专利名称：一种测量氧化铁皮厚度方向元素分布的方法
技术领域：
本发明属于金属材料及热处理检验方法领域，特别是提供了一种测量氧化铁皮厚度方向 元素分布的方法，用表面辉光原理结合台阶仪(或轮廓仪、原子力显微镜、激光共聚焦显微, 镜等)共同测量钢材表面氧化铁皮厚度方向元素分布，用于宏观测定氧化铁皮的组成、元素 偏聚等特征，为氧化铁皮成份控制、提高钢材质量奠定基础。
背景技术：
钢材的生产工艺直接影响其表面氧化铁皮中各氧化物(包括Fe203、 Fe304、 FeO以及由 于环境介质和基体合金元素作用形成的其它非金属类夹杂物)、化学元素(Fe、 O、 Si、 Al、 Cu等)的种类、数量、形态、层状结构的分布以及与基体材料之间的物理化学关系。这些都 将直接影响钢材的除鳞效果、最终产品的质量与其耐腐蚀特性。例如鳞层与基体界面处Si 含量太高，将难以进行利用机械除鳞的拉丝过程；如果Cr含量过高，将恶化机械除鳞性能； Cu元素的含量直接影响铁皮与基体的附着性以及除鳞特性；如果鳞层中含有大量Si和Cu，则 不容易通过普通除鳞方法去除。由此可见，准确获得氧化铁皮中各元素的分布特性，对评价、 控制钢材表面质量具有非常重要的作用。 .
目前，在文献以及专利中检索到的氧化铁皮成分测量方法有1)如专利CN 1498283A所 述，使用溴-溴化钠-十二烷基苯磺酸钠-甲醇溶液，溶解基底金属部分，使氧化铁皮(鳞层) 与基体分离。然后对氧化铁皮的内表面(和基体金属相连的那一侧)进行EPMA (电子探针 显微分析仪)元素线性分析。测量线的方向沿周边设置。测量条件如下加速电压设置为15kV， 发射电流为lxlO'8A。因此，在4(^m的扫描距离之间以100nm的测量间距测量400个点，将400 个测量点的Si平均浓度定义为鳞层界面部分中的Si平均浓度。2)如专利CN 1982494A所述， 采用下述制备的样品在日本电子的X-射线微量分析仪"JXA-8800RL"上由EPMA定量线性分 析从表面到内部中心的Cu含量获得曲线图，并且示出了Cu浓度(％)离表面的距离之间的关 系。样品制备将带有铁鳞的钢材埋入树脂中，用研磨剂对与轧制方向垂直的横截面进行镜 面抛光，随后为了保持导电性进行锇的气相沉积，从而制备出样品。测试条件加速电压为 15kV,辐射电流为0.3)aA，在分布间隔为lpm的总计300个点上进行定量线性分析。3)如文献， [蒋柯，韩静涛.塑性工程学报.Vol.3(2000),No.3，pp.40-43.]所述，用扫描电镜对氧化铁皮的 内、外表面作成分定性分析的X射线能谱。4)如文献[Kizu T, Nagataki Y, Inazumi T, and Hosoya Y. ISIJ international, vol. 41(2001)， No.12, pp. 1494-1501.]所述，采用SIMS (二次离子质谱)分 析元素Si、 P、 O的含量随测试时间的变化曲线。分析面积为06OpmL25Ox25Oixm2， 8keV， O 离子轰击。
如上所述，方法l、 2相似，均采用电子探针显微分析仪进行，这种方法只能分析样品表 面的元素含量，而且所测试样品需要经过金相抛光，才能获得准确的结果。方法l是在鳞层厚 度方向上以一定的测量间距测量若干个点，将这些个测量点的Si平均浓度定义为鳞层界面部分中的Si平均浓度。该方法只是给出其鳞层界面一点的Si平均浓度，不能真正反映Si元素沿厚 度方向上的含量分布。方法3对测试样品的要求与方法1、 2相同，方法2与方法3相似，分别采 用EPMA与X射线能谱在鳞层厚度方向上进行线扫描，所测量的结果只能反映该测量线附近元 素分布状态，所测结果为微观元素分布，不能反映样品宏观的平均结果。方法4是采用二次离 子质谱测量元素的含量随测试时间的变化曲线，该方法测量结果较准确，可获得准确的测量 结果，并且可以对样品进行逐层分析，给出测量元素的厚度分布数据，但是所测量面积仍然 较小。以上几种方法均是微观尺度上的成分分析方法，不适于进行宏观范围内的元素分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量氧化铁皮厚度方向元素分布的方法，用表面辉光原理结 合台阶仪(或轮廓仪、原子力显微镜、激光共聚焦显微镜等)共同测量钢材表面氧化铁皮厚 度方向元素分布的方法，解决了氧化铁皮元素宏观分布测量困难的问题，可以方便、快捷地 测定氧化铁皮的组成、元素偏聚等特征，为氧化铁皮成份控制、提高钢材质量奠定基础。
本发明用表面辉光原理和台阶仪(或轮廓仪、原子力显微镜、激光共聚焦显微镜等)共 同测量氧化铁皮厚度方向元素分布的方法包含取样及表面清洗、辉光光谱测试、蚀坑深度标 定并给出测试结果三个步骤，各步骤如下-
1、 取样及表面清洗；
将预测试样品用机械切割或线切割等方式取小试样，试样尺寸、形状、表面状态满足表 面辉光放电光谱仪试验设备的需要。通常样品大小满足20mm<(p<45mm;厚度介于3~40mm 之间。测试表面的灰尘、油污等需要清理干净。
2、 辉光光谱测试；
采用表面辉光放电原理测试铁皮元素的深度分布。S卩将预测试样品装入辉光光谱仪， 以试样作为阴极，在铜质阳极内利用高压使介质气体电离，气体离子流冲击样品表面，样品 表面元素原子被逐层剥离，被剥离出的元素原子在阳极内被激发发光，将光束引入光室，经 分光系统分解后，通过检测特征谱线的强度，从而可以得到样品由表及里的元素组成随溅射 时间的分布数据。经过计算获得元素含量随样品厚度的分布数据。
3、 溅蚀坑深度标定并给出测试结果。
步骤2给出的样品厚度是软件计算的结果，该计算结果通常与实际测试深度有偏差。因此， 当测试结束后，采用台阶仪(或轮廓仪、原子力显微镜、激光共聚焦显微镜等)测量样品表 面的溅蚀坑深度，进而修正步骤2中样品厚度的相应数据，保持元素含量不变，从而获得最终 的元素分布结果。
本发明的特点在于，将辉光光谱与台阶仪(或轮廓仪、原子力显微镜、激光共聚焦显微 镜等)相结合，准确测出氧化铁皮厚度方向元素的宏观分布，解决了现有方法只能提供微观 成分分析的困难。用于宏观测定氧化铁皮的组成、元素偏聚等特征，为氧化铁皮成份控制、 提高钢材质量奠定基础。
图1. 07MnNiMoVDR容器板四种元素的GDS测量结果。
图2. 07MnNiMoVDR容器板经过厚度修正后的元素含量测量结果。图3. X80管线钢几种元素的GDS测量结果。
图4. X80管线钢几种经过厚度修正后的元素含量测量结果。
具体实施例方式
以下结合实例，详细说明该测试过程。 实施例1 07MnNiMoVDR容器板表面氧化铁皮厚度方向元素分布分析。
(1) 首先用机械切割的方法取2cmx2cm大小样品，保证取样位置表面氧化铁皮完整。 分别用乙醇、丙酮清洗试样表面，待样品干燥后，采用LECO GDS850A型辉光光谱仪进行逐 层元素分析。
(2) LECO GDS850A型辉光光谱仪测试流程
1、 接通氩气；
2、 接通稳压电源，打开显示器及打印机，打开计算机；
3、 打开"光谱仪真空"、"辉光放电灯真空"、"辉光放电灯冷却水"、"分子泵"开关；
4、 仪器稳定12小时以上，检查环境监测器，确保所有数值达到设定操作参数值。
5、 待仪器稳定后，预热辉光放电灯，保证分析数据的稳定性。
6、 进入桌面"GDS"程序，在主窗口 "Analyze"(分析)菜单下点击"runprofile"(运行描 迹)，检查校正狭缝的漂移。
7、 在"Analyze"(分析)菜单下点击"run drift"(运行漂移校正)，按照软件的提示分析漂 移校正标准样品，检査和调整校正曲线。
8、 登录"QDP"(逐层分析)软件，选择所需要的分析方法，分析试样。
9、 放入待测样品进行分析。 IO分析完毕后，导出测试结果。
其中Mn、 Si、 Al、 S四种元素的测量结果如图1所示。
(3) Olympus LEXT 3100激光共聚焦显微镜标定溅蚀坑深度流程 1、打开激光共焦显微镜、计算机及专用软件LEXT-OLS;
2、 设置物镜放大倍数为5倍，将待测试样品置于载物台上，调整焦距使蚀坑与样品表面 交界处能清楚成像；
3、 用激光共聚焦方式3-D照相，照片去除噪声后，测量蚀坑底部与样品表面的台阶高度， 不同部位测量5次取平均结果。该样品测试结果为84.6pm。
(4) 将(2)的厚度测量结果由22pm修订为84.6pm，元素含量保持不变，修改后结果 如图2所示。
实施例2 X80管线钢表面氧化铁皮厚度方向元素分布分析。
(1) 首先用机械切割的方法取3cmx3cm大小样品，保证取样位置表面氧化铁皮完整。 分别用乙醇、丙酮清洗试样表面，待样品干燥后，采用LECO GDS750 QDP型辉光光谱仪进 行逐层元素分析。
(2) LECO GDS750QDP型辉光光谱仪测试流程
1、 接通氩气；
2、 接通稳压电源，打开显示器及打印机，打开计算机；3、 打开"光谱仪真空"、"辉光放电灯真空"、"辉光放电灯冷却水"、"分子泵"开关；
4、 仪器稳定12小时以上，检查环境监测器，确保所有数值达到设定操作参数值。
5、 待仪器稳定后，预热辉光放电灯，保证分析数据的稳定性。
6、 进入桌面"GDS"程序，在主窗口 "Analyze"(分析)菜单下点击"runprofile"(运行描 迹)，检查校正狭缝的漂移。
7、 在"Analyze"(分析)菜单下点击"run drift"(运行漂移校正)，按照软件的提示分析漂 移校正标准样品，检查和调整校正曲线。
8、 登录"QDP"(逐层分析)软件，选择所需要的分析方法，分析试样。
9、 放入待测样品进行分析。
10、 分析完毕后，导出测试结果。
其中Mn、 Cu、 Si、 Bi、 Zn、 Al、 Mg、 Sn、 S几种元素的测量结果如图3所示。
(3) AmbiosXP-2台阶仪标定溅蚀坑深度，结果为19.5pm:
(4) 将(2)的厚度测量结果由13.19pm修订为19.5pm，元素含量保持不变，修改后结 果如图4所示。
权利要求
1. 一种测量氧化铁皮厚度方向元素分布的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)取样及表面清洗将预测试样品用机械切割或线切割方式取小试样，试样尺寸、形状、表面状态满足测试用表面辉光放电光谱仪试验设备的需要；测试表面的灰尘、油污需要清理干净；(2)辉光光谱测试采用表面辉光放电原理测试铁皮厚度方向元素分布，将预测试样品装入辉光光谱仪，以试样作为阴极，在铜质阳极内利用高压使介质气体电离，气体离子流冲击样品表面，样品表面元素原子被逐层剥离，被剥离出的元素原子在阳极内被激发发光，将光束引入光室，经分光系统分解后，通过检测特征谱线的强度，得到样品由表及里的元素组成随溅射时间的分布数据；经过计算获得元素含量随样品厚度的分布数据；(3)溅蚀坑深度标定并给出测试结果。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，样品大小满足 20ram〈 4> <45mm;厚度介于3 40rnrn之间。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的溅蚀坑深度标 定并给出测试结果是指步骤(2)给出的样品厚度是软件计算的结果，该 计算结果通常与实际测试深度有偏差；因此，当辉光测试结束后，采用台 阶仪、轮廓仪、原子力显微镜或激光共聚焦显微镜测量样品表面的溅蚀坑 深度，进而修正步骤(2)中样品厚度的相应数据，保持元素含量不变， 从而获得最终的元素分布结果。
全文摘要
一种测量氧化铁皮厚度方向元素分布的方法，属于金属材料及热处理检验方法领域。该方法包括取样及表面清洗、辉光光谱测试、溅蚀坑深度标定并给出测试结果。适用于宏观测定氧化铁皮的组成、元素偏聚等特征，为氧化铁皮成份控制、提高钢材质量奠定基础。其优点在于，该方法可以准确给出铁皮的70多种元素含量沿铁皮厚度方向的分布曲线，并且该测量结果为样品宏观的元素分布，克服了其它方法只能给出微观成分信息的不足，为氧化铁皮成份的控制、钢材表面质量的改善奠定了基础。
文档编号G01N27/68GK101509894SQ20091008065
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者徐永林, 李舒笳, 宁 蔡, 鞠新华 申请人:首钢总公司