專利名稱：一種測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及熱處理檢驗方法領(lǐng)域，特別是提供了一種測量氧化鐵皮厚度方向 元素分布的方法，用表面輝光原理結(jié)合臺階儀(或輪廓儀、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微, 鏡等)共同測量鋼材表面氧化鐵皮厚度方向元素分布，用于宏觀測定氧化鐵皮的組成、元素 偏聚等特征，為氧化鐵皮成份控制、提高鋼材質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
鋼材的生產(chǎn)工藝直接影響其表面氧化鐵皮中各氧化物(包括Fe203、 Fe304、 FeO以及由 于環(huán)境介質(zhì)和基體合金元素作用形成的其它非金屬類夾雜物)、化學(xué)元素(Fe、 O、 Si、 Al、 Cu等)的種類、數(shù)量、形態(tài)、層狀結(jié)構(gòu)的分布以及與基體材料之間的物理化學(xué)關(guān)系。這些都 將直接影響鋼材的除鱗效果、最終產(chǎn)品的質(zhì)量與其耐腐蝕特性。例如鱗層與基體界面處Si 含量太高，將難以進行利用機械除鱗的拉絲過程；如果Cr含量過高，將惡化機械除鱗性能； Cu元素的含量直接影響鐵皮與基體的附著性以及除鱗特性；如果鱗層中含有大量Si和Cu，則 不容易通過普通除鱗方法去除。由此可見，準確獲得氧化鐵皮中各元素的分布特性，對評價、 控制鋼材表面質(zhì)量具有非常重要的作用。 .
目前，在文獻以及專利中檢索到的氧化鐵皮成分測量方法有1)如專利CN 1498283A所 述，使用溴-溴化鈉-十二烷基苯磺酸鈉-甲醇溶液，溶解基底金屬部分，使氧化鐵皮(鱗層) 與基體分離。然后對氧化鐵皮的內(nèi)表面(和基體金屬相連的那一側(cè))進行EPMA (電子探針 顯微分析儀)元素線性分析。測量線的方向沿周邊設(shè)置。測量條件如下加速電壓設(shè)置為15kV， 發(fā)射電流為lxlO'8A。因此，在4(^m的掃描距離之間以100nm的測量間距測量400個點，將400 個測量點的Si平均濃度定義為鱗層界面部分中的Si平均濃度。2)如專利CN 1982494A所述， 采用下述制備的樣品在日本電子的X-射線微量分析儀"JXA-8800RL"上由EPMA定量線性分 析從表面到內(nèi)部中心的Cu含量獲得曲線圖，并且示出了Cu濃度(％)離表面的距離之間的關(guān) 系。樣品制備將帶有鐵鱗的鋼材埋入樹脂中，用研磨劑對與軋制方向垂直的橫截面進行鏡 面拋光，隨后為了保持導(dǎo)電性進行鋨的氣相沉積，從而制備出樣品。測試條件加速電壓為 15kV,輻射電流為0.3)aA，在分布間隔為lpm的總計300個點上進行定量線性分析。3)如文獻， [蔣柯，韓靜濤.塑性工程學(xué)報.Vol.3(2000),No.3，pp.40-43.]所述，用掃描電鏡對氧化鐵皮的 內(nèi)、外表面作成分定性分析的X射線能譜。4)如文獻[Kizu T, Nagataki Y, Inazumi T, and Hosoya Y. ISIJ international, vol. 41(2001)， No.12, pp. 1494-1501.]所述，采用SIMS (二次離子質(zhì)譜)分 析元素Si、 P、 O的含量隨測試時間的變化曲線。分析面積為06OpmL25Ox25Oixm2， 8keV， O 離子轟擊。
如上所述，方法l、 2相似，均采用電子探針顯微分析儀進行，這種方法只能分析樣品表 面的元素含量，而且所測試樣品需要經(jīng)過金相拋光，才能獲得準確的結(jié)果。方法l是在鱗層厚 度方向上以一定的測量間距測量若干個點，將這些個測量點的Si平均濃度定義為鱗層界面部分中的Si平均濃度。該方法只是給出其鱗層界面一點的Si平均濃度，不能真正反映Si元素沿厚 度方向上的含量分布。方法3對測試樣品的要求與方法1、 2相同，方法2與方法3相似，分別采 用EPMA與X射線能譜在鱗層厚度方向上進行線掃描，所測量的結(jié)果只能反映該測量線附近元 素分布狀態(tài)，所測結(jié)果為微觀元素分布，不能反映樣品宏觀的平均結(jié)果。方法4是采用二次離 子質(zhì)譜測量元素的含量隨測試時間的變化曲線，該方法測量結(jié)果較準確，可獲得準確的測量 結(jié)果，并且可以對樣品進行逐層分析，給出測量元素的厚度分布數(shù)據(jù)，但是所測量面積仍然 較小。以上幾種方法均是微觀尺度上的成分分析方法，不適于進行宏觀范圍內(nèi)的元素分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法，用表面輝光原理結(jié) 合臺階儀(或輪廓儀、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)共同測量鋼材表面氧化鐵皮厚 度方向元素分布的方法，解決了氧化鐵皮元素宏觀分布測量困難的問題，可以方便、快捷地 測定氧化鐵皮的組成、元素偏聚等特征，為氧化鐵皮成份控制、提高鋼材質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明用表面輝光原理和臺階儀(或輪廓儀、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)共 同測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法包含取樣及表面清洗、輝光光譜測試、蝕坑深度標(biāo) 定并給出測試結(jié)果三個步驟，各步驟如下-
1、 取樣及表面清洗；
將預(yù)測試樣品用機械切割或線切割等方式取小試樣，試樣尺寸、形狀、表面狀態(tài)滿足表 面輝光放電光譜儀試驗設(shè)備的需要。通常樣品大小滿足20mm<(p<45mm;厚度介于3~40mm 之間。測試表面的灰塵、油污等需要清理干凈。
2、 輝光光譜測試；
采用表面輝光放電原理測試鐵皮元素的深度分布。S卩將預(yù)測試樣品裝入輝光光譜儀， 以試樣作為陰極，在銅質(zhì)陽極內(nèi)利用高壓使介質(zhì)氣體電離，氣體離子流沖擊樣品表面，樣品 表面元素原子被逐層剝離，被剝離出的元素原子在陽極內(nèi)被激發(fā)發(fā)光，將光束引入光室，經(jīng) 分光系統(tǒng)分解后，通過檢測特征譜線的強度，從而可以得到樣品由表及里的元素組成隨濺射 時間的分布數(shù)據(jù)。經(jīng)過計算獲得元素含量隨樣品厚度的分布數(shù)據(jù)。
3、 濺蝕坑深度標(biāo)定并給出測試結(jié)果。
步驟2給出的樣品厚度是軟件計算的結(jié)果，該計算結(jié)果通常與實際測試深度有偏差。因此， 當(dāng)測試結(jié)束后，采用臺階儀(或輪廓儀、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)測量樣品表 面的濺蝕坑深度，進而修正步驟2中樣品厚度的相應(yīng)數(shù)據(jù)，保持元素含量不變，從而獲得最終 的元素分布結(jié)果。
本發(fā)明的特點在于，將輝光光譜與臺階儀(或輪廓儀、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微 鏡等)相結(jié)合，準確測出氧化鐵皮厚度方向元素的宏觀分布，解決了現(xiàn)有方法只能提供微觀 成分分析的困難。用于宏觀測定氧化鐵皮的組成、元素偏聚等特征，為氧化鐵皮成份控制、 提高鋼材質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。


圖1. 07MnNiMoVDR容器板四種元素的GDS測量結(jié)果。
圖2. 07MnNiMoVDR容器板經(jīng)過厚度修正后的元素含量測量結(jié)果。圖3. X80管線鋼幾種元素的GDS測量結(jié)果。
圖4. X80管線鋼幾種經(jīng)過厚度修正后的元素含量測量結(jié)果。
具體實施例方式
以下結(jié)合實例，詳細說明該測試過程。 實施例1 07MnNiMoVDR容器板表面氧化鐵皮厚度方向元素分布分析。
(1) 首先用機械切割的方法取2cmx2cm大小樣品，保證取樣位置表面氧化鐵皮完整。 分別用乙醇、丙酮清洗試樣表面，待樣品干燥后，采用LECO GDS850A型輝光光譜儀進行逐 層元素分析。
(2) LECO GDS850A型輝光光譜儀測試流程
1、 接通氬氣；
2、 接通穩(wěn)壓電源，打開顯示器及打印機，打開計算機；
3、 打開"光譜儀真空"、"輝光放電燈真空"、"輝光放電燈冷卻水"、"分子泵"開關(guān)；
4、 儀器穩(wěn)定12小時以上，檢查環(huán)境監(jiān)測器，確保所有數(shù)值達到設(shè)定操作參數(shù)值。
5、 待儀器穩(wěn)定后，預(yù)熱輝光放電燈，保證分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
6、 進入桌面"GDS"程序，在主窗口 "Analyze"(分析)菜單下點擊"runprofile"(運行描 跡)，檢查校正狹縫的漂移。
7、 在"Analyze"(分析)菜單下點擊"run drift"(運行漂移校正)，按照軟件的提示分析漂 移校正標(biāo)準樣品，檢査和調(diào)整校正曲線。
8、 登錄"QDP"(逐層分析)軟件，選擇所需要的分析方法，分析試樣。
9、 放入待測樣品進行分析。 IO分析完畢后，導(dǎo)出測試結(jié)果。
其中Mn、 Si、 Al、 S四種元素的測量結(jié)果如圖1所示。
(3) Olympus LEXT 3100激光共聚焦顯微鏡標(biāo)定濺蝕坑深度流程 1、打開激光共焦顯微鏡、計算機及專用軟件LEXT-OLS;
2、 設(shè)置物鏡放大倍數(shù)為5倍，將待測試樣品置于載物臺上，調(diào)整焦距使蝕坑與樣品表面 交界處能清楚成像；
3、 用激光共聚焦方式3-D照相，照片去除噪聲后，測量蝕坑底部與樣品表面的臺階高度， 不同部位測量5次取平均結(jié)果。該樣品測試結(jié)果為84.6pm。
(4) 將(2)的厚度測量結(jié)果由22pm修訂為84.6pm，元素含量保持不變，修改后結(jié)果 如圖2所示。
實施例2 X80管線鋼表面氧化鐵皮厚度方向元素分布分析。
(1) 首先用機械切割的方法取3cmx3cm大小樣品，保證取樣位置表面氧化鐵皮完整。 分別用乙醇、丙酮清洗試樣表面，待樣品干燥后，采用LECO GDS750 QDP型輝光光譜儀進 行逐層元素分析。
(2) LECO GDS750QDP型輝光光譜儀測試流程
1、 接通氬氣；
2、 接通穩(wěn)壓電源，打開顯示器及打印機，打開計算機；3、 打開"光譜儀真空"、"輝光放電燈真空"、"輝光放電燈冷卻水"、"分子泵"開關(guān)；
4、 儀器穩(wěn)定12小時以上，檢查環(huán)境監(jiān)測器，確保所有數(shù)值達到設(shè)定操作參數(shù)值。
5、 待儀器穩(wěn)定后，預(yù)熱輝光放電燈，保證分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
6、 進入桌面"GDS"程序，在主窗口 "Analyze"(分析)菜單下點擊"runprofile"(運行描 跡)，檢查校正狹縫的漂移。
7、 在"Analyze"(分析)菜單下點擊"run drift"(運行漂移校正)，按照軟件的提示分析漂 移校正標(biāo)準樣品，檢查和調(diào)整校正曲線。
8、 登錄"QDP"(逐層分析)軟件，選擇所需要的分析方法，分析試樣。
9、 放入待測樣品進行分析。
10、 分析完畢后，導(dǎo)出測試結(jié)果。
其中Mn、 Cu、 Si、 Bi、 Zn、 Al、 Mg、 Sn、 S幾種元素的測量結(jié)果如圖3所示。
(3) AmbiosXP-2臺階儀標(biāo)定濺蝕坑深度，結(jié)果為19.5pm:
(4) 將(2)的厚度測量結(jié)果由13.19pm修訂為19.5pm，元素含量保持不變，修改后結(jié) 果如圖4所示。
權(quán)利要求
1. 一種測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)取樣及表面清洗將預(yù)測試樣品用機械切割或線切割方式取小試樣，試樣尺寸、形狀、表面狀態(tài)滿足測試用表面輝光放電光譜儀試驗設(shè)備的需要；測試表面的灰塵、油污需要清理干凈；(2)輝光光譜測試采用表面輝光放電原理測試鐵皮厚度方向元素分布，將預(yù)測試樣品裝入輝光光譜儀，以試樣作為陰極，在銅質(zhì)陽極內(nèi)利用高壓使介質(zhì)氣體電離，氣體離子流沖擊樣品表面，樣品表面元素原子被逐層剝離，被剝離出的元素原子在陽極內(nèi)被激發(fā)發(fā)光，將光束引入光室，經(jīng)分光系統(tǒng)分解后，通過檢測特征譜線的強度，得到樣品由表及里的元素組成隨濺射時間的分布數(shù)據(jù)；經(jīng)過計算獲得元素含量隨樣品厚度的分布數(shù)據(jù)；(3)濺蝕坑深度標(biāo)定并給出測試結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，樣品大小滿足 20ram〈 4> <45mm;厚度介于3 40rnrn之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的濺蝕坑深度標(biāo) 定并給出測試結(jié)果是指步驟(2)給出的樣品厚度是軟件計算的結(jié)果，該 計算結(jié)果通常與實際測試深度有偏差；因此，當(dāng)輝光測試結(jié)束后，采用臺 階儀、輪廓儀、原子力顯微鏡或激光共聚焦顯微鏡測量樣品表面的濺蝕坑 深度，進而修正步驟(2)中樣品厚度的相應(yīng)數(shù)據(jù)，保持元素含量不變， 從而獲得最終的元素分布結(jié)果。
全文摘要
一種測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法，屬于金屬材料及熱處理檢驗方法領(lǐng)域。該方法包括取樣及表面清洗、輝光光譜測試、濺蝕坑深度標(biāo)定并給出測試結(jié)果。適用于宏觀測定氧化鐵皮的組成、元素偏聚等特征，為氧化鐵皮成份控制、提高鋼材質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。其優(yōu)點在于，該方法可以準確給出鐵皮的70多種元素含量沿鐵皮厚度方向的分布曲線，并且該測量結(jié)果為樣品宏觀的元素分布，克服了其它方法只能給出微觀成分信息的不足，為氧化鐵皮成份的控制、鋼材表面質(zhì)量的改善奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號G01N27/68GK101509894SQ20091008065
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者徐永林, 李舒笳, 寧 蔡, 鞠新華 申請人:首鋼總公司