專利名稱：一種測量氧化鐵皮厚度方向元素分布的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料及熱處理檢驗方法領域，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、提高鋼材質量奠定基礎。
背景技術：
鋼材的生產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)境介質和基體合金元素作用形成的其它非金屬類夾雜物)、化學元素(Fe、 O、 Si、 Al、 Cu等)的種類、數(shù)量、形態(tài)、層狀結構的分布以及與基體材料之間的物理化學關系。這些都 將直接影響鋼材的除鱗效果、最終產品的質量與其耐腐蝕特性。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表面(和基體金屬相連的那一側)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置。測量條件如下加速電壓設置為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 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.塑性工程學報.Vol.3(2000),No.3，pp.40-43.]所述，用掃描電鏡對氧化鐵皮的 內、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過金相拋光，才能獲得準確的結果。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，所測量的結果只能反映該測量線附近元 素分布狀態(tài)，所測結果為微觀元素分布，不能反映樣品宏觀的平均結果。方法4是采用二次離 子質譜測量元素的含量隨測試時間的變化曲線，該方法測量結果較準確，可獲得準確的測量 結果，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的元素分析。

發(fā)明內容
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 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、提高鋼材質量奠定基礎。
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 定并給出測試結果三個步驟，各步驟如下-
1、 取樣及表面清洗；
將預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卩將預測試樣品裝入輝光光譜儀， 以試樣作為陰極，在銅質陽極內利用高壓使介質氣體電離，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被激發(fā)發(fā)光，將光束引入光室，經 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、 濺蝕坑深度標定并給出測試結果。
步驟2給出的樣品厚度是軟件計算的結果，該計算結果通常與實際測試深度有偏差。因此， 當測試結束后，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中樣品厚度的相應數(shù)據(jù)，保持元素含量不變，從而獲得最終 的元素分布結果。
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、 提高鋼材質量奠定基礎。


圖1. 07MnNiMoVDR容器板四種元素的GDS測量結果。
圖2. 07MnNiMoVDR容器板經過厚度修正后的元素含量測量結果。圖3. X80管線鋼幾種元素的GDS測量結果。
圖4. X80管線鋼幾種經過厚度修正后的元素含量測量結果。
具體實施例方式
以下結合實例，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；
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)值達到設定操作參數(shù)值。
5、 待儀器穩(wěn)定后，預熱輝光放電燈，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 移校正標準樣品，檢査和調整校正曲線。
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，導出測試結果。
其中Mn、 Si、 Al、 S四種元素的測量結果如圖1所示。
(3) Olympus LEXT 3100激光共聚焦顯微鏡標定濺蝕坑深度流程 1、打開激光共焦顯微鏡、計算機及專用軟件LEXT-OLS;
2、 設置物鏡放大倍數(shù)為5倍，將待測試樣品置于載物臺上，調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次取平均結果。該樣品測試結果為84.6pm。
(4) 將(2)的厚度測量結果由22pm修訂為84.6pm，元素含量保持不變，修改后結果 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；
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)值達到設定操作參數(shù)值。
5、 待儀器穩(wěn)定后，預熱輝光放電燈，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 移校正標準樣品，檢查和調整校正曲線。
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，導出測試結果。
其中Mn、 Cu、 Si、 Bi、 Zn、 Al、 Mg、 Sn、 S幾種元素的測量結果如圖3所示。
(3) AmbiosXP-2臺階儀標定濺蝕坑深度，結果為19.5pm:
(4) 將(2)的厚度測量結果由13.19pm修訂為19.5pm，元素含量保持不變，修改后結 果如圖4所示。
權利要求
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，將預測試樣品裝入輝光光譜儀，以試樣作為陰極，在銅質陽極內利用高壓使介質氣體電離，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被激發(fā)發(fā)光，將光束引入光室，經分光系統(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)濺蝕坑深度標定并給出測試結果。
2. 根據(jù)權利要求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)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的濺蝕坑深度標 定并給出測試結果是指步驟(2)給出的樣品厚度是軟件計算的結果，該 計算結果通常與實際測試深度有偏差；因此，當輝光測試結束后，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)中樣品厚度的相應數(shù)據(jù)，保持元素含量不變， 從而獲得最終的元素分布結果。
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、濺蝕坑深度標定并給出測試結果。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、提高鋼材質量奠定基礎。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、鋼材表面質量的改善奠定了基礎。
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