飛納Phenom ParticleX Steel在鋼鐵夾雜物檢測中的應(yīng)用

【中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，2001 年成立于中國江蘇省，生產(chǎn)商用車輛和工程機(jī)械用的鋼部件。這些不同的行業(yè)對使用的鋼材有著不同的要求，這就要求中天鋼鐵需要嚴(yán)格控制其煉鋼工藝。飛納電鏡助力中天鋼鐵能夠更快、更準(zhǔn)確地識別在生產(chǎn)成品時發(fā)生故障的根本原因。例如，當(dāng)汽車制造商拉鋼絲時，鋼絲簾線就會斷裂，當(dāng)這種情況發(fā)生時，鋼被送回中天鋼鐵，由該公司的工程師分析導(dǎo)致斷裂的夾雜物，包括成分、尺寸和位置等�！�

鋼鐵是一種可無限循環(huán)利用的堅(jiān)固材料，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的支柱。從交通系統(tǒng)的橋梁和交通工具，到為我們提供能源的風(fēng)車和發(fā)電廠，鋼鐵對全球每個國家的日常生活都至關(guān)重要。隨著人們對輕便耐用型鋼鐵產(chǎn)品的需求不斷增長，如今的鋼鐵制造商正面臨著生產(chǎn)更高品質(zhì)鋼材的壓力，這類鋼材包含了客戶需要的特定性能。能夠滿足這些日益增長的高品質(zhì)鋼鐵需求的制造商將為其產(chǎn)品開出更高的價(jià)格，并最終提高其行業(yè)的競爭地位。

市場上對高品質(zhì)鋼材的需求正在增長

隨著制造商競相生產(chǎn)更耐用、更輕便的產(chǎn)品，市場對高強(qiáng)度鋼材的需求也在增加。如今，每年生產(chǎn)的 19 億噸鋼材中，大約有一半的鋼材用于高強(qiáng)度應(yīng)用中「1」。此外，先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼和鐵心硅鋼市場正在快速增長，汽車制造商開始增加使用這類鋼材以滿足新的法規(guī)，并且能源供應(yīng)商也開始擴(kuò)大使用可再生能源。

以汽車工業(yè)為例。為了更具競爭力，如今的汽車制造商都面臨著生產(chǎn)壽命更長、重量更輕的汽車的壓力，任何部件出現(xiàn)故障都可能會削弱制造商的競爭力。

例如，在車輪和車軸之間旋轉(zhuǎn)的鋼球軸承，需要持續(xù)至少 10 萬英里，而僅僅 50 微米的雜質(zhì)都將可能導(dǎo)致軸承失效。在當(dāng)今競爭激烈的市場中，鋼鐵制造商如果能滿足汽車制造商對持久型鋼材的需求，就能為自己的產(chǎn)品開出最高的價(jià)格，并最終提高自己的市場地位。
 

當(dāng)今鋼鐵制造商面臨著生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材的挑戰(zhàn)

鋼種類繁多，有 3500 多個品種，每一種都有不同的延展性、強(qiáng)度和其他性能。這些性能的變化部分是由于在生產(chǎn)過程中不慎進(jìn)入產(chǎn)品的非金屬夾雜物造成的，如果不加以控制，這些夾雜物會損害鋼材的質(zhì)量，甚至擾亂整個生產(chǎn)過程，直接造成利潤損失和時間成本增加。

應(yīng)用于不同場景的鋼材需要保持不同的清潔度。例如，在汽車部件(如結(jié)構(gòu)管)中，允許最多 100 微米的雜質(zhì)夾雜物，然而在生產(chǎn)過程中，輪胎簾線中 15 微米的雜質(zhì)就足以破壞該組件。

制造出理想性能的鋼材需要嚴(yán)格控制鋼材中的非金屬夾雜物。無論是鋼材制造商在進(jìn)行鋼材的制造過程中，還是后續(xù)部件制造商用來確定失效故障時，制造商都必須快速準(zhǔn)確地了解夾雜物的數(shù)量、大小和化學(xué)成分。

在過去，研究人員使用光學(xué)顯微鏡來評估內(nèi)部夾雜物的大小和數(shù)量，但是不能確定內(nèi)部夾雜物的成分。因此，為了同時實(shí)現(xiàn)夾雜物大小、數(shù)量及成分分析，研究人員必須使用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（手動尋找）兩種不同的儀器來進(jìn)行觀察和研究，光學(xué)顯微鏡用于鋼制造過程中夾雜物形態(tài)的分析，掃描電鏡用于手動尋找失效部件的夾雜物并進(jìn)行成分分析，這兩種方式明顯增加了使用成本和操作的復(fù)雜性。

如果沒有合適的檢測方法和儀器來控制夾雜物，想要滿足客戶對高品質(zhì)鋼材的要求是非常困難的，甚至是不可實(shí)現(xiàn)的。為了制造下一代高強(qiáng)度鋼，研究人員不僅需要快速獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，還需要一個多功能且高效的檢測儀器，以準(zhǔn)確地評估在各個生產(chǎn)周期中不同階段的夾雜物。
 

飛納全自動鋼中夾雜物分析系統(tǒng) Phenom ParticleX Steel 解決了這個問題，它可以提供快速、準(zhǔn)確和完整的數(shù)據(jù)信息，以幫助鋼鐵制造商優(yōu)化他們的生產(chǎn)過程，最終提高企業(yè)的利潤和競爭力。

Phenom ParticleX Steel 小到可以只放置在一臺桌面上，幾乎任何實(shí)驗(yàn)室均通用，且不需要昂貴的場地改造費(fèi)用。

作為 ParticleX 系列的三款產(chǎn)品之一，Phenom ParticleX Steel 專門為幫助鋼鐵制造商進(jìn)行快速評估鋼鐵清潔度而設(shè)計(jì)，可以給鋼鐵制造商提供快速、準(zhǔn)確、以及完整的數(shù)據(jù)信息，以幫助其進(jìn)行更高質(zhì)量鋼鐵的研究和開發(fā)。

此外，Phenom ParticleX Steel 是市場上唯一專門用于夾雜物分析的六硼化鈰（CeB₆）信號源的掃描電鏡。高亮度的 CeB₆ 信號源使得其可以對亞微米級的夾雜物進(jìn)行表征，還具有比大多數(shù)鎢燈絲 SEM 至少兩倍的使用壽命。與可能突然失效并污染燈絲倉的鎢燈絲 SEM 不同，CeB₆ 晶體會隨著時間的推移緩慢降解，用戶可以直觀地查看燈絲使用時長并預(yù)測燈絲可能失效的時間節(jié)點(diǎn)，在操作期間便可以及時更換。

1. 集成 EDS，快速準(zhǔn)確的失效分析
Phenom ParticleX Steel 的用戶界面簡單易用，使得用戶可以快速和準(zhǔn)確地找出部件失效的根本原因。在加載樣品后不到一分鐘的時間內(nèi)便可以獲得全屏的掃描電鏡圖像。然后，在此樣品定位的基礎(chǔ)上，用戶可以快速放大，在高倍放大的情況下觀察感興趣的區(qū)域。
 

Phenom ParticleX Steel 使用戶能夠快速放大，以確定組件失效的根本原因。圖中用戶放大了一個 8.8 微米大小的夾雜物，觀察了其大小和形態(tài)，以便進(jìn)一步分析。

此外，Phenom ParticleX Steel 直接集成先進(jìn)的能量色散 X 射線（EDS）分析，可在不到一分鐘的時間內(nèi)獲得可靠、高質(zhì)量的 SEM 圖像。更重要的是，研究人員可以快速分析每個夾雜物的大小和位置，可以精確到 0.5 微米，同時還可以獲得每個顆粒的元素組成。獲取了夾雜物的大小、數(shù)量和化學(xué)成分信息，鋼鐵制造商可以針對特定應(yīng)用和客戶需求來優(yōu)化其煉鋼的工藝。

當(dāng)放大找到目標(biāo)夾雜物顆粒后，通過集成的 EDS 能譜探測器，可以進(jìn)一步得到關(guān)于顆粒的化學(xué)成分信息。只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，就可以看到夾雜物顆粒，獲得 EDS 能譜，并生成包含以上結(jié)果信息的數(shù)據(jù)報(bào)告。

使用 Phenom ParticleX Steel，用戶可以放大一個夾雜物到高分辨率下，結(jié)合 EDS 能譜信息，可以快速識別粒子的大小、形態(tài)和化學(xué)元素。圖中用戶進(jìn)一步分析了一個 23 微米大小的夾雜物的化學(xué)組成。

2. 三元圖數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，全自動化智能分析
Phenom ParticleX Steel 將鋼材加工樣品中的夾雜物分析實(shí)現(xiàn)全自動化，允許所有不同經(jīng)驗(yàn)級別的用戶在幾秒鐘內(nèi)看到夾雜物的大小、形狀以及化學(xué)成分。內(nèi)置的模板和自動化方案使研究人員能夠快速上手使用，隨著他們對電鏡越來越熟悉，也可以結(jié)合用戶的具體需求制作個性化的定制方案。此外，簡化的用戶界面、簡單快速的樣品加載，結(jié)合行業(yè)特制的軟件，幾乎任何人都可以立即從該儀器獲得高質(zhì)量的結(jié)果，從而進(jìn)行及時有效的故障分析。該儀器分析選定的區(qū)域，從所有的夾雜物顆粒中獲得 SEM 圖像和 EDS 能譜，并將數(shù)據(jù)顯示為三元圖，以便于直觀分析。

案例: 了解噴嘴堵塞的過程
鋼鐵制造商面臨的一個問題是，在鑄造過程中，由于夾雜物成分的變化，會造成連鑄機(jī)噴嘴堵塞，一旦發(fā)生堵塞，將消耗很高的成本。將鋼從鋼水包倒入澆注盤時，硫化鈣夾雜物與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成鋁酸鈣和鋁酸鎂。因此，為了減少澆注盤的再氧化，利用掃描電鏡分析了解這些化學(xué)成分隨時間的變化，可以為鋼鐵制造商提供重要的研究方向。使用 Phenom  ParticleX Steel，鋼鐵制造商可以觀察隨著時間的推移，澆注盤再氧化的現(xiàn)象，以更好地了解噴嘴堵塞過程。
 

通過三元圖顯示的結(jié)果，冶金學(xué)家可以直觀看出夾雜物出現(xiàn)在不同的時間點(diǎn)，以進(jìn)一步觀察再氧化現(xiàn)象，以便更好地了解噴嘴堵塞過程并優(yōu)化煉鋼工藝。

3. 結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型，預(yù)測最大的夾雜物
鋼鐵制造商面臨的另一個挑戰(zhàn)是預(yù)測成品鋼的失效率，最大的夾雜物通常是發(fā)生失效的地方，但是由于大多數(shù)制造商每天生產(chǎn)大批量的鋼材，因此不可能準(zhǔn)確測量每一個夾雜物。使用 Phenom ParticleX Steel 可以測量足夠大區(qū)域內(nèi)夾雜物的尺寸、形態(tài)和化學(xué)元素，然后將這些數(shù)據(jù)輸入統(tǒng)計(jì)模型，研究人員可以根據(jù) ASTM E2283 標(biāo)準(zhǔn)對鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行極值分析，預(yù)測存在的最大夾雜物并進(jìn)一步預(yù)測總體失效率。如此一來，鋼鐵制造商在確認(rèn)證鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的同時，也獲得了優(yōu)化鋼鐵制造過程所需的重要信息。

Phenom ParticleX Steel 與統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合，鋼鐵制造商可以根據(jù) ASTM E2283 標(biāo)準(zhǔn)中的極值分析來預(yù)測最大的夾雜物。

雙重用途
Phenom ParticleX Steel 具有雙重用途，它可以用于鋼材制造過程中的夾雜物分析，同時可以進(jìn)行部件制造后的失效分析。白天，研究人員可以在產(chǎn)品制造完成后，手動使用該儀器來確定失效件產(chǎn)生失效的根本原因（下方左圖）。在夜間和周末，研究人員可以設(shè)置自動化的常規(guī)非金屬夾雜物分析（下方右圖）。總的來說，這種雙重的用途為制造商提供了研究所需的完整信息的同時，節(jié)省了寶貴的時間，以促進(jìn)加速開發(fā)更高質(zhì)量的鋼材。