸入式取样管，操作时要避免样品中混入湿气。在取样的各阶段以及贮存和制备过程中都要保持低温状态，浸入冷水中或冷却剂中冷却效果更好些。应尽量去除冷却后的试料表面的湿气，样品应该在冷藏剂中贮存，液态氮或丙酮与二氧化碳干冰的混合物软膏较为合适。通过研磨进行试料的表面加工时，应保持用时最少，能满足去除所有表面氧化物和缺陷即可，试料制备完成后应立即进行分析。炉前取得的样品若需要较长时间保存(不超过24h)，可存放于干冰或液氮中，短时间可保存于干燥器中，在操作时使用干净的镊子并避免水汽在样品表面凝结。

取样时的安全注意事项:(1)液态取样时应有防护服、保护手套、面罩以防止溅伤。(2)对样品和试料进行清洗和干燥处理时，会使用到溶剂，对于溶剂的使用要参照国家相应的规定进行。

对于铸铁产品，分析试样可从铸态产品的棒或块中取样。对于锻造产品，分析试样可从未锻造的原始产品中或从锻后的产品中或从额外的锻造产品中取样。

如果样品的某一部分的化学成分有可能不具有代表性，首先要研究样品的特性和化学成分的变动范围，然后除去样品中已发生变化的部分。然后对样品采取保护措施防止化学成分发生变化。必要时，应采用合适的方法除去制备过程中使用的涂层，使要被切削的表面完全外露。金属表面要使用适当的溶剂除油，但要保证除油的方法对分析结果的正确性不产生影响。

分析试样的表面制备应该到露出适合于分析方法使用的表面。已受切割火焰影响的样品的任何部分不能用于制备分析表面。用于制备样品的设备应该设计成尽可能减小样品的过热，其中要有相应的冷却系统。制备后的分析试样表面应该平整且没有对分析结果准确度产生影响的缺陷。应对制备后的试样进行目视检查，表面没有颗粒异物，没有表面缺陷，如果有异物或缺陷应该重新处理表面或放弃使用。分析试样应该干燥，并且防止制备好的试样表面被污染。

用于测定氢的样品要迅速冷却，样品固化后立即脱模，迅速急冷。丙酮和二氧化碳的混合物膏剂适合于急冷。样品应浸入冷却剂中保存。锭或型材上取样时，必须防止发热，试样加工温度应低于50℃。用带碳化钨刀具的车床除去所有氧化痕迹的表面。用分离工具横向切开样品得到合适质量的用于分析的试料。在制备用于测定氢的试料时，样品要不断地被冷却，避免过热。要确保制备试料与分析之间不要延误时间。

从熔体中取来的样品，去掉可能对后面制备分析试样产生污染的表面氧化物。从管式样品的中心截面上切取适当量的样品做为分析试料，切取是应该尽量减小对样品产生过热，所以要使用大量的流动的冷却液体。制备试料表面时应使细齿锉，喷砂时避免使用能污染试料表面的砂，磨平时也应经常冷却。炉前取出的样品应立即除去套管以便样品迅速冷却。充分冷却后，浸入冷却剂中贮存并送往实验室。在实验室加工现场可用车床加工，边加工边用乙醇冷却，也可缓慢打磨试样表面，去掉粘污层，截取合适尺寸的长条状样品，质量为0.5～2.5g之间，氢含量越低要求的样品量越大。用乙醚或丙酮清洗，自然风干或冷风吹干备用。类似于充氢试样等制备好的现成样品仅用四氯化碳、乙醚或丙酮清洗、风干或冷风吹干后即可使用。

钢产品在进行样品的取样、贮存以及试料的制备过程中，所使用的方法应该尽量减小并控制样品中氢的迅速扩散。样品应该无裂纹、表面疏松、无湿气。试料的状态对测定的影响很大，不同的分析方法对由于水分的存在的灵敏度不尽相同。室温下，由于扩散而导致样品中氢的损失会很大。尤其当样品很薄时。因此，在样品的取样、贮存及指标过程中的所有阶段，要保持原始样品、分析试样和试料在尽可能低的温度。分析试样应该贮存在冷冻剂中，较为合适的是液态氮、或者使用丙酮和二氧化碳干冰混合膏剂。

在试料制备过程中，对样品进行切割时，样品和试料应保持冷却状态。在所有机械加工操作过程中，使用大量流动的冷却液体，或者反复加工一次冷却一下样品或试料。或同时使用这两种冷却方法。冷却可以是浸入冰水中或冷却剂中。大型截面的样品应该包上二氧化碳干冰以保温。在机械加工时，粗坯应放回冷却剂中贮存。试料表面制备时，需要打磨时，在满足除去表面氧化物或表面缺陷要求的前提下，应尽可能减少打磨。根据样品或产品的几何形状，使用适当的加工工具来制备原始样品，如可使用车、铣、锯、切和套料加工等方法。从长锻件上制取分析试样时，应该先用锯或切割砂轮在产品的中心线到边缘的中央位置，且在距截面端点至少一半处切取原始样品，板材车间来样厚度应为20～25mm，取样位置在直径的1/4处取样;棒材＜Φ60mm在钢材的中心部位取样，＞Φ60mm在直径的1/4处取样，取样方向为纵向。再从原始样品上切取一块适合于车床加工的样品来制备分析试样。分析试样应贮存在冷冻剂中。从分析试样上用尽可能减小样品过热的方式切取合适质量的样品来制备试料，并经常冷却样品。试料浸入丙酮中除油，在低真空下暴露数秒钟进行干燥后，立即进行分析。因氢试样在取样和制样过程中极易被污染，所以在分析前要使用丙酮在超声波清洗器中对试样进行清洗。将污染的去除，保证结果的准确性。