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法通過簡單的浮選去除，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。
生產(chǎn)鋼材的過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?？梢酝ㄟ^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ppm，并將所有氧化物夾雜物轉(zhuǎn)化為微米級的Al2O3。在某些情況下，進(jìn)一步調(diào)整夾雜物種類是有利且必要的。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?，形成氮化鈦?/section>總體而言，這可能會導(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于其控制性優(yōu)化至關(guān)重要。本應(yīng)用說明重點(diǎn)介紹了使用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜（EDS）對鋼中復(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。使用Thermo Scientific™ Axia-Perception新一代全自動鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng)對鋼樣品進(jìn)行了自動夾雜物分析，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)使得顆粒檢測和EDS分類變得快速高效。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)行測量。為簡化分析，鐵和氧元素被排除在外。
圖1：來自Perception系統(tǒng)的不同類型夾雜物的自動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型（Ti N、CaS和CA或鈣鋁酸鹽）及其組合的自動拍攝的背散射電子（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。
在測量夾雜物顆粒的同時，EDS數(shù)據(jù)也被收集到每個夾雜物上；隨后可以根據(jù)其成分和形狀對夾雜物進(jìn)行分類。
共表征了3888個夾雜物，并在三元相圖（圖2）和分類表（圖3）中顯示。
圖2：Ca-TiN- S和Ca-Al- S三元相圖，揭示了三種不同夾雜物類別的成分和尺寸分布。圖3：三種不同夾雜物類別的顆粒尺寸直方圖和分類表。在每個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，而是一個化合物沉淀在另一個化合物之上。鈣硫化物（或鈣鋁酸鹽）夾雜物是在精煉過程中形成的，而氮化鈦則是在鑄造時由于偏析效應(yīng)而形成。氧化物和硫化物夾雜物作為異質(zhì)形核點(diǎn)，在凝固過程中促使氮化物在凝固前形成。選取了兩個夾雜物進(jìn)行進(jìn)一步研究。圖4展示了其自動拍攝BSE圖像及EDS成分的原子百分比。兩個夾雜物均包含一個深色的核心，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，從圖像中尚無法明確硫是與氧化物相、硫化物相，還是兩者皆有。圖4 ：Pereption自動化的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)的一種新型相識別和定量分析引擎。通過Chemi Phase分析,對圖4中顯示的鋼夾雜物進(jìn)行了全新的評估，統(tǒng)計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中存在兩個夾雜相，而顆粒B中存在三個相。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的核心具有兩個部分，即CaS和Ca-Al 氧化物，而BSE圖像則僅顯示存在一個相。圖5：BSE圖、Chemi Phase分析圖及兩個夾雜物的相面積分?jǐn)?shù)。通過Axia-Perception新一代全自動鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng)，自動收集了包含圖像、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)先的自動化夾雜物分析和分類功能，結(jié)合卓越的報告生成能力，能夠精準(zhǔn)識別、定位和統(tǒng)計鋼鐵材料中的夾雜物問題，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，系統(tǒng)功能不斷完善，是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最準(zhǔn)確, 最專業(yè)的夾雜物自動分析系統(tǒng)。同時搭載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。
