牛津仪器发布轮胎钢帘线中非金属夹杂物分析解决方案
2014年6月23日

  1. 介绍

高品质钢棒材用于加固道路车辆上使用的充气轮胎。这些棒材的质量受到严格控制,特别是钢的洁净度。洁净度依赖于在钢中的非金属夹杂物的数量、形态和化学性质。该“洁净钢”的定义会根据钢的等级和预定用途而不同。

对于用于制造钢帘线的不锈钢棒,非金属夹杂物的存在和类型必须受到密切监控和测量,特别重要的是区分韧性和非韧性夹杂物。提交进行分析的线材通常直径为5 mm。然而,制造轮胎钢帘线过程中,直径将减少到20~30 um,非韧性夹杂物会导致线材断裂。

要手动做这种类型的分析非常耗时,且需要用户有很强的技术经验,也极易导致不同用户分析得到不一致的结果。然而,使用牛津仪器INCASteel软件,可以成功地实现自动化。INCASteel是专为分析和分类钢铁中夹杂物而开发的软件包,利用了扫描电子显微镜(SEM)中的能量色散X射线显微分析技术(EDS)。

  1. INCASteel工作原理

INCASteel由INCAFeature和Inclusion Classifier两部分组成。INCAFeature用于检测、测量和分析钢中的夹杂物。Inclusion Classifier用于处理所产生的数据集,并含有绘制复杂三元图的功能。

为了检测夹杂物,INCASteel将样本划分为等面积的矩形区域逐个进行分析。既可以分析整个样本,也可以分析样本的一个子集。矩形区域的大小由所用的放大倍数来确定,或由需要检测的最小夹杂物尺寸来确定。夹杂物是通过灰度来识别的,如图1所示,使用交互式灰度直方图设置。钢中夹杂物通常是氧化物、硫化物、碳化物和氮化物,这些夹杂物在背散射图像中比钢铁基体暗。

(a)BSE灰度图像;(b)灰度的阈值;(c)图像处理和夹杂物检测。

图1 在一个典型视场中夹杂物的检测

Figure 1. Inclusion detection in a typical field of view

用于识别和测量夹杂物的算法使用两次通过图像技术,既能准确地检出夹杂物,又能快速识别空白区域,最大限度地提高分析速度。电子束将扫描每个检测到的夹杂物,收集X-射线频谱。INCA检测硬件的稳定性意味着INCASteel可以使用自动峰识别程序,确定存在于每个夹杂物的元素。在开始分析之前,无需知道可能存在于夹杂物中的元素。分析的设置很简单,所有的判据标准都存储在处理方法文件中。对于常规分析或质量控制分析可以重复使用相同的处理方法,以确保分析多个样品和比较结果时的连续性。

  1. 钢帘线分析

使用INCASteel分析大小相等的两个样品A和B。样品在500×的放大倍数下进行了分析,保证最小的夹杂物尺寸为0.9 um。两个样本全部进行了分析,共计1506夹杂物被检出和测量。数据既可以使用INCASteel中的工具进行处理,也可以导出到Microsoft Excel作进一步分析。钢夹杂物组成通常使用三元图来显示,INCASteel含有用于创建这些相图的功能模块。用户定义的相图类型可以保存以便再次使用。

样品A和B的相图绘制如图2所示,相图细分为3个区域。这些夹杂物中对钢线最具破坏性的是富含Al2O3的夹杂物,绘制在相图中的右下角区域。这些夹杂物会导致钢帘线断裂和失效。

(a)样品A;(b)样品B。

图2 夹杂物分布相图

Figure 2. Ternary plot of inclusions

 

夹杂物尺寸的分布也很重要。这个数据很容易显示,且能轻松导出到MS Excel用于额外的数据处理。表1和表2显示了两个样品中夹杂物的粒度分布和在每个区域中夹杂物的数量。样品B比样品A的夹杂物少得多,特别是富含Al2O3夹杂物。

表1 样品A和样品B中夹杂物在每个区域的数量

Table 1. Number of inclusions in each zones for Sample A and Sample B

样品

样品面积 (mm2)

夹杂物总个数

夹杂物密度

1/ mm2

A

B

C

样品A

17

1174

69.1

43

194

62

样品B

17

332

19.5

5

91

36

总计

34

1506

44.3

48

285

98

表2 样品A和样品B中夹杂物的粒度分布

Table 2. Size distribution of inclusions in Sample A and Sample B

样品(um2)

<1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

9-10

>10

样品A

404

165

121

86

55

47

29

18

17

16

216

样品B

105

61

44

23

11

10

6

6

5

4

57

总计

509

226

165

109

66

57

35

24

22

20

273

百分比%

33.8

15.0

11.0

7.2

4.4

3.8

2.3

1.6

1.5

1.3

18.1

  1. 结语
  1. 样品A比样品B含有更多的夹杂物,特别是富含Al2O3夹杂物
  2. 样品A和样品B中夹杂物的粒度分布显示<1um的夹杂物所占比例最高
  3. INCASteel提供了一个功能强大的、用于定位和分析钢铁中的夹杂物的自动化解决方案。它是检查轮胎线级钢的理想工具。
  4. 所有结果可以汇总成表格,绘制成三元图,最能阐释钢的品质。
  5. 通过使用INCASteel自动化分析, 您将受益于快速、可靠和公正的方法进行必要的钢品质检查。