世界各地生產的低碳鋼被廣泛用于汽車、建筑、石油和天然氣管道等。由于納米級氮化鋁的沉淀可以固定晶界，因此許多應用都利用鋁來形成細粒度的微觀結構。鋁脫氧的缺點之一是，它會留下大量微米級的氧化物，這些氧化物在彎曲、焊接或疲勞試驗時容易結合并成為裂紋的源頭。圖 1 顯示了鋁鎮靜鈣處理鋼的典型夾雜物分布。

 

圖 1 在 50 mm² 的掃描視場中，鋁鎮靜、鈣處理鋼的夾雜物分布，包含許多硫化鈣（左軸）、鋁酸鈣（中心）和尖晶石夾雜物。

本研究采用了另一種方法，即利用鈦、鎂和鈣進行脫氧。該試驗通過高爐 - 堿性氧氣爐綜合路線進行，同時包括鋼包冶金和 RH 脫氣，以便在板坯連鑄之前進行精煉。

掃描電鏡（SEM）通過設置背散射電子圖像的灰度閾值來區分夾雜物和基體。大多數鋼鐵夾雜物的平均原子量低于鐵基體，在較亮的背景中顯示為較暗的顆粒。能譜（EDS）收集每個夾雜物的化學元素信息，然后將其繪制在三元相圖上。不同的顏色表示大小，位置表示歸一化的元素含量。
 

圖 2 用于試驗的鋼的成分

測試方法和結果

通過自動夾雜物分析，來反映精煉過程中非金屬夾雜物的化學成分特征。飛納電鏡的 ParticleX 集成了掃描電鏡和能譜，并具有一套全自動運行的軟件系統，可以實現夾雜物的快速檢測和分類。分析目標是直徑大于 1μm 的任何夾雜物，分析面積超過 70 mm²。

鋼包精煉從添加錳和硅作為脫氧的主要來源開始，脫氧應產生約 50 ppm 的總氧含量。然后將塊狀 FeTi 合金和絲狀 NiMg 合金添加到熔體中，進一步降低總氧含量。在這個階段，形成了大量的氮化鈦、氧化鎂和錳 / 鈣硫化物。在這里，單一的三元相圖不能代表所有相，可以創建多個三元相圖。這些圖顯示了夾雜物在兩相（TiN + 硫化物或 MgO + 硫化物）之間的連續分布情況。
 

圖 3 添加鈦和鎂合金后的 Ti-S-N（頂部）和 Mn-S-Mg（中部）三元圖， 以及添加鈣后的 Mn-S-Mg（底部）三元圖。

圖 4 每個夾雜物的背散射電子圖像都可以保存。這里展示了一個 TiN 立方體（左）和 MgO-CaS 復合相（右）的圖像，氧化鎂的背散射圖像要暗得多。長度 大概有 2μm。

鋼包精煉之后是 RH 脫氣過程。在這里，鋼水通過位于鋼包上方的真空室循環進出鋼包，這很容易使熔池溫度和成分均勻化。脫氣 10 分鐘后添加鈣絲，來改善硫化物夾雜物。

鈣處理通過生成 CaS 來改變硫化物夾雜物，之前主要是 MnS。在相圖底部軸上，MnS 夾雜物在約 40% 的硫含量下被識別，其中富含 CaS 的夾雜物更接近硫的頂點。所有夾雜物在第一相 MgO 和第二相 CaS 之間連續分布。
 

圖 5 手動分析復合 MgO-CaS 包裹體，顯示 BSE 圖像（左）、EDS 圖譜（右）和包裹體能譜譜圖（下）。EDS 圖譜顯示鎂為紅色，鈣為藍色，鐵為綠色。

飛納 ParticleX 可對樣品進行全自動夾雜物分析。使用預先設定好的流程和分析參數可以快速設置。只需按下一個按鈕，即可開始分析并收集夾雜物數據，從而在第一時間獲得可信的結果。之后，收集到的測試結果可以一鍵生成報告，報告格式清晰易懂。
 

圖 6 Perception Reporter 軟件截圖。可以選擇感興趣的夾雜物類型，將其體現在表格、圖表或三元相圖中。

飛納 ParticleX 系統中的 Perception Reporter 軟件使生成報告變得非常簡單。用戶可以對夾雜物的分類進行自定義，并且將感興趣的夾雜物類型生成報告。本報告中所示的圖表旨在突出鋼包精煉過程中夾雜物成分的變化。

結論 

利用飛納 ParticleX 研究了一種新型的鋼脫氧方法，對熔融金屬精煉過程中拋光鋼樣品中的夾雜物分布進行了表征。夾雜物圖像、成分和三元相圖可以通過 Perception Reporter 軟件輕松導出報告。通過添加鈦、鎂和鈣進行鋼精煉，形成 TiN、MnS、MgO 和 CaS 非金屬夾雜物，以及它們組合形成的復合相。作為鋁脫氧的潛在替代方案，該方案產生了不易聚集的非金屬夾雜物，同時也產生了 TiN，可有效地細化晶粒。