夾雜物的鑒定方法

1、夾雜物的研究方法歸納夾雜物鑒定技術(shù)，可分為兩類。第一類是在位鑒定檢查。在位鑒定檢查是在夾雜物 和鋼的基體不分離的情況下進(jìn)行檢查，它可分為宏觀在位檢查和微觀在位檢查。宏觀在位檢 查有：低倍酸浸、硫印、X光透射、超聲波檢查等。這些方法可以確定夾雜物（或缺陷）在 鋼材或工件中的位置、尺寸和分布。根據(jù)這些檢查的結(jié)果可以評(píng)價(jià)工藝因素對(duì)鋼清潔度的影 響，可以發(fā)現(xiàn)肉眼難于發(fā)現(xiàn)的夾雜物缺陷，避免繼續(xù)加工或投入使用，造成不應(yīng)有的損害和 損失。但是宏觀在位檢查往往不能確定夾雜物的類型和組成。微觀在位檢查彌補(bǔ)了這方面的 不足。微觀在位檢查是用顯微鏡鑒定鋼中的缺陷或夾雜物。顯微鏡鑒定法已有很長的歷史，用 顯微鏡可檢查

2、夾雜物的光學(xué)特征，如透明度、色澤、偏光效應(yīng)、耐磨性和耐侵蝕性等。人們 根據(jù)這些特征來推斷夾雜物的類型和組成。但是，由于它不是直接分析，即使是有經(jīng)驗(yàn)的內(nèi) 行也難免有時(shí)誤判。近些年來隨著X光顯微鏡分析技術(shù)的發(fā)展，使微觀在位分析產(chǎn)生了飛 躍。只要鏡下觀察到的夾雜物，就比較容易確定其元素組成，根據(jù)元素組成又可推斷夾雜物 的礦物結(jié)構(gòu)。另一類鑒定方法是移位檢查鑒定。在位檢查鑒定有很多優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)上應(yīng)用很廣，但在位 鑒定不能確定夾雜物的平均組成。夾雜物的移位鑒定彌補(bǔ)了這方面的不足。常用的移位分析 法有酸法、鹵素法、電解法等，其中尤其是以電解法最為安全方便，便于分析夾雜物類型、 粒度和組成。移位鑒定分析可以避免

3、基體對(duì)分析的干擾;但處理不當(dāng)時(shí)，會(huì)損害夾雜物形貌。下面就夾雜物的檢測(cè)方法作以介紹。金相觀察金相顯微鏡是研究鋼中非金屬夾雜物的重要工具，是發(fā)展歷史最長，應(yīng)用最廣的一種檢 測(cè)方法。在20世紀(jì)50、60年代已經(jīng)發(fā)表過專著16近幾十年來，雖然現(xiàn)代物理冶金的研 究工具有了飛躍的發(fā)展，但由于金相顯微鏡具有操作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、功能多等特點(diǎn)，它不 僅能夠鑒別夾雜物的類型、形狀、大小和分布，并可研究夾雜物與材料性能之間的定量關(guān)系， 所以傳統(tǒng)的金相技術(shù)至今仍被廣泛應(yīng)用。金相鑒別方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）觀察者可直接通過金相顯微鏡觀察試樣拋光表面上夾雜物的形狀、大小及分布， 不需要對(duì)夾雜物進(jìn)行電解分離，從而避免了非金屬

4、夾雜物遭受化學(xué)試劑或電流的 影響以及外來雜質(zhì)的干擾；2）金相顯微鏡造價(jià)低廉，操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)周期短，適合于生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品和材料質(zhì)量 檢驗(yàn)的需要；3）通過直接觀察夾雜物的形狀、大小及分布，研究鋼中非金屬夾雜物與鋼基體之間 的變形行為和斷裂關(guān)系，為評(píng)價(jià)夾雜物對(duì)金屬材料性能的影響提供參考依據(jù)；4）隨著體視學(xué)與定量金相技術(shù)的發(fā)展，材料研究進(jìn)入了三維組織形貌與材料使用性 能建立內(nèi)在聯(lián)系的階段。利用圖像自動(dòng)分析儀，可迅速而準(zhǔn)確地測(cè)定鋼中非金屬 夾雜物的含量、粒度、質(zhì)點(diǎn)間距和體積百分?jǐn)?shù)，為合理地利用材料和科學(xué)地評(píng)定 產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的原始分析數(shù)據(jù)；5）金相顯微鏡具有功能多的特點(diǎn)，目前大型金相顯微鏡都帶有明視場(chǎng)

5、、暗視場(chǎng)、偏 振光、相對(duì)、干涉相襯和顯微硬度等附件。利用這些特殊裝置可測(cè)定非金屬夾雜 物的光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和本來色彩等特征；6）在金相鑒別的基礎(chǔ)上，可為電子探針成分測(cè)定和電子衍射結(jié)構(gòu)分析提供最小的分 析范圍。金相鑒別方法的不足在于：1）單獨(dú)使用金相分析方法不能直接確定非金屬夾雜物的化學(xué)成分及某些物理性質(zhì)；2）由于非金屬夾雜物在鋼中的存在比較復(fù)雜，它的類型、組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和尺寸大小等常常隨著鋼的成分、冶煉條件、冷卻速度和其它處理?xiàng)l件的改變而變化， 如果不和其它分析方法（如電子探針、掃描電鏡等）結(jié)合起來進(jìn)行綜合試驗(yàn)，單 獨(dú)采用金相方法不能全面地鑒定和研究未知的夾雜物；3）采用金相方法雖然可以確

6、定金屬材料中非金屬夾雜物的分布、數(shù)量、形狀和大小， 但往往受到金相磨面的限制。掃描電鏡切掃描電子顯微鏡（SEM）是材料學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種電子顯微鏡。SEM廣泛 使用是因?yàn)樗染哂泄鈱W(xué)顯微鏡制樣簡(jiǎn)易性，又具有昂貴、復(fù)雜的透射電鏡的眾多功能和適 用性。SEM是20世紀(jì)30年代在德國由Knoll和Von Ardenne首創(chuàng)的。在20世紀(jì)40年代， 美國RCA研究所實(shí)驗(yàn)室的Zworykin，Hillier和Snyder對(duì)它的進(jìn)展起了重要作用，但是，他 們的成功最終受到當(dāng)時(shí)真空條件的限制。現(xiàn)代的SEM是Oatley和他的學(xué)生從1948年到1965 年期間在劍橋大學(xué)的研究成果。SEM是近幾十年來才

7、趨于完善的一種電子光學(xué)儀器，它利用入射電子束與試樣作用產(chǎn) 生的各種信號(hào)，可對(duì)試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析等多方面工作。SEM具有分辨本領(lǐng)高、 放大倍率變化范圍寬（放大率可從十幾倍連續(xù)放大到幾十萬倍）、成像焦深長、立體感強(qiáng)等 特點(diǎn)，可對(duì)凸凹不平的斷口表面的宏觀和微觀形貌特征進(jìn)行觀察和分析。SEM還備有X射 線譜儀，可對(duì)斷口表面進(jìn)行成分分析。電子探針X射線顯微分析電子探針X射線顯微分析簡(jiǎn)稱電子探針。它的結(jié)構(gòu)與掃描電鏡相似，新型的電子探針 是一種綜合性的測(cè)試分析儀器，能同時(shí)獲得微區(qū)成分、微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)等信息，是研究 冶金缺陷的先進(jìn)工具之一。由于電子探針具有分析區(qū)域小、分析元素范圍廣、分析靈敏度高、

8、 分析速度快且不損耗試樣等特點(diǎn)，它在冶金學(xué)、地質(zhì)和礦物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用。在分析鋼中非金屬夾雜物的成分時(shí)，將電子探針與金相鑒別方法緊密的結(jié)合起來， 直接測(cè)量與金相觀察相對(duì)應(yīng)的夾雜物成分，對(duì)識(shí)別鋼中非金屬夾雜物的屬類和進(jìn)一步追溯夾 雜物的來源是很有價(jià)值的。大樣電解法電解法是從鋼中提取夾雜物的重要方法。用電解法分離鋼中的夾雜物是Fitterer于1931 年提出的，當(dāng)時(shí)電解法用于分離碳鋼中的一些穩(wěn)定氧化物。七十多年來，電解法的研究不斷 深入，現(xiàn)在對(duì)各種合金鋼和純鐵中的各種夾雜物，包括化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定的一些硫化物，都 能應(yīng)用電解法分離。所以電解法是目前應(yīng)用最廣泛的分離夾雜物方法。大

9、樣電解是由德國人開發(fā)的，隨著連鑄的發(fā)展，日本各大鋼鐵公司相繼使用了這種方法。 北京科技大學(xué)冶金系煉鋼實(shí)驗(yàn)室參照有關(guān)資料，自1981年開始籌建設(shè)備，1982年運(yùn)轉(zhuǎn)，1985 年正式通過冶金部鑒定。馬鞍山鋼研所在大樣電解方面也做了些工作。大樣電解法在我國日 益受到人們的重視。大樣電解具有以下特點(diǎn)：1）試樣大，電解時(shí)間長。大樣電解為了捕獲更多的夾雜，試樣尺寸為60X150mm2， 樣重35公斤，電解時(shí)間約20天左右；2）大樣電解法利用碳化物粒徑比較細(xì)小的特點(diǎn)，用淘洗法（或水簸法）把碳化物淘 洗掉，將大顆粒夾雜和鐵氧化物留在槽底，最后用磁選還原，把夾雜物分離出來;3）可按夾雜物的粒徑進(jìn)行分級(jí)；4）大樣

10、電解法的不足是不能完全保留云霧狀的oAl2O3團(tuán)。用大樣電解檢查連鑄過程中不同工藝階段鋼中夾雜物的變化，對(duì)改進(jìn)連鑄工藝，提高連 鑄坯質(zhì)量有重要作用。硫印硫印檢驗(yàn)法是宏觀印痕檢驗(yàn)的主要方法。它可以直接顯示硫化物在鋼中的偏析和分布。 它是利用硫酸溶液與鋼中的硫化物發(fā)生反應(yīng)放出硫化氫，再與印相紙上的銀鹽反應(yīng)成棕色的 硫化銀沉淀物，以檢驗(yàn)鋼中的硫并間接檢驗(yàn)其它元素的偏析情況。硫印法是隨著連鑄的發(fā)展 而出現(xiàn)的，在評(píng)定鋼的清潔度時(shí)，克服了金相法、全氧法和電解法試樣較小的不足，檢驗(yàn)所 覆蓋的面積大，具有較強(qiáng)的代表性。20世紀(jì)80年代日本等高連鑄比的國家相繼開始用硫印 法評(píng)定連鑄坯的清潔度。但是，隨著純凈鋼冶

11、煉技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼中硫含量不斷降低，硫印檢驗(yàn)結(jié)果受到了一 定的影響和限制。樹枝晶顯示用顯示連鑄坯的樹枝晶和觀察測(cè)量其次級(jí)組織（一次枝干間距、二次枝干間距）來研究 鋼液凝固中的問題，是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的檢測(cè)方法。以往研究鋼液凝同的方法， 如為人們所熟知的翻倒法、測(cè)溫法、示蹤法等都是很繁雜的，很難在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)地進(jìn)行。顯示 樹枝晶，測(cè)量其二次枝干間距來定量地研究鑄坯凝固的方法，是研究鋼錠和連鑄坯生產(chǎn)中質(zhì) 量問題的一種簡(jiǎn)便可靠的方法。1950年B. H. Alexander和F.N. Rhines試圖定量地表觀樹枝晶組織，以后人們通過廣泛 的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一次枝干、二次枝干間距與溶質(zhì)濃度、成長速

12、度等有一定的關(guān)系。顯示樹枝晶一 般采用電解腐蝕或化學(xué)腐蝕。碳素鋼和低合金鋼一般采用化學(xué)腐蝕，即采用顯示磷偏析的 Stecd試劑（含有銅鹽的酸性腐蝕劑）。使用Steod試劑對(duì)鋼的磨光表面進(jìn)行腐蝕，可以清晰 地顯示出樹枝晶的主干和次級(jí)組織。在酸性溶液中，銅離子被鐵所置換，鐵被溶解，銅則沉 積下來。由于首先結(jié)晶的樹枝晶枝干相對(duì)純凈，銅就優(yōu)先在那里沉積。因此，腐蝕后的試樣 經(jīng)過輕度拋光后，凹陷的枝干上因嵌有銅而發(fā)亮，軸間部位則發(fā)暗24這樣就可以獲得清 晰的樹枝晶圖像。采用顯示樹枝晶的方法腐蝕出樹枝晶以及它的次級(jí)組織，定量測(cè)定樹枝晶二次枝干間 距，從而研究鋼液凝固中的問題，是熱酸浸和硫印顯示低倍組織等方

13、法難以實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)枝 晶顯示所顯示的枝晶形態(tài)，能夠測(cè)得其二次枝晶間距，進(jìn)而可推算出局部凝固時(shí)間和冷卻速 度，同時(shí)還可測(cè)得柱狀晶生長的偏角，據(jù)此可以了解液相穴內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)。這些對(duì)于研究 鑄坯中夾雜物分布以及凝固組織和鑄坯質(zhì)量的關(guān)系是非常有用的。二次枝干間距可以在顯微鏡低倍放大（520倍）下直接測(cè)量，也可以按一定放大倍數(shù) 拍成照片后間接測(cè)量。一般連續(xù)測(cè)量34個(gè)枝，然后取平均值，以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。 在本研究中，根據(jù)枝晶顯示得到的高分辨率圖像，使用圖像處理軟件“ Photoshop ”和工具 軟件“萬能標(biāo)尺”測(cè)量二次晶間距。光譜分析光譜分析包括發(fā)射光譜分析、原子吸收光譜分析和X射線熒光光譜分析等幾種。目前 爐前分析的主要方法為X射線熒光光譜分析。X射線熒光光譜分析是隨著儀器工業(yè)的發(fā)展 而出現(xiàn)的一種分析方法，其基本原理是：當(dāng)