基于火花源原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)的IF鋼夾雜物表征方法研究

李冬玲，趙 雷，沈?qū)W靜，王海舟

1.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081 2.金屬材料表征北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3.鋼鐵研究總院，北京 100081

引 言

近年來，以IF鋼為代表的汽車面板鋼廣泛應(yīng)用于汽車及家電面板等領(lǐng)域，對表面質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，夾雜物的存在對冷軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能有顯著的影響[1]。在IF鋼連鑄過程中，由于結(jié)晶器彎月面處形成“鉤狀”坯殼，鋼液中聚集上浮的夾雜物極易被其捕捉，導(dǎo)致鑄坯表層部位大型夾雜物數(shù)量增多[2-5]，必須對鑄坯表面進(jìn)行清理，但清理深度還需要進(jìn)一步的研究，清理深度不足，則可能無法有效去除大顆粒夾雜物，清理深度過大，則鐵損增加，導(dǎo)致清理成本增加。而生產(chǎn)工藝的差別也導(dǎo)致了IF鋼表層夾雜物數(shù)量、種類和尺寸分布的不確定性，因此系統(tǒng)研究IF鋼鑄坯夾雜物分布的定量表征方法，對于探尋IF鋼表層夾雜物分布規(guī)律，確定合適的鑄坯表層清理深度，實(shí)現(xiàn)對結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的控制具有重要意義。

目前有多篇文獻(xiàn)[1，6-8]報(bào)道了采用掃描電鏡結(jié)合能譜分析的方法對夾雜物的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析檢驗(yàn)，但由于掃描電鏡所觀察的視場有限，在做大尺寸截面夾雜物統(tǒng)計(jì)分析時(shí)非常耗時(shí)，當(dāng)采用自動(dòng)掃描統(tǒng)計(jì)功能時(shí)，統(tǒng)計(jì)的夾雜物為5或15 μm以上，這將導(dǎo)致一些夾雜物發(fā)生漏檢或誤判，因此對其夾雜物的定量分析結(jié)果的代表性還存在疑問。金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)通過對無預(yù)燃、連續(xù)掃描激發(fā)的火花放電所產(chǎn)生的元素光譜信號進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和解析，可獲得反映材料性質(zhì)的各種信息，在實(shí)現(xiàn)大尺寸鑄坯偏析分析的同時(shí)，獲得夾雜物含量和尺寸的快速定量分布分析[9-12]。但不同工藝和不同材料的夾雜物原位統(tǒng)計(jì)定量分布表征必須依賴匹配的夾雜物定量分析模型的建立，已有報(bào)道里面均沒有涉及針對IF鋼夾雜物粒度分布的金屬原位統(tǒng)計(jì)定量方法的系統(tǒng)研究。本文將火花源-原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)與掃描電鏡能譜分析相結(jié)合，IF鋼中夾雜物的異常放電行為，探討了研究了IF鋼中Al的異常光譜信號與氧化物夾雜粒度分布的相關(guān)性，以已知粒度分布類型匹配的IF鋼樣品為參考樣品，繪制了IF鋼夾雜物粒度分布的火花光譜定量工作曲線，建立了基于火花源原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)的IF鋼夾雜物表征方法。研究了IF鋼外弧處皮下0～3 mm處的夾雜物含量、組成和粒度分布的變化規(guī)律，對于IF鋼的工藝改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原位統(tǒng)計(jì)分布分析儀器及參數(shù)

所用儀器為OPA-100金屬原位分析儀，儀器的基本參數(shù)如表1所示。相對于元素的偏析分析，夾雜物的原位統(tǒng)計(jì)分布分析與儀器的掃描方式密切相關(guān)，由于單個(gè)脈沖中火花擴(kuò)散放電的區(qū)域?yàn)榧s2～4 mm，如果儀器掃描的步距太小，逐行掃描時(shí)，將會有一定面積的重合，產(chǎn)生夾雜物的重熔，導(dǎo)致夾雜物對光譜信號的貢獻(xiàn)減少，因此本研究將儀器的掃描步距設(shè)定為4 mm。

表1 OPA-100儀器參數(shù)Table 1 Instrument parameters of OPA-100

1.2 原位試驗(yàn)樣品的制備

待分析樣品為230 mm厚的IF鋼鑄坯，其參考成分如表2所示。沿外弧方向表面至內(nèi)部進(jìn)行逐層的切削和磨制，并逐層進(jìn)行夾雜物的原位統(tǒng)計(jì)分布分析，控制每層的間距為0.5 mm。表層由于一些沾污或氧化皮的存在，沒有進(jìn)行原位分析，分析的截面分別距表層為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0 mm。每層的分析部位和區(qū)域保持一致，掃描面積為60mm×36 mm(圖1)。采用46目樹脂砂紙磨制樣品，表面用乙醇清洗并吹干。

表2 IF鋼鑄坯的成分范圍(%)Table 2 Composition content range of IF steel slab (%)

圖1 樣品的分析區(qū)域Fig.1 Analytical area of sample

1.3 夾雜物形貌和數(shù)量的掃描電鏡觀察

從IF鋼鑄坯內(nèi)部截取一個(gè)60 mm×36 mm×15 mm的塊狀樣品，其中60 mm×36 mm的截面與表層平行，沿該截面均分為兩塊試樣，一塊用于金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析并繪制鋁夾雜物粒度的火花光譜定量工作曲線。另一半繼續(xù)平均分割為6個(gè)10 mm×18 mm×15 mm的小樣品，將每塊樣品與表面平行的截面進(jìn)行拋光處理。采用JSM-6400掃描電子顯微鏡(日本電子)觀察了六塊樣品中夾雜物的形貌，并采用EDΛX能譜儀對夾雜物成分進(jìn)行了分析。統(tǒng)計(jì)夾雜物的顆粒尺寸和數(shù)目時(shí)，掃描電鏡的放大倍數(shù)設(shè)置為2 000倍，每塊樣品參加統(tǒng)計(jì)的視場個(gè)數(shù)為200個(gè)，最終匯總6塊小樣品的夾雜物數(shù)量和尺寸分布，統(tǒng)計(jì)的視場面積約為4 mm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 IF鋼中夾雜物的異常放電行為研究

對從IF鋼鑄坯內(nèi)部截取的試樣進(jìn)行了掃描電鏡觀察和夾雜物組成分析(圖2—圖5)，可知IF鋼中的主要夾雜物為氧化鋁，且基本小于5 μm，但也會有少量復(fù)合的Al和Ca夾雜物和含鈦夾雜物。大于5 μm的夾雜物較少，主要以純的氧化鋁為主。當(dāng)火花放電激發(fā)到含有夾雜物的區(qū)域時(shí)，在夾雜物邊緣會產(chǎn)生優(yōu)先放電，小顆粒夾雜物在5～10次脈沖放電時(shí)即有明顯的被激發(fā)、侵蝕的跡象(圖6)，而當(dāng)放電脈沖次數(shù)達(dá)50次時(shí)，放電點(diǎn)明顯增多，夾雜物的邊緣和中心都有被激發(fā)的痕跡(圖7)。可見夾雜物邊緣的優(yōu)先放電以及夾雜物中某些元素產(chǎn)生局部濃度富集，導(dǎo)致了夾雜物組成元素的光譜強(qiáng)度會異常增高，這些異常光譜信號里面包含了大量夾雜物的狀態(tài)信息。對IF鋼內(nèi)部截取的6個(gè)小樣品中的氧化鋁夾雜物進(jìn)行了數(shù)量和尺寸統(tǒng)計(jì)(表3),發(fā)現(xiàn)IF鋼中的氧化鋁夾雜物總體較少，在參與統(tǒng)計(jì)的1 200個(gè)視場中僅統(tǒng)計(jì)到523個(gè)氧化鋁夾雜物，1～5 μm的夾雜物占了極大比例。而大顆粒夾雜基本分布較為彌散，1和2號樣品中幾乎都沒有出現(xiàn)大于10 μm的夾雜物，而在5和6號區(qū)域發(fā)現(xiàn)相對較多的大于10 μm的顆粒，可見必須對樣品進(jìn)行大尺寸范圍的夾雜物統(tǒng)計(jì)分布分析，才能使夾雜物定量表征結(jié)果更具代表性。

圖2 IF鋼中的氧化鋁夾雜物形貌和組成Fig.2 Morphology and composition of aluminium oxide in IF steel

圖4 IF鋼中的氮化鈦夾雜物形貌和和組成Fig.4 Morphology and composition of ctitanium nitridein IF steel

圖6 樣品10次放電的激發(fā)點(diǎn)形貌Fig.6 Morphology of excited spot with ten sparks

圖3 IF鋼中的復(fù)合夾雜物形貌和組成Fig.3 Morphology and composition of complex inclusion in IF steel

圖5 IF鋼中的大顆粒氧化鋁夾雜物形貌和組成Fig.5 Morphology and composition of big aluminium oxide in IF steel

圖7 樣品50次放電的激發(fā)點(diǎn)形貌Fig.7 Morphology of excited spot with fifty sparks

表3 6塊小樣品的不同粒度區(qū)間的氧化物夾雜顆粒數(shù)目Table 3 Inclusion particle number in different size range from six small samples

2.2 IF鋼中異常火花信號與夾雜物粒徑分布的相關(guān)性研究

相同時(shí)間序列段上Al，Ca和Si的火花光譜如圖8所示，可見Al和Ca元素光譜上出現(xiàn)了許多強(qiáng)度異常高的信號，并且在某些時(shí)間點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)了異常，但Si通道中的異常信號不明顯。通道合成的結(jié)果表明IF鋼中主要有Al的氧化物，也會出現(xiàn)少量的Al和Ca復(fù)合夾雜物，與掃描電鏡和能譜分析結(jié)果相符。鋼中硅大部分固溶在基體中，形成氧化物的比例相對較低，因此Si元素的異常信號較少。鋼中的Ca基本以夾雜物的形式存在，因此即使微量的Ca存在也會呈現(xiàn)出明顯的異常信號。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，IF鋼樣品包含多種不同粒徑的夾雜物，通過掃描電鏡的多視場統(tǒng)計(jì)得出了不同粒徑的夾雜物的數(shù)量百分?jǐn)?shù)，因此可以將該塊已知粒度分布的IF鋼樣品視為粒度分布的集合參考物質(zhì)，并與主要夾雜物元素Al的異常光譜信號建立相關(guān)關(guān)系，繪制強(qiáng)度和粒徑的定量工作曲線。異常火花信號的判斷依據(jù)是在95%的置信概率下，當(dāng)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的元素光譜信號強(qiáng)度超過其光譜總體平均強(qiáng)度與兩倍標(biāo)準(zhǔn)偏差之和時(shí)，該信號被視為異常信號。通過異常信號出現(xiàn)的頻次占總體信號頻數(shù)的比例可以求得IF鋼中夾雜Al的含量[5]。據(jù)此法求得的該塊IF鋼的夾雜鋁為0.002 0%，與樣品的總氧含量匹配較好，說明夾雜物含量的定值較為可靠。所得異?；鸹▋魪?qiáng)度(異常光譜信號強(qiáng)度與總體平均強(qiáng)度的差值)與夾雜物粒徑的多元線性回歸曲線如圖9所示?？梢妸A雜物粒徑在5 μm以下時(shí)，異常火花凈強(qiáng)度與粒徑幾乎呈一元線性關(guān)系，但隨著夾雜物顆粒的增大，異常信號強(qiáng)度的增加更加明顯，二元線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)較好，數(shù)值高于0.99，說明夾雜物粒徑的平方與異常信號密切相關(guān)。同時(shí)也表明當(dāng)激發(fā)深度基本一致的情況下，待測截面上的夾雜物面積分?jǐn)?shù)對異常強(qiáng)度具有直接貢獻(xiàn)。該多元線性回歸曲線可用于未知IF鋼樣品的粒度分布的統(tǒng)計(jì)表征。

圖8 Al，Ca和Si的火花光譜圖圖Fig.8 Spark spectrum of Al,Ca and Si

圖9 異?；鸹▋魪?qiáng)度與夾雜物粒徑的相關(guān)性Fig.9 Relationship between the net intensity of abnormal spark and inclusion size

2.3 IF鋼表層夾雜物定量分布分析結(jié)果

采用OPA100對IF鋼從表層到內(nèi)部0～3 mm的區(qū)域的進(jìn)行了逐層面掃描，其中Al的二維分布圖如圖10所示?？梢钥闯鯥F鋼在皮下1.5～2.5 mm之間Al的分布較為不均勻，有很多紅色的異常高含量點(diǎn)出現(xiàn),利用2.2所述的多元回歸方程對樣品中的鋁夾雜物進(jìn)行了粒度分布定量表征，不同層的夾雜物含量、粒度分布的原位統(tǒng)計(jì)分布分析結(jié)果如表4和表5所示。同一區(qū)域IF鋼在皮下1.5～2.5 mm處總Al含量較高，偏析也較為嚴(yán)重，其統(tǒng)計(jì)偏析度均超過0.23，同時(shí)夾雜Al的含量在1.5和2.5 mm處達(dá)到一個(gè)較大值0.002 8%?？芍狪F鋼中的夾雜物顆粒主要為0～5 μm，但也存在一些大于10 μm的夾雜物。同時(shí)不同皮下深度夾雜物的組成結(jié)構(gòu)(表6)也存在一定差異，在皮下1.5和2.0 mm處，Al-Ca的復(fù)合夾雜物較多，數(shù)量百分?jǐn)?shù)超過18%。

圖10 不同皮下深度的Al的二維分布圖Fig.10 2D distribution graph of Al in different depth beneath the surface

2.4 IF鋼外弧方向皮下不同深度處氧化物夾雜物的分布規(guī)律

不同外弧方向皮下深度的夾雜物含量和粒度分布以及組成變化趨勢如圖11和圖12所示。依據(jù)組成成分的不同，皮下夾雜物分成兩大類：一種為脫氧產(chǎn)物類，其成分較為簡單，主要氧化鋁，另一種為卷渣類，主要來源是鋼包渣、中間包渣及連鑄保護(hù)渣，其成分較為復(fù)雜，為包含Al,Ca,Si等元素的復(fù)合夾雜物。IF鋼表層0～3 mm中的夾雜物主要以脫氧產(chǎn)物氧化鋁為主，但也有一些卷渣類夾雜物引入。由圖11可知，在皮下1.5～2.0 mm處，AlCa的復(fù)合夾雜物有較大增加，說明在此區(qū)域有一些保護(hù)渣卷入其中，也導(dǎo)致了脫氧類夾雜物比例的下降。文獻(xiàn)[3]物理模擬結(jié)果表明，IF鋼夾雜物多在結(jié)晶器彎月面附近被凝固鉤捕集，另有少部分在液面以下被凝固鉤捕集，由此造成坯殼表層不同深度夾雜物數(shù)量不同。在流股沖刷作用下，夾雜物可能逃離凝固鉤返回到鋼液中。在皮下0.5～1.0 mm處，夾雜鋁的含量均較低，說明大量的夾雜物已經(jīng)上浮。0.5 mm處0～5 μm的夾雜物相對較多，平均粒徑也較小，而皮下1.0 mm處，夾雜Al的含量較少，沒來得及上浮的夾雜物顆粒較大，平均粒徑達(dá)6.779 μm，大于10 μm的夾雜物接近20%。1.5～2.5 mm處的夾雜物含量較多，粒度差別不大，但10～25 μm大顆粒夾雜物都比皮下0.5 mm處要多，說明凝固鉤對該部位上浮的夾雜物有一定的捕捉作用。到皮下3.0 mm處，夾雜物含量和平均粒徑有所降低。

表4 Al的統(tǒng)計(jì)分布分析結(jié)果Table 4 Statistic distribution results of Al

表5 不同層的粒度分布結(jié)果(%)Table 5 Size distribution results from different layers(%)

表6 不同層的各類Al系夾雜物所占百分?jǐn)?shù)(%)Table 6 Percentage of all kinds of aluminum inclusionfrom different layers (%)

圖11 不同外弧方向皮下深度夾雜物含量的變化Fig.11 Composition change of inclusions in different depth beneath

圖12 不同皮下深度夾雜物含量和尺寸的變化Fig.12 Content and size change of inclusionsin different depth beneath the surface the surface

3 結(jié) 論

將火花源-原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)與掃描電鏡能譜分析相結(jié)合，研究了IF鋼中夾雜物的異常放電行為，并制備了匹配的IF鋼粒度分布參考物質(zhì)，探討了IF鋼中Al的異常光譜信號與氧化物夾雜粒度分布的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)夾雜物組成元素異常信號凈強(qiáng)度與夾雜物粒徑的二元線性回歸方程具有良好的線性相關(guān)性，說明夾雜物粒徑的平方與異常信號密切相關(guān)。同時(shí)也表明當(dāng)激發(fā)深度基本一致的情況下，待測截面上的夾雜物面積分?jǐn)?shù)對異常強(qiáng)度具有直接貢獻(xiàn)。并由此建立了基于火花源原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)的IF鋼夾雜物組成、含量和粒度分布表征方法。研究了IF鋼外弧處皮下0～3 mm處的夾雜物含量、組成和粒度分布的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)IF鋼表層0～3 mm中的夾雜物主要以脫氧產(chǎn)物氧化鋁為主，但在皮下1.5～2.0 mm處，由于一些保護(hù)渣的卷入導(dǎo)致AlCa的復(fù)合夾雜物有較大增加。1.5～2.5 mm處的夾雜物含量較多，粒度變化不大，但10～25 μm大顆粒夾雜物都比皮下0.5 mm處要多，說明凝固鉤對該部位上浮的夾雜物有一定的捕捉作用，到皮下3.0 mm處，夾雜物含量和平均粒徑有所降低。該表征方法的建立對于IF鋼工藝的具有重要指導(dǎo)作用。