一種測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法
【專利摘要】一種采用激光誘導擊穿光譜原理快速測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法，通過對材料中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的快速表征，可以對鋼鐵材料的潔凈度進行評定。其分析過程為：樣品制備；樣品標記區域的確定；采用SEM和EDS分析球狀氧化物夾雜粒度相對分布；球狀氧化物夾雜粒度校準曲線的建立；采用激光誘導擊穿光譜測定分析樣品中球狀氧化物夾雜的粒度相對分布；球狀氧化物夾雜的評級；球狀氧化物夾雜含量的測定。此方法具有分析速度快、掃描面積大及不受樣品導電性限制等優點，可對鋼中球狀氧化物夾雜粒度分布測定并對夾雜物級別進行評定，在給出夾雜物粒度分布信息的同時，也給出夾雜物含量的信息。
【專利說明】一種測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料科學領域中的表面微區分析【技術領域】，尤其涉及一種采用激光誘導擊穿光譜快速測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的表征方法，從而對鋼材料的潔凈度及其性能進行評定。
【背景技術】
[0002]鋼中球狀氧化物夾雜的大小、分布及其含量對鋼鐵材料的性能有著重要的影響，對于板材、軸承鋼、重軌用鋼等而言直接影響其疲勞壽命和其它性能；對于汽車薄板而言直接影響其表面鍍層質量；對于高鉻合金鋼而言，球狀氧化物夾雜則影響其表面光潔度；鋼液中的球狀氧化物夾雜含量過高，則會使鋼液流動性降低，造成水口結瘤，影響操作。
[0003]鋼中球狀氧化物夾雜尺寸粒度分布的傳統表征方法有SEM和EDS (掃描電子顯微鏡配有能譜儀)、EPMA(電子探針微區分析)及金相顯微觀察法，這些方法的缺點在于樣品前處理非常繁瑣，不導電的材料需進行噴碳或噴金處理，分析速度慢，這些方法觀察的區域很小，若觀察區域過小，則其粒度統計分布不能代表材料中真實的夾雜物粒度分布情況，對于金相顯微觀察法，其夾雜物的類型需依據經驗進行判定，存在誤判的可能性。
[0004]現有分析鋼中球狀氧化物夾雜含量的方法有濕法分析及單火花放電原子發射光譜法，濕法分析的缺點在于樣品前處理非常繁瑣、分析周期長，不適合爐前分析，單火花放電原子發射光譜分析鋼中球狀氧化物夾雜的含量，其缺點在于采集樣本容量小，此外，火花放電斑點的大小決定了很難分析尺寸較小的樣品。
[0005]通常傳統的方法對鋼中球狀氧化物夾雜粒度分布及含量的表征分別采用原理完全不同的兩種方法，本發明則采用一種方法對兩種參數進行表征，在給出球狀氧化物夾雜粒度分布方面信息同時，還可給出球狀氧化物夾雜含量方面的信息。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種采用激光誘導擊穿光譜測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法，無須對樣品溶解，即可用于快速對鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量進行分析。
[0007]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0008]一種測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法，是采用激光誘導擊穿光譜，該方法包括如下步驟:
[0009]a)樣品制備；
[0010]b)標記樣品掃描激發區域；
[0011]c)采用SEM和EDS方法分析球狀氧化物夾雜個數及粒度相對分布；
[0012]d)根據上述SEM和EDS統計分析結果及激光誘導擊穿光譜掃描數據，建立球狀氧化物夾雜粒度的校準曲線；
[0013]e)采用激光誘導擊穿光譜測定樣品中球狀氧化物夾雜的粒度相對分布；
[0014]f)對球狀氧化物夾雜進行評級；
[0015]g)測定球狀氧化物夾雜的含量。
[0016]步驟a)中，樣品根據激光誘導擊穿光譜儀樣品盒的大小進行切割；
[0017]建立粒度校準曲線時，切割后的樣品經粗拋及細拋工序將樣品表面拋光；
[0018]對于待分析樣品，用砂紙打磨后直接掃描分析。
[0019]步驟b)中，用激光誘導擊穿光譜在處理后的樣品表面做若干個方形標記區域，標記區域的大小可依據樣品表面的大小確定。
[0020]步驟c)中，用SEM和EDS方法對標記區域的球狀氧化物夾雜粒度尺寸大小進行統計分析，并計算觀察區域總面積，燒蝕面積占總觀察面積的比例以及標記區域中總的夾雜物個數，并得到球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布圖。
[0021]步驟d)中，用激光誘導擊穿光譜對標記區域掃描分析，將樣品放置于樣品室中，通過觀察攝像頭移動樣品臺，使待激發的位置與標記區域的起點位置相重合，軟件中分析方法設置為面掃描方式，其掃描面積與標記區域的面積相一致；激光燒蝕掃描激發形成多個由不重合的激發點組成的激發區域，區域每個位置都獲取了激發信號，激發樣品形成高溫等離子體，被激發元素由激發態回到基態過程中釋放出特征譜線，這些譜線混合光通過光柵分光，形成單色光，由光電倍增管接收并轉換成電信號，再形成數字信號，從而得到所有物質對應的信號強度，其中異常信號強度個數為總的夾雜物個數X燒蝕面積占總觀察面積的比例，將異常信號從大到小依次排序，假設夾雜物粒度尺寸越大，其信號強度越大，根據SEM和EDS測得的不同夾雜物粒度尺寸相對分布，計算得到不同粒度尺寸對應的異常信號的個數，從而得出平均粒度尺寸所對應的信號強度，以平均粒度尺寸為橫坐標，對應的平均強度為縱坐標建立球狀氧化物夾雜粒度校準曲線。
[0022]步驟e)中，根據所建立的粒度校準曲線，計算不同粒度尺寸球狀氧化物夾雜所對應的強度，統計不同球狀氧化物夾雜粒度尺寸相對分布。
[0023]步驟f)中，將采集的所有數據轉化為數據矩陣的形式，以7X7(所對應的面積為
0.5mm2)的數據矩陣為滑動窗口，在此滑動窗口中，根據所建立粒度校準曲線分別統計3?8 μ m及8-13 μ m球狀氧化物夾雜的個數，并依據所有滑動窗口中在此粒度區間最多的球狀氧化物夾雜個數，分別對待評級區域進行細系與粗系的評定。
[0024]步驟g)中，對一套含有球狀氧化物夾雜的標準鋼鐵樣品進行激光誘導擊穿光譜掃描分析，采集后的所有數據分別以覆蓋因子K = 2，2.5及3進行迭代，每次迭代后所有大于閾值強度的數據減去平均強度之和作為球狀氧化物夾雜凈強度之和，以此為縱坐標，以球狀氧化物夾雜含量為橫坐標建立球狀氧化物夾雜含量校準曲線，對待測樣品進行分析。
[0025]該方法用于測定鋼中球狀氧化物夾雜的粒度尺寸分布及含量。
[0026]本方法與現行的分析方法的主要區別表現在:
[0027]1、與傳統的SEM和EDS (掃描電子顯微鏡配有能譜儀)、EPMA (電子探針微區分析)及金相顯微法相比較，激光誘導擊穿光譜在對鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布進行表征時，只需要建立粒度校準曲線時對樣品進行拋光處理，而對待分析樣品，只需用砂紙打磨后直接掃描分析，樣品制備速度快。
[0028]2、與傳統的SEM和EDS、EPMA及金相顯微法相比較，激光誘導擊穿光譜可進行大面積掃描，可以大面積統計待測樣品球狀氧化物夾雜粒度尺寸的分布，從而更能真實體現樣品實際的粒度尺寸分布情況，而SEM和EDS、EPMA及金相顯微法所觀察的區域非常小，需要統計大量的視場才能對樣品中球狀氧化物夾雜的粒度分布進行表征。
[0029]3、與傳統的SEM和EDS及EPMA相比，激光誘導擊穿光譜在對材料中元素的分布分析表征時，不僅可以對導電材料進行掃描分析，而且還可對非導電材料進行掃描分析，其應用范圍比經典的SEM和EDS及EPMA要廣泛。
[0030]4、與傳統的濕法分析方法相比較，無需對樣品進行溶解，只需用砂紙對樣品進行打磨后直接分析，分析速度快，由于避免了濕法溶樣過程，故減小樣品被沾污的可能性，提高分析準確度，與單火花放電原子發射光譜分析相比較，單火花放電是在固定位置，樣本容量小，此外，激光誘導擊穿光譜在提供球狀氧化物夾雜含量的同時，還可提供元素的二維分布，對鋼中球狀氧化物夾雜的分布有一個深入了解。
[0031]5、通常傳統的方法對鋼中球狀氧化物夾雜粒度分布及含量的表征分別采用原理完全不同的兩種方法，本發明則采用一種方法對其進行表征，在給出球狀氧化物夾雜粒度分布方面信息同時，還可給出球狀氧化物夾雜含量方面的信息。
[0032]本發明的有益效果在于:
[0033]與現行的方法比較，本發明對鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的表征優勢在于樣品前處理簡單、分析速度快及掃描面積范圍大，可以滿足快速爐前分析的需要從而及時對冶煉工藝進行指導。此外，激光誘導擊穿光譜不僅可以對導電的材料進行掃描分析，而且還可以對非導電的材料進行掃描分析，其應用范圍比SEM和EDS及EPMA廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明采用SEM和EDS表征標記區域Al2O3夾雜物粒度尺寸相對分布圖。
[0035]圖2為本發明采用激光誘導擊穿光譜建立的Al2O3夾雜物粒度校準曲線圖。
[0036]圖3SEM和EDS與激光誘導擊穿光譜所統計的Al2O3夾雜物粒度尺寸分布對比圖。
[0037]圖4A1203夾雜物含量校準曲線。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0039]本發明的實施須應用激光誘導擊穿光譜掃描分析儀，該儀器由Q開關Nd=YAG激光器、基于Paschen-Runge光路構型光譜儀、可充IS保護氣的樣品室、帶動樣品移動的三維步進電機及脈沖延時發生器等五部分組成。
[0040]激光激發樣品形成高溫等離子體，被激發元素由激發態回到基態過程中釋放出特征譜線，這些譜線混合光通過光柵分光，形成單色光，由光電倍增管接收并轉換成電信號，再形成數字信號。脈沖延時發生器用于控制光信號的采集，在信背比最佳時，開始積分采集光信號。
[0041]具體表征步驟如下:
[0042]a)樣品制備:樣品根據激光誘導擊穿光譜儀樣品盒的大小進行切割，切割后的樣品經粗拋及細拋工序將樣品表面拋光；
[0043]b)樣品標記區域的確定:用激光誘導擊穿光譜在拋光后的樣品表面做若干個方形標記區域，標記區域的大小可依據樣品表面的大小確定；
[0044]c)采用SEM和EDS分析球狀氧化物夾雜粒度相對分布:用SEM和EDS對標記區域的球狀氧化物夾雜粒度尺寸大小分布進行統計分析，并計算觀察區域總面積，燒蝕面積占總觀察面積的比例以及標記區域中總的夾雜物個數，并得到球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布圖；
[0045]d)球狀氧化物夾雜粒度校準曲線的建立:用激光誘導擊穿光譜儀對標記區域進行掃描，將樣品放置于樣品室中，通過觀察攝像頭移動樣品臺，使待激發的位置與標記區域的起點位置相重合，軟件中分析方法設置為面掃描方式，其掃描面積與標記區域的面積相一致；激光燒蝕掃描激發形成多個由不重合的激發點組成的激發區域，區域每個位置都獲取了激發信號；激發樣品形成高溫等離子體，被激發元素由激發態回到基態過程中釋放出特征譜線，這些譜線混合光通過光柵分光，形成單色光，由光電倍增管接收并轉換成電信號，再形成數字信號，從而得到所有物質對應的信號強度，其中異常信號強度個數為總的夾雜物個數X燒蝕面積占總觀察面積的比例，將異常信號從大到小依次排序，假設夾雜物粒度尺寸越大，其信號強度越大，根據SEM和EDS測得的不同球狀氧化物夾雜粒度尺寸相對分布，計算得到不同粒度尺寸對應的異常信號的個數，從而得出平均粒度尺寸所對應的信號強度，以平均粒度尺寸為橫坐標，對應的平均強度為縱坐標建立球狀氧化物夾雜粒度校準曲線；
[0046]e)采用激光誘導擊穿光譜測定球狀氧化物夾雜的粒度相對分布:根據所建立的粒度校準曲線，分別統計不同粒度尺寸球狀氧化物夾雜所對應的強度，根據相應的強度對照所有信號強度得出不同粒度尺寸球狀氧化物夾雜個數，從而統計不同球狀氧化物夾雜粒度尺寸相對分布；
[0047]f)球狀氧化物夾雜的評級:對待評級區域進行激光誘導擊穿光譜掃描分析，將采集的所有數據轉化為數據矩陣的形式，以7X7的數據矩陣為滑動窗口，在此滑動窗口中，根據所建立的粒度校準曲線分別統計3?8 μ m及8-13 μ m球狀氧化物夾雜的個數，并根據所有滑動窗口中在此粒度區間最多的球狀氧化物夾雜個數，依據“鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法”國家標準附錄A中的評級圖分別對待評級區域進行細系與粗系的評定；
[0048]g)球狀氧化物夾雜含量的測定:對一套含有球狀氧化物夾雜的標準鋼鐵樣品進行激光誘導擊穿光譜掃描分析，采集后的所有數據分別以覆蓋因子K = 2，2.5及3進行迭代，確定區分非球狀氧化物夾雜和球狀氧化物夾雜的閾值強度之后，大于閾值強度的所有數據減去平均強度并求和作為球狀氧化物夾雜凈強度之和，以此作為縱坐標，所對應的球狀氧化物夾雜含量為橫坐標建立含量校準曲線，以每次迭代后的線性相關系數確定待分析樣品的校準曲線，選擇線性相關系數較好的校準曲線對待測樣品進行分析。
[0049]實施例(牌號GCr 15軸承鋼中Al2O3夾雜物粒度尺寸分布及含量的表征為例)
[0050]本實施例以激光誘導擊穿光譜對牌號GCrl5軸承鋼中Al2O3夾雜物粒度尺寸分布及含量的表征進行說明。
[0051]Al2O3夾雜物粒度尺寸分布的表征
[0052]a)樣品制備:牌號GCrl5軸承鋼樣品根據激光誘導擊穿光譜儀樣品盒的大小進行切割，切割后的樣品經粗拋及細拋工序將樣品表面拋光；
[0053]b)樣品標記區域的確定:用激光誘導擊穿光譜在拋光后的樣品表面做6個方形標記區域，標記區域的大小為3 X 3mm2 ;
[0054]c)采用SEM和EDS分析Al2O3夾雜物粒度相對分布:用SEM和EDS對GCr 15軸承鋼標記區域的Al2O3夾雜物粒度尺寸大小進行統計分析。經統計SEM和EDS觀察區域總面積為54mm2，燒蝕面積占觀察區域的57%，標記區域中所有Al2O3夾雜物的個數為327，其粒度相對分布為:小于I μ m的Al2O3夾雜物占30.3 %，1-3 μ m的Al2O3夾雜物占48.6 %，3-5 μ m的Al2O3夾雜物占13.8 %，5-7 μ m的Al2O3夾雜物占2.7 %，7_9 μ m的Al2O3夾雜物占2.7 %，9-11 μπι的Al2O3夾雜物占1.9%，其相對分布見附圖1 ;
[0055](I)Al2O3夾雜物粒度校準曲線的建立:用激光誘導擊穿光譜儀對標記區域進行掃描，步進電機步距沿X及Y方向步距均為100 μ m，得到5766個信號強度，其中異常信號強度個數為327X57%= 186個，將異常信號從大到小依次排序，假設Al2O3夾雜物粒度尺寸越大，其信號強度越大，根據SEM和EDS測得的不同Al2O3夾雜物粒度尺寸相對分布，計算得到不同粒度尺寸對應的異常信號個數，從而得出平均粒度尺寸所對應的信號強度，以平均粒度尺寸為橫坐標，對應的平均強度為縱坐標建立Al2O3夾雜物粒度校準曲線，見附圖2 ；
[0056]e)采用激光誘導擊穿光譜測定Al2O3夾雜物的粒度相對分布:根據所建立的粒度校準曲線，分別計算待分析區域不同粒度尺寸Al2O3夾雜物所對應的強度，從而統計不同Al2O3夾雜物粒度尺寸相對分布，其粒度相對分布為:小于I μ m的Al2O3夾雜物占28.1%,
1-3 μ m的Al2O3夾雜物占53.2 %，3-5 μ m的Al2O3夾雜物占10.9 %，5-7 μ m的Al2O3夾雜物占3.1%，7-9μπι的Al2O3夾雜物占3.1%，9_11 μ m的Al2O3夾雜物占1.6%，由激光誘導掃描光譜所統計的Al2O3夾雜物粒度尺寸分布與SEM和EDS統計所得的粒度分布見附圖3，由附圖3可見，激光誘導掃描光譜儀對Al2O3夾雜物粒度分布的表征與SEM和EDS吻合的較好;
[0057]f)Al2O3夾雜物的評級:對待分析區域所有數據轉化為數據矩陣的形式，以7X7數據矩陣為滑動窗口統計3?8μπι及8?13μπι Al2O3夾雜物個數，經統計滑動窗口中3?8 μ m的Al2O3夾雜物最多的個數為8個，細系可評為1.0級，滑動窗口中8?13 μ m Al2O3夾雜物最多的個數為3個，粗系可評為0.5級，與金相顯微評級結果(細系1.0級，粗系0.5級)吻合的較好。
[0058]Al2O3夾雜物含量的表征
[0059]對編號為GSBH40078-94及SS457-SS460標準樣品進行激光誘導擊穿光譜線掃描分析，采集后的數據分別用K = 2，2.5及3時進行迭代以此作為閾值強度，所有大于閾值強度的數據減去平均強度并求和(凈強度之和)，以凈強度之和為縱坐標，球狀Al2O3夾雜物含量為橫坐標建立校準曲線，選擇線性相關性較好的含量校準曲線對待測樣品進行分析，Al2O3夾雜物含量校準曲線見附圖4 ；
[0060]在此校準曲線基礎之上，對編號為106#，111#, 117#等三塊板坯實際樣品進行激光誘導擊穿光譜線掃描分析，其測定值分別為0.003% (化學定值法0.002% ),0.005%(化學定值法0.006% )及0.002% (化學定值法0.001% ),與化學法測定值吻合的較好。[0061 ] 此方法的優點在于，在提供鋼中球狀氧化物夾雜粒度分布的同時，還可提供球狀氧化物夾雜含量方面的信息。
【權利要求】
1.一種測定鋼中球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布及含量的方法，是采用激光誘導擊穿光譜，其特征在于，該方法包括如下步驟: a)樣品制備； b)標記樣品掃描激發區域； c)采用SEM和EDS方法分析球狀氧化物夾雜個數及粒度相對分布； d)根據上述SEM和EDS統計分析結果及激光誘導擊穿光譜掃描數據，建立球狀氧化物夾雜粒度的校準曲線； e)采用激光誘導擊穿光譜測定樣品中球狀氧化物夾雜的粒度相對分布； f)對球狀氧化物夾雜進行評級； g)測定球狀氧化物夾雜的含量。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟a)中，樣品根據激光誘導擊穿光譜儀樣品盒的大小進行切割； 建立粒度校準曲線時，切割后的樣品經粗拋及細拋工序將樣品表面拋光； 對于待分析樣品，用 砂紙打磨后直接掃描分析。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟b)中，用激光誘導擊穿光譜在處理后的樣品表面做若干個方形標記區域，標記區域的大小可依據樣品表面的大小確定。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟c)中，用SEM和EDS方法對標記區域的球狀氧化物夾雜粒度尺寸大小進行統計分析，并計算觀察區域總面積，燒蝕面積占總觀察面積的比例以及標記區域中總的夾雜物個數，并得到球狀氧化物夾雜粒度尺寸分布圖。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟d)中，用激光誘導擊穿光譜對標記區域掃描分析，將樣品放置于樣品室中，通過觀察攝像頭移動樣品臺，使待激發的位置與標記區域的起點位置相重合，軟件中分析方法設置為面掃描方式，其掃描面積與標記區域的面積相一致；激光燒蝕掃描激發形成多個由不重合的激發點組成的激發區域，區域每個位置都獲取了激發信號，激發樣品形成高溫等離子體，被激發元素由激發態回到基態過程中釋放出特征譜線，這些譜線混合光通過光柵分光，形成單色光，由光電倍增管接收并轉換成電信號，再形成數字信號，從而得到所有物質對應的信號強度，其中異常信號強度個數為總的夾雜物個數X燒蝕面積占總觀察面積的比例，將異常信號從大到小依次排序，假設夾雜物粒度尺寸越大，其信號強度越大，根據SEM和EDS測得的不同夾雜物粒度尺寸相對分布，計算得到不同粒度尺寸對應的異常信號的個數，從而得出平均粒度尺寸所對應的信號強度，以平均粒度尺寸為橫坐標，對應的平均強度為縱坐標建立球狀氧化物夾雜粒度校準曲線。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟e)中，根據所建立的粒度校準曲線，計算不同粒度尺寸球狀氧化物夾雜所對應的強度，統計不同球狀氧化物夾雜粒度尺寸相對分布。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟f)中，將采集的所有數據轉化為數據矩陣的形式，以7X7(所對應的面積為.0.5mm2)的數據矩陣為滑動窗口，在此滑動窗口中，根據所建立粒度校準曲線分別統計3~8 μ m及8-13 μ m球狀氧化物夾雜的個數，并依據所有滑動窗口中在此粒度區間最多的球狀氧化物夾雜個數，分別對待評級區域進行細系與粗系的評定。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 步驟g)中，對一套含有球狀氧化物夾雜的標準鋼鐵樣品進行激光誘導擊穿光譜掃描分析，采集后的所有數據分別以覆蓋因子K = 2，2.5及3進行迭代，每次迭代后所有大于閾值強度的數據減去平均強度之和作為球狀氧化物夾雜凈強度之和，以此為縱坐標，以球狀氧化物夾雜含量為橫坐標建立球狀氧化物夾雜含量校準曲線，對待測樣品進行分析。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于， 該 方法用于測定鋼中球狀氧化物夾雜的粒度尺寸分布及含量。
【文檔編號】G01N15/02GK104048902SQ201410287404
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】賈云海, 陳吉文, 張勇, 楊春, 李冬玲, 李美玲, 韓鵬程, 陳永彥 申請人:鋼研納克檢測技術有限公司