MLA系統(tǒng)在不銹鋼非金屬夾雜物分析中的應用

武慧敏, 王俊萍, 趙 爽

(礦冶科技集團有限公司 礦物加工科學與技術國家重點實驗室, 北京 102628)

鋼鐵中的非金屬夾雜物是指存在于鋼水或鋼材中的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物和硅酸鹽等非金屬顆粒，其主要來源于鋼鐵的冶煉過程。夾雜物是衡量鋼鐵材料質量的重要指標，其數量、類型、成分、尺寸和分布等都會對鋼的性能產生影響[1-2]，而夾雜物的產生與鋼的冶煉工藝密切相關。

鋼材中非金屬夾雜物的分析方法包括金相法、巖相法、X射線粉末衍射法、電子探針法、透射電鏡法、掃描電鏡法、離子探針法、穆斯堡爾光譜法和鋼中夾雜物快速自動分析儀(ASPEX)分析法[3-7]等。

鋼材中非金屬夾雜物的定量方法分為物理定量與化學定量兩大類。工藝礦物自動定量分析系統(tǒng)(Mineral Liberation Analyser，簡稱MLA)是一種物理定量方法，目前廣泛應用于工藝礦物學領域。MLA礦物參數自動分析系統(tǒng)是澳大利亞昆士蘭大學礦物研究中心開發(fā)研制的[8-9]，它由一臺掃描電鏡、1～2臺能譜儀和一套自動測試分析軟件組成。MLA系統(tǒng)通過掃描電鏡獲取不同物相的背散射灰度圖片，再利用能譜儀收集不同灰度物相的X射線信息，可以自動測試試樣中不同物相的粒徑、解離度及物相相對含量等信息并進行分析。為研究該方法在鋼材非金屬夾雜物定量分析中的應用，筆者利用MLA系統(tǒng)測試了不銹鋼中非金屬夾雜物的組成與粒徑，對鋼中夾雜物進行了深入研究，以期為鋼材的冶煉工藝提供指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為奧氏體不銹鋼，切取觀察面為2 cm×2 cm，厚度為1 cm的塊狀試樣。測試儀器為QUANTA600型掃描電鏡，配備兩臺EDAX Genesis7000型能譜儀，測試軟件采用MLA2.9礦物參數自動分析軟件。

MLA配備規(guī)格為φ29 mm的標準試樣14孔樣品臺，因此制備外徑為φ29 mm，高度小于10 mm的柱狀試樣后方可進行自動測試。MLA標準試樣樣品臺可對14個試樣連續(xù)測試，且測試后數據可做累加處理，這樣可使MLA測試試樣的范圍根據需求進行調整；同時系統(tǒng)也允許自制不同規(guī)格的可滿足掃描電鏡硬件要求的樣品臺，在尺寸、質量可置入電鏡樣品艙室的前提下，可觀察范圍受樣品臺x,y軸的行程限制。該試驗使用的QUANTA600型掃描電鏡的樣品艙室左右內徑為379 mm，x,y軸行程均為150 mm，可以安裝設置獨立大尺寸樣品臺，以滿足單次大尺寸試樣的測試。

按照ASTM E45：2018《鋼中夾雜物含量評定的標準檢測方法》的技術要求進行取樣，經磨制與拋光，得到的試樣外徑需小于29 mm，每個試樣測試面積最大可以達到600 mm2。為保證檢測結果的有效性，將磨拋后的試樣使用環(huán)氧樹脂進行包埋，并用乙二胺固化處理，包埋后的試樣使用不同粒徑砂紙打磨掉表面的環(huán)氧樹脂層，直至出現拋光面后再進行拋光去劃痕處理，制備出的試樣即為適用于MLA系統(tǒng)標準試樣樣品臺測試的φ29 mm圓柱狀試樣。拋光后使用JEE420型電子鍍膜儀在試樣表面做噴碳導電化處理。

2 試驗結果與討論

2.1 掃描電鏡及能譜分析

首先，通過掃描電鏡結合能譜儀對不銹鋼試樣進行了初步測試，圖1為不銹鋼試樣中夾雜物的掃描電鏡背散射電子形貌，圖2為夾雜物形貌與對應的能譜分析結果。

圖1 不銹鋼試樣中夾雜物的形貌Fig.1 Morphology of inclusions in stainless sample: a) chain inclusions; b) spherical inclusions

根據圖1和圖2可以看出，夾雜物為不同元素組成的鈣鋁酸鹽夾雜，形態(tài)有小于10 μm的球狀夾雜，有20 μm以上的不規(guī)則夾雜，同時還有鏈狀夾雜。可見利用掃描電鏡結合能譜儀能直觀有效地分析出鋼中夾雜物的尺寸、形狀、分布、成分等特征，鑒于掃描電鏡的視域有限而鋼材試樣尺寸通常較大以及夾雜物分布不均勻等，在掃描電鏡的觀察過程中無法實現試樣全視域連續(xù)無遺漏的觀察，因而只通過掃描電鏡和能譜儀并不能全面體現出待測試樣中全部夾雜物的真實情況。

圖2 不銹鋼試樣中夾雜物的SEM形貌及其能譜分析結果Fig.2 SEM morphology and EDS analysis results of inclusions in stainless sample: a) SEM morphology of irregular inclusions; b) EDS analysis result of irregular inclusions; c) SEM morphology of spherical inclusions; d) EDS analysis result of spherical inclusions

2.2 MLA系統(tǒng)測試

使用MLA2.9礦物參數自動分析軟件對同一待測不銹鋼試樣進行測試，按GB/T 30834-2014《鋼中非金屬夾雜物評定和統(tǒng)計 掃描電鏡法》的技術要求在測試開始前對測試條件進行設置,通過調整束斑實現能譜計數滿足死時間30%左右,圖像像素選擇512×512。同時使用MLA系統(tǒng)自帶標識設置圖像灰度上限，使用樹脂設置圖像灰度下限，以保證不同批次試樣的測試條件相同，同時圖像的灰度與對比度可呈現更多樣的成分襯度。自動測試的過程中，MLA系統(tǒng)根據灰度自動識別出4種不同的夾雜物物相，在自動測試結束后，通過精確定位獲取不同灰度物相的能譜結果，然后用不同顏色進行標識。標識后的偽彩圖如圖3所示，顏色1為藍色，表示鋼基體；顏色2為綠色，表示鈣鋁酸鹽夾雜1；顏色3為亮藍色，表示鈣鋁酸鹽夾雜2；顏色4為紅色，表示鈣鋁酸鹽夾雜3；顏色5為褐色，表示氧化鋁夾雜。4種夾雜物的能譜分析結果如圖4所示。分析夾雜物的形成是鋁基脫氧不銹鋼應用鈣處理夾雜物改性的過程中，鋼中的Al2O3逐漸轉變?yōu)殁}鋁酸鹽，隨著鈣的加入量不斷增加，出現了CaO·Al2O3，CaO·6Al2O3，CaO·2Al2O3，3CaO·Al2O3，CaO·Al2O3的順序轉變，最終形成了4種夾雜物，夾雜1是一種高熔點鋁酸鈣CaO·2Al2O3復合夾雜物，夾雜2為低熔點鋁酸鈣3CaO·Al2O3復合夾雜物，夾雜3為低熔點鋁酸鈣CaO·Al2O3復合夾雜物，夾雜4為Al2O3夾雜，試樣中未發(fā)現CaO夾雜與鎂鋁尖晶石夾雜。

圖3 夾雜物偽彩圖Fig.3 Colorful image of inclusions

圖4 試樣夾雜物的EDS譜Fig.4 EDS spectrum of inclusions in sample: a) inclusion 1; b) inclusion 2; c) inclusion 3; d) inclusion 4

MLA系統(tǒng)提供了一款功能強大的統(tǒng)計分析軟件，在前期測試過程中通過獲取背散射圖像與能譜疊加的信息，可直接提供自定義化學分類后每種夾雜物的數量、面積、面積百分比、粒徑分布等數據，這些原始數據還可以根據研究需求進行重新歸類，以實現后期數據的編程處理。該試驗中的夾雜物MLA分析測試結果與夾雜物種類統(tǒng)計結果如表1所示，可見4種夾雜中數量與面積占比最多的為鈣鋁酸鹽(夾雜3)，其次為氧化鋁夾雜；試樣測試面積超過83 mm2，夾雜物顆?？倲禐?40顆，每平方毫米夾雜物數量為11顆。MLA軟件可以根據夾雜物的分類對每種夾雜物分別進行粒徑統(tǒng)計，在識別分類中針對粒徑的統(tǒng)計結果有多種表征模式，可以根據測試對象的形態(tài)特征選擇等效橢圓或最長徑模式。根據前期掃描電鏡觀察結果，該不銹鋼試樣中夾雜物多數接近球形，因此在統(tǒng)計分析中選擇等效圓模式，統(tǒng)計結果如表2所示?？梢娝袏A雜物中鈣鋁酸鹽(夾雜3)的尺寸最大，為27 μm；夾雜物的最小尺寸為0.62 μm，表明基于鎢燈絲掃描電鏡的MLA系統(tǒng)在夾雜物分析領域的檢測下限可以達到0.62 μm；鈣鋁酸鹽(夾雜1)粒徑集中在2.4～3.4 μm區(qū)間，最大為6.8 mm;鈣鋁酸鹽(夾雜2)粒徑集中在3.4～4.8 μm區(qū)間，最大為13.5 mm；鈣鋁酸鹽(夾雜3)粒徑集中在4.8～6.8 μm區(qū)間，最大為27 mm；氧化鋁(夾雜4)粒徑集中在3.4～4.8 μm區(qū)間，最大為9.6 mm;10 μm以上夾雜大部分為鈣鋁酸鹽(夾雜3)。

表1 試樣中夾雜物的MLA統(tǒng)計結果Tab.1 MLA statistics results of inclusions in sample

表2 試樣中夾雜物粒徑分布的MLA統(tǒng)計結果Tab.2 MLA statistics results of particle size distribution in sample

3 結論及建議

(1) 利用MLA系統(tǒng)對面積超過83.3 mm2不銹鋼試樣的夾雜物進行了粒徑、成分及含量的表征。得出試樣中含有4類不同的夾雜物，分別為3種不同熔點鈣鋁酸鹽夾雜和氧化鋁夾雜，其中高熔點鈣鋁酸鹽夾雜的面積相對百分比為8.807 7%，尺寸集中在5 μm以下;氧化鋁夾雜面積相對百分比為22.681 6%，尺寸集中在5 μm以下。

(2) 煉鋼過程中，鋁鈣脫氧處理可以將有害夾雜改性為低熔點鈣鋁酸鹽夾雜，該試樣中夾雜物改性可通過增加鈣的添加量或改善生產工藝進一步降低氧化鋁夾雜的含量，同時提升總夾雜中低熔點鈣鋁酸鹽的含量，進而提高鋼鐵材料的潔凈度。

(3) MLA系統(tǒng)對鋼鐵材料可實現最小粒徑為0.62 μm的夾雜物檢測；可制備標準尺寸試樣或根據試樣尺寸定制樣品臺實現連續(xù)測試；可根據能譜測試結果實現夾雜物種類、粒徑、面積的統(tǒng)計。相對于掃描電鏡結合能譜儀的直觀分析，MLA系統(tǒng)可高效的進行鋼鐵材料夾雜物分析，以促進煉鋼工藝的改善。