分享：热轧钢表面氧化铁皮状态的电子探针显微分析表征方法

摘 要:在不同工艺阶段以及不同处理参数条件下,热轧钢材表层形成氧化铁皮层,其微观结构会影响后续处理工艺参数的制定,综合应用电子探针的各种功能,对某种热轧钢板表面的氧化铁皮层进行物相分布分析。结果表明:在测试中选择6种分析方法对氧化铁皮状态进行分析,每种方法都可以获得较理想的结果,分析结果可为热轧钢材的工艺参数优化、提高产品质量以及研究钢的氧化行为提供数据支持。

关键词:氧化铁皮; 状态分析; 面分析; 相分析; 电子探针显微分析

在热轧钢板材和带材的工艺处理过程中,一般需要将温度控制为1100~1300 ℃,而轧制温度为750~1150 ℃。在这种加热状态和高温轧制条件下,钢材表面将不可避免地形成一定厚度的氧化铁皮。如果生产工艺流程控制不当,会出现氧化铁皮层不易清理、氧化铁皮压入、剥落凹坑和酸洗残留等问题,造成产品降级和质量异议。

在不同的工序中形成的氧化铁皮层可大致分为3类。板坯在加热炉内生成的氧化铁皮为炉生氧化铁皮又称一次氧化铁皮,主要由Fe?O?构成;在粗轧过程中到进入精轧前,板坯表面还会继续氧化生成新的氧化铁皮称为二次氧化铁皮,主要由FeO和Fe?O?构成;精轧区域及其后冷却过程产生的氧化铁皮称为三次氧化铁皮,主要由FeO、Fe?O?和Fe?O?构成。

在材料不同和工艺阶段不同的条件下,钢材表面生成氧化铁皮的表面形貌、与基材界面的结合形态、厚度、相组成等存在较大差异,氧化铁皮层的生成速率、各相比例构成以及高温附着和剥离性能对后续工艺处理参数的制定有重要影响。

笔者利用电子探针的点分析、面分析及相分析等测试功能,分析和表征钢坯表面氧化铁皮层,总结出6种检测方法,为热轧工艺、酸洗参数的优化和板、带材氧化铁皮的质量控制等提供参考。

1 测试仪器及试样处理

1.1 测试仪器

电子探针测试仪器型号为EPMA-1720HT。

1.2 试样处理

热轧钢材表面形成的氧化铁皮层较为疏松,且易碎、易脱落,呈不连续分布,有较多的微孔。在制作横截面试样时,需要使用常温氧化树脂将其固化镶嵌后再磨制抛光。在镶嵌之前也可以使用溅射镀膜,在最外层形成一层较为致密的异金属层,对疏松氧化铁皮进行有效的保护。

2 测试方法

2.1 定量点分析法

对氧化铁皮层不同衬度图像的外层、中间层和内层3个区域各选择5点进行元素的定量测试,表面氧化铁皮的不同衬度位置如图1所示,不同氧化铁皮层5点定量结果平均值如表1所示。

图1 表面氧化铁皮的不同衬度位置

表1 不同氧化铁皮层5点定量结果平均值

根据元素定量测试结果,氧化铁皮层由3种不同类型的氧化物构成,从表面开始依次为外层的Fe?O?、中间层的Fe?O?、内层的FeO。Fe?O?为密排六方晶体结构,为较为致密的氧化膜,有阻碍内部继续氧化的作用;Fe?O?是具有磁性的黑色物质,由Fe²?、Fe³?和O²?通过离子键构成的复杂离子晶体;FeO是面心立方晶体,具有较大的孔隙率,易腐蚀。这3层厚度主要受氧化时的温度和时间的影响。通常为了提升酸洗效率并改善酸洗后钢带的表面质量,要求控制氧化铁皮的形成和转变,避免产生较为致密且不易腐蚀的Fe?O?和Fe?O?氧化层,尽量多地保留容易被酸洗的FeO组织。

2.2 定量面分析法

元素面分析(Mapping)功能是电子探针最经典的功能之一,其可以在二维层面逐点扫描指定的感兴趣区域内指定元素的分布特征,具有直观易理解的特点。选择包含3层氧化铁皮的区域,指定分析元素Fe和O的面分布特征。使用点定量测试的条件和结果,建立计数与含量的对应关系工作曲线,可以把元素面分析结果中的计数转换为更直观的定量百分比,即定量面分析,结果如图2所示。

由图2可知:从最左侧基体开始有3层明显的氧化铁皮层;从右端最表层开始依次形成外层Fe?O?、中间层Fe?O?,靠近基体的内层FeO层中有粒状Fe?O?相形成并析出。

图2 3层氧化铁皮层的元素面分布特征

2.3 相分析法

结合点定量测试和面分析测试结果,借助相分析的软件功能,可以把Fe元素和O元素展开,用二维散点图表示,在该基础上勾勒不同含量的散点,可以在面分析结果上把物相标注出来(见图3)。图3a)为Fe-O二维散点图,根据散点分布特征,可以得到4种点簇,分别为Fe?O?、Fe?O?、FeO和Fe。在面分析结果的外层、中间层、内层和基体4个位置标注,可以看出自表层开始依次形成Fe?O?、Fe?O?和内层的FeO,FeO中混有Fe?O?相。

2.4 峰位偏移量法

轨道电子跃迁时产生的特征X射线波长由轨道间的能级差决定。当一种元素形成化合物时,其外层轨道电子会或多或少受其他元素的影响,即受与化学结合状态相关因素的影响,从外层轨道跃迁的特征X射线也相应容易发生峰位的偏移、峰形或峰强的变化。

研究发现,根据Fe-L线谱图的谱峰波长偏移和峰形等对元素Fe进行状态分析。由于岛津电子探针使用全聚焦罗兰圆的配置,特征X射线波长分辨率较高,可以测得Fe-Lα和Fe-Lβ波长的相对不同偏移情况,根据这个偏移量,可用于确认氧化铁皮各层的氧化状态。使用状态分析的方法,对氧化铁皮层4种不同的位置进行Fe-Lα和Fe-Lβ的峰位偏移测试。

2.5 电子背散射衍射法(EBSD)

电子背散射衍射技术可以在扫描电镜或电子探针中实现晶体材料的显微组织及晶体学特征的表征。对于氧化铁皮层,可以利用EBSD技术对不同物相进行标定,获得各相的空间分布、晶粒尺寸、取向差等信息。该方法可以同时获得形貌信息和晶体学信息,对于研究氧化铁皮的形成机制和相变过程有重要意义。

2.6 阴极发光法(CL)

阴极发光是指固体材料在高能电子束激发下发射可见光的现象。不同的氧化物具有不同的阴极发光特性,可以利用这一特点对氧化铁皮中的各相进行区分和表征。Fe?O?和Fe?O?在阴极发光下呈现不同的发光特征,可以用于快速鉴别氧化铁皮的相组成。

3 结论

(1) 定量点分析法可以精确获得氧化铁皮各层的元素含量,从而判定物相组成,是最基础的定量分析方法。

(2) 定量面分析法可以直观展示元素的二维分布,结合定量标定可获得各元素的含量分布。

(3) 相分析法基于Fe-O散点图可以自动识别并标注不同物相区域,实现物相的空间分布表征。

(4) 峰位偏移量法利用特征X射线峰位的化学位移,可以判断Fe元素的化学价态和氧化程度。

(5) EBSD和CL方法可从晶体学和发光特性角度对氧化铁皮相进行补充表征。

(6) 综合应用以上6种电子探针分析方法,可以全面、准确地表征热轧钢表面氧化铁皮的状态,为热轧工艺优化和产品质量控制提供数据支持。

来源-材料与测试网