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電鏡應(yīng)用|鋼中復(fù)雜氧化物-硫化物-氮化物夾雜物的自動(dòng)化SEM- EDS分析與相分析案例

電鏡應(yīng)用|鋼中復(fù)雜氧化物-硫化物-氮化物夾雜物的自動(dòng)化SEM- EDS分析與相分析案例
歐波同  2025-06-27  |  閱讀:139

熔融鐵幾乎是一種通用溶劑,能夠輕松溶解鉻、鉬和鎢等金屬,從而制造各種有價(jià)值的合金。然而,這一特性也可能是一把雙刃劍,因?yàn)樵趯㈣F煉成鋼的過(guò)程中,必須謹(jǐn)慎控制氧、硫和氮等元素。這些輕元素在合金鋼中的溶解度較低,在精煉和熱軋過(guò)程中,容易形成不利的反應(yīng)產(chǎn)物(即夾雜物)。這些生成的氧化物、硫化物和氮化物的微小夾雜物無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的浮選去除,從而成為最終鋼材的永久組成部分,影響其機(jī)械性能和質(zhì)量。


PART 01

背景簡(jiǎn)介

生產(chǎn)鋼材的過(guò)程中涉及極高的溫度和高度氧化的環(huán)境。高爐-氧氣轉(zhuǎn)爐一體化工藝和電弧爐廢鋼熔化工藝都使得原鋼中溶解氧的含量達(dá)到幾百ppm。可以通過(guò)添加錳、硅、鋁、鈦和鈣等脫氧劑以降低或控制這些溶解氧的含量。根據(jù)氧化物自由能Ellingham圖,可以確定這些元素中哪些會(huì)形成最穩(wěn)定的氧化物,按鋼鐵制造溫度下氧化物穩(wěn)定性從高到低的順序排列如下:CaO >Al2O3>TiO2 > SiO2> MnO 。


通過(guò)錳和硅控制氧含量,可將溶解氧降低至約50 ppm,形成硅酸錳夾雜物。進(jìn)一步使用鋁進(jìn)行脫氧,可以將溶解氧降至僅幾個(gè)ppm,并將所有氧化物夾雜物轉(zhuǎn)化為微米級(jí)的Al2O3。在某些情況下,進(jìn)一步調(diào)整夾雜物種類(lèi)是有利且必要的。添加約20ppm的鈣可用于降低夾雜物的熔點(diǎn)(以提高鑄造性能),或與鋼中的溶解硫反應(yīng),形成新的硫化鈣夾雜物。此外,微小夾雜物中還可能包含氮化物,因?yàn)殁伋1挥米鞯牟都瘎纬傻仭?/p>


總體而言,這可能會(huì)導(dǎo)致夾雜物的混合物變得極其復(fù)雜;因此,獲得鋼材成分的定量分析對(duì)于其控制性?xún)?yōu)化至關(guān)重要。本應(yīng)用說(shuō)明重點(diǎn)介紹了使用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜(EDS)對(duì)鋼中復(fù)雜氧化物-硫化物-氮化物復(fù)合夾雜物進(jìn)行自動(dòng)化分析的方法。該方法將成像與元素分析相結(jié)合,為鋼材中的夾雜物提供了準(zhǔn)確的分析。


PART 02

表征方法與結(jié)果

使用Thermo Scientific? Axia-Perception新一代全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng)對(duì)鋼樣品進(jìn)行了自動(dòng)夾雜物分析,以揭示鑄造和軋制后樣品中非金屬顆粒的化學(xué)成分和尺寸分布。Perception系統(tǒng)使得顆粒檢測(cè)和EDS分類(lèi)變得快速高效。此次分析的目的是表征直徑大于2微米的夾雜物,并在60平方毫米的拋光鋼樣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。為簡(jiǎn)化分析,鐵和氧元素被排除在外。


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圖1:來(lái)自Perception系統(tǒng)的不同類(lèi)型夾雜物的自動(dòng)BSE圖像,尺寸范圍為6至10微米。


鋁脫氧、鈦穩(wěn)定氮元素以及鈣處理在該鋼材中生成了獨(dú)特的復(fù)合夾雜物分布。圖1展示了三種主要夾雜物類(lèi)型(Ti N、CaS和CA或鈣鋁酸鹽)及其組合的自動(dòng)拍攝的背散射電子(BSE)圖像。這些夾雜物在BSE圖像中比基體金屬呈現(xiàn)出更暗的襯度。


在測(cè)量夾雜物顆粒的同時(shí),EDS數(shù)據(jù)也被收集到每個(gè)夾雜物上;隨后可以根據(jù)其成分和形狀對(duì)夾雜物進(jìn)行分類(lèi)。


共表征了3888個(gè)夾雜物,并在三元相圖(圖2)和分類(lèi)表(圖3)中顯示。


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圖2:Ca-TiN- S和Ca-Al- S三元相圖,揭示了三種不同夾雜物類(lèi)別的成分和尺寸分布。


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圖3:三種不同夾雜物類(lèi)別的顆粒尺寸直方圖和分類(lèi)表。


在每個(gè)Ca-TiN-S 圖中,并非存在離散的“島嶼”,而是呈現(xiàn)出兩種夾雜物之間的連續(xù)分布。這表明元素之間并未形成固溶體,而是一個(gè)化合物沉淀在另一個(gè)化合物之上。鈣硫化物(或鈣鋁酸鹽)夾雜物是在精煉過(guò)程中形成的,而氮化鈦則是在鑄造時(shí)由于偏析效應(yīng)而形成。氧化物和硫化物夾雜物作為異質(zhì)形核點(diǎn),在凝固過(guò)程中促使氮化物在凝固前形成。


選取了兩個(gè)夾雜物進(jìn)行進(jìn)一步研究。圖4展示了其自動(dòng)拍攝BSE圖像及EDS成分的原子百分比。兩個(gè)夾雜物均包含一個(gè)深色的核心,外部則具有一種較淺襯度的立方結(jié)構(gòu),與氮化鈦(TiN)一致。成分上的主要區(qū)別在于顆粒B的硫含量較高。目前,從圖像中尚無(wú)法明確硫是與氧化物相、硫化物相,還是兩者皆有。


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圖4 :Pereption自動(dòng)化的BSE圖像及兩種選定夾雜物的成分。


Thermo Scientific Chemi Phase軟件是Axia ChemiSEM系統(tǒng)的一種新型相識(shí)別和定量分析引擎。通過(guò)Chemi Phase分析,對(duì)圖4中顯示的鋼夾雜物進(jìn)行了全新的評(píng)估,統(tǒng)計(jì)分析了存在的相的數(shù)量、成分及其面積分?jǐn)?shù)。


圖5展示了BSE圖像、Chemi Phase分析圖以及所評(píng)估區(qū)域的相關(guān)相面積分?jǐn)?shù)。結(jié)果確認(rèn),顆粒A中存在兩個(gè)夾雜相,而顆粒B中存在三個(gè)相。


兩種夾雜物中的TiN面積一致,而核心夾雜物(氧化物和硫化物)在顆粒B中略大(7.6um2對(duì)7.0um2)。關(guān)鍵的是Chemi Phase分析區(qū)分出:顆粒B的核心具有兩個(gè)部分,即CaS和Ca-Al 氧化物,而B(niǎo)SE圖像則僅顯示存在一個(gè)相。


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圖5:BSE圖、Chemi Phase分析圖及兩個(gè)夾雜物的相面積分?jǐn)?shù)。


PART 03

結(jié)  論

通過(guò)Axia-Perception新一代全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng),自動(dòng)收集了包含圖像、能譜、尺寸及成分信息的大型數(shù)據(jù)集,共涉及3888個(gè)夾雜物(尺寸大于2微米)。這些夾雜物的成分變化較大,主要包括鈣、鋁、鈦、硫、氮和氧。使用定制的三元相圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行審查表明,CaS和TiN之間的顆粒成分呈現(xiàn)出一個(gè)連續(xù)的分布。


Chemi Phase分析進(jìn)一步確認(rèn)了這些復(fù)雜夾雜物中具體CaS、CA和Ti N化合物的組成和數(shù)量。在許多情況下,鋼鐵制造中的氧化物和硫化物提供了氮化鈦沉淀的異質(zhì)形核點(diǎn)。此應(yīng)用案例展示了Axia ChemiSEM系統(tǒng)上Perception和Chemi Phase軟件的組合如何實(shí)現(xiàn)潔凈鋼應(yīng)用所需的詳細(xì)分析。


Thermo Scientific? Axia-Perception 系統(tǒng)提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的自動(dòng)化夾雜物分析和分類(lèi)功能,結(jié)合卓越的報(bào)告生成能力,能夠精準(zhǔn)識(shí)別、定位和統(tǒng)計(jì)鋼鐵材料中的夾雜物問(wèn)題,助力提升材料品質(zhì)和生產(chǎn)效率。Axia-Perception系統(tǒng)歷經(jīng)32年的研發(fā)升級(jí),系統(tǒng)功能不斷完善,是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最準(zhǔn)確, 最專(zhuān)業(yè)的夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)。同時(shí)搭載Thermo Scientic? Axia ? ChemiSEM?,進(jìn)一步拓展硬件功能,真正實(shí)現(xiàn)了軟硬件一體化,高效率顆粒分析。

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