MLA系统在不锈钢非金属夹杂物分析中的应用

武慧敏, 王俊萍, 赵 爽

(矿冶科技集团有限公司 矿物加工科学与技术国家重点实验室, 北京 102628)

钢铁中的非金属夹杂物是指存在于钢水或钢材中的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物和硅酸盐等非金属颗粒，其主要来源于钢铁的冶炼过程。夹杂物是衡量钢铁材料质量的重要指标，其数量、类型、成分、尺寸和分布等都会对钢的性能产生影响[1-2]，而夹杂物的产生与钢的冶炼工艺密切相关。

钢材中非金属夹杂物的分析方法包括金相法、岩相法、X射线粉末衍射法、电子探针法、透射电镜法、扫描电镜法、离子探针法、穆斯堡尔光谱法和钢中夹杂物快速自动分析仪(ASPEX)分析法[3-7]等。

钢材中非金属夹杂物的定量方法分为物理定量与化学定量两大类。工艺矿物自动定量分析系统(Mineral Liberation Analyser，简称MLA)是一种物理定量方法，目前广泛应用于工艺矿物学领域。MLA矿物参数自动分析系统是澳大利亚昆士兰大学矿物研究中心开发研制的[8-9]，它由一台扫描电镜、1～2台能谱仪和一套自动测试分析软件组成。MLA系统通过扫描电镜获取不同物相的背散射灰度图片，再利用能谱仪收集不同灰度物相的X射线信息，可以自动测试试样中不同物相的粒径、解离度及物相相对含量等信息并进行分析。为研究该方法在钢材非金属夹杂物定量分析中的应用，笔者利用MLA系统测试了不锈钢中非金属夹杂物的组成与粒径，对钢中夹杂物进行了深入研究，以期为钢材的冶炼工艺提供指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料为奥氏体不锈钢，切取观察面为2 cm×2 cm，厚度为1 cm的块状试样。测试仪器为QUANTA600型扫描电镜，配备两台EDAX Genesis7000型能谱仪，测试软件采用MLA2.9矿物参数自动分析软件。

MLA配备规格为φ29 mm的标准试样14孔样品台，因此制备外径为φ29 mm，高度小于10 mm的柱状试样后方可进行自动测试。MLA标准试样样品台可对14个试样连续测试，且测试后数据可做累加处理，这样可使MLA测试试样的范围根据需求进行调整；同时系统也允许自制不同规格的可满足扫描电镜硬件要求的样品台，在尺寸、质量可置入电镜样品舱室的前提下，可观察范围受样品台x,y轴的行程限制。该试验使用的QUANTA600型扫描电镜的样品舱室左右内径为379 mm，x,y轴行程均为150 mm，可以安装设置独立大尺寸样品台，以满足单次大尺寸试样的测试。

按照ASTM E45：2018《钢中夹杂物含量评定的标准检测方法》的技术要求进行取样，经磨制与抛光，得到的试样外径需小于29 mm，每个试样测试面积最大可以达到600 mm2。为保证检测结果的有效性，将磨抛后的试样使用环氧树脂进行包埋，并用乙二胺固化处理，包埋后的试样使用不同粒径砂纸打磨掉表面的环氧树脂层，直至出现抛光面后再进行抛光去划痕处理，制备出的试样即为适用于MLA系统标准试样样品台测试的φ29 mm圆柱状试样。抛光后使用JEE420型电子镀膜仪在试样表面做喷碳导电化处理。

2 试验结果与讨论

2.1 扫描电镜及能谱分析

首先，通过扫描电镜结合能谱仪对不锈钢试样进行了初步测试，图1为不锈钢试样中夹杂物的扫描电镜背散射电子形貌，图2为夹杂物形貌与对应的能谱分析结果。

图1 不锈钢试样中夹杂物的形貌Fig.1 Morphology of inclusions in stainless sample: a) chain inclusions; b) spherical inclusions

根据图1和图2可以看出，夹杂物为不同元素组成的钙铝酸盐夹杂，形态有小于10 μm的球状夹杂，有20 μm以上的不规则夹杂，同时还有链状夹杂。可见利用扫描电镜结合能谱仪能直观有效地分析出钢中夹杂物的尺寸、形状、分布、成分等特征，鉴于扫描电镜的视域有限而钢材试样尺寸通常较大以及夹杂物分布不均匀等，在扫描电镜的观察过程中无法实现试样全视域连续无遗漏的观察，因而只通过扫描电镜和能谱仪并不能全面体现出待测试样中全部夹杂物的真实情况。

图2 不锈钢试样中夹杂物的SEM形貌及其能谱分析结果Fig.2 SEM morphology and EDS analysis results of inclusions in stainless sample: a) SEM morphology of irregular inclusions; b) EDS analysis result of irregular inclusions; c) SEM morphology of spherical inclusions; d) EDS analysis result of spherical inclusions

2.2 MLA系统测试

使用MLA2.9矿物参数自动分析软件对同一待测不锈钢试样进行测试，按GB/T 30834-2014《钢中非金属夹杂物评定和统计 扫描电镜法》的技术要求在测试开始前对测试条件进行设置,通过调整束斑实现能谱计数满足死时间30%左右,图像像素选择512×512。同时使用MLA系统自带标识设置图像灰度上限，使用树脂设置图像灰度下限，以保证不同批次试样的测试条件相同，同时图像的灰度与对比度可呈现更多样的成分衬度。自动测试的过程中，MLA系统根据灰度自动识别出4种不同的夹杂物物相，在自动测试结束后，通过精确定位获取不同灰度物相的能谱结果，然后用不同颜色进行标识。标识后的伪彩图如图3所示，颜色1为蓝色，表示钢基体；颜色2为绿色，表示钙铝酸盐夹杂1；颜色3为亮蓝色，表示钙铝酸盐夹杂2；颜色4为红色，表示钙铝酸盐夹杂3；颜色5为褐色，表示氧化铝夹杂。4种夹杂物的能谱分析结果如图4所示。分析夹杂物的形成是铝基脱氧不锈钢应用钙处理夹杂物改性的过程中，钢中的Al2O3逐渐转变为钙铝酸盐，随着钙的加入量不断增加，出现了CaO·Al2O3，CaO·6Al2O3，CaO·2Al2O3，3CaO·Al2O3，CaO·Al2O3的顺序转变，最终形成了4种夹杂物，夹杂1是一种高熔点铝酸钙CaO·2Al2O3复合夹杂物，夹杂2为低熔点铝酸钙3CaO·Al2O3复合夹杂物，夹杂3为低熔点铝酸钙CaO·Al2O3复合夹杂物，夹杂4为Al2O3夹杂，试样中未发现CaO夹杂与镁铝尖晶石夹杂。

图3 夹杂物伪彩图Fig.3 Colorful image of inclusions

图4 试样夹杂物的EDS谱Fig.4 EDS spectrum of inclusions in sample: a) inclusion 1; b) inclusion 2; c) inclusion 3; d) inclusion 4

MLA系统提供了一款功能强大的统计分析软件，在前期测试过程中通过获取背散射图像与能谱叠加的信息，可直接提供自定义化学分类后每种夹杂物的数量、面积、面积百分比、粒径分布等数据，这些原始数据还可以根据研究需求进行重新归类，以实现后期数据的编程处理。该试验中的夹杂物MLA分析测试结果与夹杂物种类统计结果如表1所示，可见4种夹杂中数量与面积占比最多的为钙铝酸盐(夹杂3)，其次为氧化铝夹杂；试样测试面积超过83 mm2，夹杂物颗粒总数为940颗，每平方毫米夹杂物数量为11颗。MLA软件可以根据夹杂物的分类对每种夹杂物分别进行粒径统计，在识别分类中针对粒径的统计结果有多种表征模式，可以根据测试对象的形态特征选择等效椭圆或最长径模式。根据前期扫描电镜观察结果，该不锈钢试样中夹杂物多数接近球形，因此在统计分析中选择等效圆模式，统计结果如表2所示。可见所有夹杂物中钙铝酸盐(夹杂3)的尺寸最大，为27 μm；夹杂物的最小尺寸为0.62 μm，表明基于钨灯丝扫描电镜的MLA系统在夹杂物分析领域的检测下限可以达到0.62 μm；钙铝酸盐(夹杂1)粒径集中在2.4～3.4 μm区间，最大为6.8 mm;钙铝酸盐(夹杂2)粒径集中在3.4～4.8 μm区间，最大为13.5 mm；钙铝酸盐(夹杂3)粒径集中在4.8～6.8 μm区间，最大为27 mm；氧化铝(夹杂4)粒径集中在3.4～4.8 μm区间，最大为9.6 mm;10 μm以上夹杂大部分为钙铝酸盐(夹杂3)。

表1 试样中夹杂物的MLA统计结果Tab.1 MLA statistics results of inclusions in sample

表2 试样中夹杂物粒径分布的MLA统计结果Tab.2 MLA statistics results of particle size distribution in sample

3 结论及建议

(1) 利用MLA系统对面积超过83.3 mm2不锈钢试样的夹杂物进行了粒径、成分及含量的表征。得出试样中含有4类不同的夹杂物，分别为3种不同熔点钙铝酸盐夹杂和氧化铝夹杂，其中高熔点钙铝酸盐夹杂的面积相对百分比为8.807 7%，尺寸集中在5 μm以下;氧化铝夹杂面积相对百分比为22.681 6%，尺寸集中在5 μm以下。

(2) 炼钢过程中，铝钙脱氧处理可以将有害夹杂改性为低熔点钙铝酸盐夹杂，该试样中夹杂物改性可通过增加钙的添加量或改善生产工艺进一步降低氧化铝夹杂的含量，同时提升总夹杂中低熔点钙铝酸盐的含量，进而提高钢铁材料的洁净度。

(3) MLA系统对钢铁材料可实现最小粒径为0.62 μm的夹杂物检测；可制备标准尺寸试样或根据试样尺寸定制样品台实现连续测试；可根据能谱测试结果实现夹杂物种类、粒径、面积的统计。相对于扫描电镜结合能谱仪的直观分析，MLA系统可高效的进行钢铁材料夹杂物分析，以促进炼钢工艺的改善。