钢中夹杂物分析方法探讨

钢中夹杂物分析方法探讨

钢中夹杂物主要以非金属化合态存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，造成钢的组织不均匀。夹杂物的几何形状、化学成分、物理性能等不仅影响钢的冷热加工性能和理化性能，而且影响钢的力学性能和疲劳性能。随着产品对夹杂物的分析提出更高的要求，需要建立适合生产现场的快速检测钢中夹杂的分析方法，以便降低钢中的夹杂含量，因此，对各种夹杂分析方法进行调研，并从单一和综合两方面进行分析。

单一方法

(1)金相显微镜观测法(MMO)。金相显微镜观测法是一种传统的方法，用光学显微镜检测二维钢样薄片，并且用肉眼定量。通过观察夹杂物的形状、光学特征或用化学法辅助，可以测定夹杂物类型，直接观测夹杂物的尺寸与分布情况，判断夹杂物的生成。

(2)图像扫描法(IA)。采用高速计算机显微镜扫描图像，根据灰度的断续分辨明暗区，比肉眼观测的MMO法大有改进，容易测定较大面积和较多数量的夹杂物，自动化程度高，可获得体积分数、粒度分布直方图、定量等信息，但有时易将非金属夹杂物引起的划痕、麻点和凹坑分析错，且易受尘埃干扰，细小夹杂可能从磨面脱落。

(3)硫印法。通过对富硫区进行腐蚀，区分宏观夹杂和裂纹。

(4)电解(蚀)法。该方法精确度高但费时，以钢样作为电解池的阳极，电解槽为阴极，通电后钢的基体呈离子状态进入溶液溶解，非金属夹杂物不被电解呈固相保留。较大的钢样(2～3kg)被电解，然后对电解泥淘洗、磁选、氢气还原分离铁，最后称量分级；较小的钢样(50～120g)被电解或稀酸溶解，将残渣经碳化物处理、过滤、灼烧，得到氧化物总量。马钢钢研所和北京科技大学成人教育学院运用大样电解法对钢样进行测定，并得到夹杂物不同粒度分布的百分含量。

(5)电子束熔炼法(EB)。在真空条件下，用电子束熔化钢样，夹杂物上浮到钢水表面。通常电子束熔炼查找的是上浮夹杂物特定区域。电子束熔炼的升级法(EB-EV)用来评估夹杂物尺寸分布，根据测定区域的上浮夹杂物尺寸，推断所有夹杂物的上浮结果，从而计算夹杂物尺寸分布指数。

(6)水冷坩埚熔炼法(CC)。在电子束熔炼的条件下，先将熔融钢样表面的夹杂物浓缩，冷却后，样品被分解，夹杂物被分离出来。

(7)扫描电子显微镜法(SEM)。将电子束用电磁透镜聚焦照射于试样表面，同时用电子束扫描，在显像管上显示出试样发出的信号，可清晰地观测到各种夹杂物的主体像，了解其分布和形态，用电子探针分析仪(EPMA)测定其组成及含量，特别是鉴定夹杂物局部组成最有效，可分析的元素范围4Be～92U，对0.1μm以上的区域进行定性分析，对2μm以上的区域进行定量分析。

(8)单火花光谱分析法(SSA)即原位分析仪。对被分析对象原始状态的化学和结构进行分析。通过对无预燃、连续扫描激发的火花放电所产生的光谱信号进行高速的数据采集和解析，测定样品表面不同位置的原始状态下的化学成分分布、缺陷判别和夹杂状态分析，可获得夹杂物数量、组成、分布和粒度等多方面的信息；一次扫描即可得到元素成分、偏析、疏松和夹杂的定量分布结果，扫描范围达300mm×200mm，分析灵敏度优于常规火花光谱分析，样品无需抛光及处理，分析结果显示方式丰富，除了以列表方式显示各项分析数据和计数外，还同时以二维和三维多种图形显示成分、偏析、疏松和夹杂的分析结果，可直接应用于冶金炉前分析，实现临线快速分析，当样品太少时不能反映大型夹杂。

(9)曼内斯曼夹杂物检测法(MIDAS)。又名LSHP法，先使钢样波动，以排除气泡，然后超声扫描检测固态夹杂物和固气复合夹杂物。

(10)激光衍射颗粒尺寸分析法(LDPSA)。采用激光技术检测其他方法(如定泥法)已检测出夹杂物的尺寸分布。

(11)常规的超声波法(CUS)。可确定固态钢样内大于20μm的夹杂物尺寸分布。

(12)锥形样品扫描法。用螺旋运动检测仪自动扫描连铸产品的圆锥形样品表面每个位置的夹杂物。

(13)分级热分解法(FTD)。利用不同氧化物夹杂可以在不同温度还原，如氧化铝基氧化物还原温度为1400℃或1600℃，耐火材料夹杂物还原温度为1900℃，总氧含量为每个加热步骤测出的氧含量之和。

(14)激光显微探针质谱分析法(LAMMS)。用脉冲激光束照射每个颗粒，选择电离临界值之上最低激光度作为其化学状态特征光谱图。通过与标样比较，激光显微探针质谱分析的强度峰值与每个化学元素对应。

(15)X射线衍射法(XPD)。采用X射线对夹杂中的未知物定性、定量，并对其结构进行测定。

(16)X射线光电子光谱法或X射线光电子能谱法(XPS)。对被分析表面进行定性及定量元素分析，采用X射线检测尺寸大于10μm的夹杂物化学状态。

(17)俄歇电子光谱法(AES)。采用电子束检测夹杂物化学状态，以电子束照射固体表面，分析借俄歇过程从固体表面放射出来的二次电子的动能，从而进行元素测定的方法。最大特点是对微小区域或表面进行分析，得到合金元素的组成变化信息，如根据AES分析可以证实钢中夹杂物硫在加热温度达到500℃左右时就会从表面析出，但检测的灵敏度不太高，获得信息的深度浅(0.5～10μm)。

(18)光电扫描法。分析用其他方法分离出来的夹杂物的光电扫描信号，以检测其尺寸分布。

(19)库尔特计数分析法。与LIMCA法相似，可检测电蚀法分离出来的夹杂物尺寸分布。

(20)液态金属洁净度分析法(LIMCA)。用传感器在线直接检测钢液中的夹杂物，由于穿过空隙进入传感器的夹杂物颗粒能改变空隙断面的电导率，检测电导率的变化便可检测夹杂物。(21)钢水超声技术。吸收超声脉冲反射信号，在线检测钢中夹杂物，在钢样的超声技术方面，高频超声波对于氧化物夹杂能产生很强烈的缺陷波反射，高频探伤仪可检测>30μm夹杂物的近似形状和尺寸。

(22)热差抽取(DTE)。可快速给出几类氧化夹杂含量，适合探讨工艺过程对某类夹杂的影响，而对于无形态粒度信息，加热过程可导致夹杂物发生变化。

综合方法

(1)电解抽取+化学分析(EE+CA)。无铁水预处理和炉外精炼设施的钢厂，也未采取全封闭浇铸，夹杂物含量高且大型夹杂(>50μm)比例大，需大量采样才能反映各类夹杂存在状况，用此方法测定总量，试样量约40～80g，分析时间5～6d。优点是取样量大，对大小颗粒都有代表性，含量和组成分析精度较好；缺点是费时，要求试剂及环境纯度高，不稳定夹杂物被溶解而测不到。

(2)电解抽取+电镜/能谱(EE+SEM/EDS)。对钢中复合夹杂物的形态、组成和分布等细节进行精细的研究。试样量约50～250g，分析时间8～10d。优点是取样量及信息量大，适合考察聚合或外来的大型夹杂；缺点是费时，不稳定夹杂物被破坏。

(1)、(2)两种方法中，由于电解抽取和化学分离(除去渗碳体)会损伤部分对酸性试剂不稳定的夹杂物，必要时须直接对钢样磨面作能谱分析，补充组成分析结果。

(3)抽取+激光衍射和散射(PSM)。试样量约50～100g，分析时间2～3d，3～5min测定，粒度0.1～1000μm；缺点是抽取(电解或酸溶)及除去碳化物均费时且可能损失目的物。

(4)电子束重熔+电镜/能谱(ESR+SEM/EDS)。当考察大型夹杂时，常需电解2～3kg钢样，并用淘洗法除去碳化物和小夹杂，EBR重熔可使夹杂上浮富集于钢样表面供分析综合信息。(5)高频超声探测(HE-US)。试样量由探测面与深度估计，分析时间3～4h。不分解试样，联合SEM/EDS可作原位分析；缺点是仅能探测到30μm以下的颗粒。