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，因為在將鐵煉成鋼的過程中，必須謹慎控制氧、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產物（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，影響其機械性能和質量。

PART 01

背景簡介

生產鋼材的過程中涉及極高的溫度和高度氧化的環境。高爐-氧氣轉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到幾百ppm。可以通過添加錳、硅、鋁、鈦和鈣等脫氧劑以降低或控制這些溶解氧的含量。根據氧化物自由能Ellingham圖，可以確定這些元素中哪些會形成最穩定的氧化物，按鋼鐵制造溫度下氧化物穩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。進一步使用鋁進行脫氧，可以將溶解氧降至僅幾個ppm，并將所有氧化物夾雜物轉化為微米級的Al2O3。在某些情況下，進一步調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（以提高鑄造性能)，或與鋼中的溶解硫反應，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，因為鈦常被用作氮的捕集劑，形成氮化鈦。

總體而言，這可能會導致夾雜物的混合物變得極其復雜；因此，獲得鋼材成分的定量分析對于其控制性優化至關重要。本應用說明重點介紹了使用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜（EDS）對鋼中復雜氧化物-硫化物-氮化物復合夾雜物進行自動化分析的方法。該方法將成像與元素分析相結合，為鋼材中的夾雜物提供了準確的分析。

PART 02

表征方法與結果

使用Thermo Scientific? Axia-Perception新一代全自動鋼鐵夾雜物分析系統對鋼樣品進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成分和尺寸分布。Perception系統使得顆粒檢測和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域內進行測量。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、鈦穩定氮元素以及鈣處理在該鋼材中生成了獨特的復合夾雜物分布。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出更暗的襯度。

在測量夾雜物顆粒的同時，EDS數據也被收集到每個夾雜物上；隨后可以根據其成分和形狀對夾雜物進行分類。

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”，而是呈現出兩種夾雜物之間的連續分布。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而形成。氧化物和硫化物夾雜物作為異質形核點，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行進一步研究。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構，與氮化鈦（TiN）一致。成分上的主要區別在于顆粒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行了全新的評估，統計分析了存在的相的數量、成分及其面積分數。

圖5展示了BSE圖像、Chemi Phase分析圖以及所評估區域的相關相面積分數。結果確認，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）。關鍵的是Chemi Phase分析區分出：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數。

PART 03

結  論

通過Axia-Perception新一代全自動鋼鐵夾雜物分析系統，自動收集了包含圖像、能譜、尺寸及成分信息的大型數據集，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據進行審查表明，CaS和TiN之間的顆粒成分呈現出一個連續的分布。

Chemi Phase分析進一步確認了這些復雜夾雜物中具體CaS、CA和Ti N化合物的組成和數量。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形核點。此應用案例展示了Axia ChemiSEM系統上Perception和Chemi Phase軟件的組合如何實現潔凈鋼應用所需的詳細分析。

Thermo Scientific? Axia-Perception 系統提供了業內領先的自動化夾雜物分析和分類功能，結合卓越的報告生成能力，能夠精準識別、定位和統計鋼鐵材料中的夾雜物問題，助力提升材料品質和生產效率。Axia-Perception系統歷經32年的研發升級，系統功能不斷完善，是目前國內外公認的最準確, 最專業的夾雜物自動分析系統。同時搭載Thermo Scientic? Axia ? ChemiSEM?，進一步拓展硬件功能，真正實現了軟硬件一體化，高效率顆粒分析。