JP2005265544A - 鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパーク放電式発光分光分析方法を用い、鋼材中に分散しているアルミナ介在物の粒度分布を従来よりも迅速かつ正確に測定する方法を提供する。
【解決手段】鋼材のスパーク放電による発光を分光測定して各回の放電ごとにＦｅおよびＡｌの固有スペクトル線強度を測定し、各放電におけるＦｅ強度およびＡｌ強度からそれらの最小値をそれぞれ減算してバックグランド補正を施した後にＡｌ／Ｆｅの強度比Ｍi、その統計的中央値Ｍc、およびＡｌ強度とＡｌ蒸発重量との比Ｒを求め、各々の放電についてのＡｌ強度：Ｆｅ強度の散布図において原点とＭcとを通過する直線Ｌを求め、それより上に位置するＡｌ強度と直線Ｌ上のＡｌ強度との差を求め、この差を前記Ｒで除してその放電におけるアルミニウム蒸発重量を算出してアルミナ蒸発重量に換算し、アルミナ介在物の体積および粒径を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布測定方法に関し、特にスパーク放電式発光分光分析法を利用して、鋼材中に存在するアルミナ介在物の粒度分布を迅速かつ正確に測定する技術である。

連鋳鋳片などの鋼材は、内部に種々の粒径の介在物が存在している。こうした介在物のうち粒径の大きいものは鋼材の品質特性に大きく影響するので、介在物の粒度分布を評価することは非常に重要である。特に、軸受材、深絞り材などの鋼製品中にたとえば粒径１μｍ以上の比較的大きい介在物が多量に存在すると、それを起点にして割れが生じ易く、鋼製品の疲労特性が著しく低下する。そのため、これらの鋼製品には高い清浄度が要求され、製鋼段階の各工程において、鋼中介在物の粒度分布を正確、且つ迅速に把握し、評価する必要がある。

従来、鋼中介在物の存在状態の評価方法としては、（１）顕微鏡試験方法（ＪＩＳ Ｇ０５５５）、（２）レーザ回折法（臭素−メタノール法や温硝酸法などのように化学分析手法によって介在物を鋼中から抽出した後、試料にレーザ光を照射し、その回折像から粒度分布を求める方法）、（３）電子プローブ・マイクロ・アナライザ（ＥＰＭＡ）を用いる方法などが知られていたが、いずれも測定の迅速性に欠けるという大きな欠点があった。

そこで、大量の鋼材中の介在物の粒度分布を迅速に評価するために、スパーク放電式発光分光分析法が提案されており、種々の改良法が検討されている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１は、不活性ガス雰囲気中で金属試料と対電極との間で多数回のスパーク放電を行ない、試料重量の減少量測定で放電１回あたりの蒸発量を定めておくと共に、金属試料中に存在する酸化物系介在物の形成元素の固有スペクトル線強度から当該元素の濃度を求め、該濃度と前記蒸発量の積から該放電で蒸発した介在物重量を算出し、該重量を前記介在物の密度で徐すことによって１個の球形介在物の体積としてから粒径に換算し、この操作を多数回放電で繰り返して前記試料中に存在する酸化物系介在物の粒度分布を求めるに際して、各放電で得た発光スペクトル線の中から、酸化物系介在物形成元素の固有スペクトル線とマトリクス金属元素の固有スペクトル線を選択した上で両者の強度比ｍiを多数求め、予め定めてある多数回放電にわたっての該強度比ｍiの統計的中央値Ｍcとの差を演算し、この差を予め設定してある検量線に照合して、前記当該元素の濃度を求めることを特徴とする金属中酸化物系介在物の粒度分布測定方法を開示している。

この方法は、『酸化物系介在物形成元素（アルミナ介在物の場合にはＡｌ）とマトリクス金属元素（Ｆｅ）の固有スペクトル線強度比の多数回スパーク放電で得られる統計的中央値Ｍcは、Ｆｅに固溶しているＡｌを代表する量である』という前提の下に、強度比ｍiと統計的中央値Ｍcとの差が純粋にアルミナ介在物の放電に起因するものであると仮定して演算することにより、測定精度を向上させることを意図している。

しかしながら、この方法にも以下のような問題がある。すなわち、アルミナ介在物のＡｌ濃度を算出する際、いわゆる内標準法と呼ばれるアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度の強度比を用いる手法を用いているが、アルミナ介在物のＡｌ濃度を算出するために鉄の蒸発量変動を補正するための内標準法を用いるのは適切ではない。また、大きいアルミナ粒子に放電した場合にはマトリクスである鉄の蒸発量が小さくなることも考えられ、このような場合に内標準法を用いるとアルミナ介在物のＡｌ濃度が過大に計算されてしまう問題がある。さらに、一般的に元素の発光スペクトルには元素の濃度とは無関係なバックグランド強度が含まれているが、このバックグランドを含んだ固有スペクトル線強度を用いて内標準処理をした場合、実際にはＡｌ濃度が同じにもかかわらず鉄の固有スペクトル線強度が異なると計算されるＡｌ濃度に差異が生じることがあるという問題がある。
特開平１０−３００６５９号公報

本発明の目的は、スパーク放電式発光分光分析方法を用い、鋼材中に分散しているアルミナ介在物の粒度分布を従来よりも迅速かつ正確に測定する方法を提供することにある。

本発明に係る鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布測定方法は、鉄と、アルミナ介在物と、鉄に固溶したアルミニウムとを含有する鋼材を用意し、不活性ガス雰囲気中で前記鋼材と対電極との間で多数回にわたってスパーク放電を起こして発光を分光測定して、各回の放電ごとに鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度を測定し；多数回の放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度の最小値を各々求め、各放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度から前記最小値をそれぞれ減算してバックグランド補正を施し；バックグランド補正を施した後の値を用いて、各々の放電における鉄の固有スペクトル線強度に対するアルミニウムの固有スペクトル線強度の強度比Ｍiを求め、強度比Ｍiの統計的中央値Ｍcを求め、予め決定しておいた固溶アルミニウム濃度と強度比Ｍiとの関係を示す検量線に照合して前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度を求め、予め決定しておいた放電１回あたりの蒸発重量と前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度との積から前記Ｍcにおける固溶アルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウムの固有スペクトル線強度とアルミニウム蒸発重量との比Ｒを求め；各々の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図において原点と前記Ｍcとを通過する直線Ｌを求めて直線Ｌより上に位置する放電のアルミニウムの固有スペクトル線強度と前記直線Ｌ上のアルミニウムの固有スペクトル線強度との差を求めることに相当する演算を行ない、この差を前記Ｒで除してその放電におけるアルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウム蒸発重量をアルミナ蒸発重量に換算し、アルミナ蒸発重量をアルミナの密度で除すことによって１個のアルミナ介在物の体積を算出し、アルミナ介在物を球形とみなしてその体積から粒径を算出し、この操作を多数回行なって前記鋼材中に存在するアルミナ介在物の粒度分布を求めることを特徴とする。

本発明によれば、鋼材中に分散しているアルミナ介在物の粒度分布を迅速かつ正確に測定することができる。したがって、本発明方法を適用し、多元素同時定量型発光分光分析装置を用いて、操業管理用の成分分析と同時にアルミナ介在物の測定を行なうようにすれば、分析業務の効率化や精練工程での歩留りの向上、製造コストの低減に大きな効果が期待できる。

以下、本発明の方法をより詳細に説明する。
まず、鉄と、アルミナ介在物と、鉄に固溶したアルミニウムとを含有する鋼材を用意し、不活性ガス雰囲気中で前記鋼材と対電極との間で多数回にわたってスパーク放電を起こして発光を分光測定して、各回の放電ごとに鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度を測定する。

本発明方法は、光電子増倍管を具備し複数元素を同時に測定する形式（マルチチャンネル型）の固体発光分光分析装置を用いて実施される。多数回（たとえば２０００回）の放電の周波数としては２００から６００ヘルツ程度が適当である。また、各元素について分析の対象とする固有スペクトル線の波長は、アルミニウムの場合に３９６．１ｎｍまたは３０８．２ｎｍが適当であり、鉄の場合に２８７．５ｎｍまたは２７１．４ｎｍが適当である。このとき、１回の放電で得られるアルミニウムの固有スペクトル線強度には、アルミナ介在物に起因するものと、マトリクスである鉄に固溶しているアルミニウムに起因するものとが含まれる。したがって、アルミニウムの固有スペクトル線強度からアルミナ介在物による寄与分から固溶アルミニウムによる寄与分を除外する必要がある。本発明方法は、後述するように、この演算の精度を向上できる点で優れている。

次に、多数回の放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度の最小値を各々求め、各放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度から前記最小値をそれぞれ減算してバックグランド補正を施す。

上述したマルチチャンネル型の固体発光分光分析装置ではバックグランドの控除は困難であるため、従来はバックグランド補正が行なわれておらず、分析値の誤差が大きくなるという問題があった。これに対して本発明方法では、多数回の放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度の最小値を各々求め、各放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度から前記最小値をそれぞれ減算することによってバックグランド補正を施すので、分析誤差を低減できる。なお、Ａｌ固有スペクトル線強度の最小値を示す放電とＦｅ固有スペクトル線強度の最小値を示す放電が必ずしも一致している必要はない。

次いで、バックグランド補正を施した後の値を用いて、各々の放電における鉄の固有スペクトル線強度に対するアルミニウムの固有スペクトル線強度の強度比Ｍiを求め、強度比Ｍiの統計的中央値Ｍcを求め、予め決定しておいた固溶アルミニウム濃度と強度比Ｍiとの関係を示す検量線に照合して前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度を求め、予め決定しておいた放電１回あたりの蒸発重量と前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度との積から前記Ｍcにおける固溶アルミニウム蒸発重量を算出し、前記Ｍcにおけるアルミニウムの固有スペクトル線強度とアルミニウム蒸発重量との比Ｒを求める。

本発明方法では、バックグランド補正を施した後の値を用いて、Ａｌ／Ｆｅの強度比Ｍiを求め、強度比Ｍiの統計的中央値Ｍcを求める。強度比Ｍiの統計的中央値ＭcはＦｅに固溶しているＡｌ濃度を代表する量であるという前提に関しては従来技術と同様な考え方であるが、本発明ではバックグランド補正を施した後の値を用いているため分析誤差の低減に貢献する。その後、予め決定しておいた固溶アルミニウム濃度と強度比Ｍiとの関係を示す検量線に照合してＭcにおける固溶アルミニウム濃度を求め、予め決定しておいた放電１回あたりの蒸発重量とＭcにおける固溶アルミニウム濃度との積からＭcにおける固溶アルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウムの固有スペクトル線強度とアルミニウム蒸発重量との比Ｒを求める。求められたＲの値は、後の演算において、アルミナ介在物起源のアルミニウムの固有スペクトル線強度からアルミニウム蒸発重量を求めるために用いられる。

さらに、各々の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図において原点と前記Ｍcとを通過する直線Ｌを求めて直線Ｌより上に位置する放電のアルミニウムの固有スペクトル線強度と前記直線Ｌ上のアルミニウムの固有スペクトル線強度との差を求めることに相当する演算を行ない、この差を前記Ｒで除してその放電におけるアルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウム蒸発重量をアルミナ蒸発重量に換算し、アルミナ蒸発重量をアルミナの密度で除すことによって１個のアルミナ介在物の体積を算出し、アルミナ介在物を球形とみなしてその体積から粒径を算出し、この操作を多数回行なって前記鋼材中に存在するアルミナ介在物の粒度分布を求める。

本発明方法では、各々の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図において原点と前記Ｍcとを通過する直線Ｌを求めて直線Ｌより上に位置する放電のアルミニウムの固有スペクトル線強度と前記直線Ｌ上のアルミニウムの固有スペクトル線強度との差を求めることに相当する演算を行なう。この際、アルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図、および原点とＭcとを通過する直線Ｌを実際に作図したうえで直線Ｌより上に位置する放電と直線Ｌ上の点との差（Ａｌ固有スペクトル線強度の値）を求める必要はなく、作図することなく演算することが可能である。

従来の方法では、Ａｌ／Ｆｅの強度比から一律に統計的中央値Ｍcを減算してアルミナ介在物に起因するＡｌ濃度を算出しているため分析誤差が大きくなっている。これに対して、本発明方法では上記のように直線Ｌより上に位置する放電と直線Ｌ上の点との差を求めることにより、鉄の蒸発重量とは無関係に純粋にアルミナ介在物の蒸発に基づくＡｌ固有スペクトル線強度の値を用いているので、分析精度を向上できる。

その後は、得られた差（Ａｌ固有スペクトル線強度）を前記Ｒで除してその放電におけるアルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウム蒸発重量をアルミナ蒸発重量に換算し、アルミナ蒸発重量をアルミナの密度で除すことによって１個のアルミナ介在物の体積を算出し、アルミナ介在物を球形とみなしてその体積から粒径を算出するという従来と類似の方法を用いる。そして、この操作を多数回行なうことにより、鋼材中に存在するアルミナ介在物の粒度分布を求めることができる。

図１は、本発明の実施例において用いたスパーク放電式発光分光分析装置の概略的な構成図である。図１に示されるように、放電装置１によって、鋼材２と対電極３との間にスパーク放電を起こして発光を生じさせる。発光はスリット８を通り、回折格子７によって回折（分光）され、複数の検出器６によって各元素に対応する固有スペクトル線が検出される。測光装置４によって、スパーク放電ごとに固有スペクトル線強度のアナログ値がデジタル値に変換される。さらに、演算処理装置５により、本発明の方法に従って演算が行われ、鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布が求められる。演算処理装置５には、各装置の操作指示や測定結果が出力される表示装置９が接続されている。

試料として清浄鋼を用意し、この鋼材中に分散しているアルミナ介在物の粒度分布を本発明法で測定した。本発明法の理解を助けるために、多数回の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図の一例を示す。図２はバックグランド補正前の散布図であり、図３はバックグランド補正後の散布図である。

図３は、図２から鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度の最小値を求めた後、各放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度から前記最小値をそれぞれ減算することにより得られたものである。また、図３には、バックグランド補正を施した後の値を用いて求められたＡｌ／Ｆｅの強度比Ｍiの統計的中央値Ｍcを示す。さらに、図３には、原点とＭcとを通過する直線Ｌと、この直線Ｌより上に位置する放電のアルミニウムの固有スペクトル線強度と直線Ｌ上のアルミニウムの固有スペクトル線強度との差Δを示す。

なお、図２および図３は単に説明のために示したものであり、実際にこれらの図面を作図する必要はなく、統計的中央値Ｍc、直線Ｌ、差Δなどは演算操作のみによって求めることができる。

図４に本発明法によって求められたアルミナ介在物の粒径と介在物数との関係（粒度分布）を示す。また、図４には、同一試料を硝酸で溶解して抽出されたアルミナ介在物の粒度分布を従来のレーザ回折法で測定した結果も示す。

図４から明らかなように、本発明法による測定結果は、信頼度の高いレーザ回折法による結果とよく一致しており、本発明法で正確に粒度分布が測定できることがわかる。また、それぞれの測定時間は、本発明法で１〜２分、レーザ回折法で５時間であり、本発明法は非常に迅速に実施できた。

本発明の実施例において用いたスパーク放電式発光分光分析装置の概略的な構成図。 多数回の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とするバックグランド補正前の散布図。 多数回の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とするバックグランド補正後の散布図。 本発明法およびレーザ回折法を用いて、鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布を測定した結果を示す図。

符号の説明

１…放電装置、２…鋼材、３…対電極、４…測光装置、５…演算処理装置、６…検出器、７…回折格子、８…スリット、９…表示部。

Claims (1)

1. 鉄と、アルミナ介在物と、鉄に固溶したアルミニウムとを含有する鋼材を用意し、不活性ガス雰囲気中で前記鋼材と対電極との間で多数回にわたってスパーク放電を起こして発光を分光測定して、各回の放電ごとに鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度を測定し、
   多数回の放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度の最小値を各々求め、各放電における鉄およびアルミニウムの固有スペクトル線強度から前記最小値をそれぞれ減算してバックグランド補正を施し、
   バックグランド補正を施した後の値を用いて、各々の放電における鉄の固有スペクトル線強度に対するアルミニウムの固有スペクトル線強度の強度比Ｍiを求め、強度比Ｍiの統計的中央値Ｍcを求め、予め決定しておいた固溶アルミニウム濃度と強度比Ｍiとの関係を示す検量線に照合して前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度を求め、予め決定しておいた放電１回あたりの蒸発重量と前記Ｍcにおける固溶アルミニウム濃度との積から前記Ｍcにおける固溶アルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウムの固有スペクトル線強度とアルミニウム蒸発重量との比Ｒを求め、
   各々の放電についてのアルミニウムの固有スペクトル線強度と鉄の固有スペクトル線強度を座標軸とする散布図において原点と前記Ｍcとを通過する直線Ｌを求めて直線Ｌより上に位置する放電のアルミニウムの固有スペクトル線強度と前記直線Ｌ上のアルミニウムの固有スペクトル線強度との差を求めることに相当する演算を行ない、この差を前記Ｒで除してその放電におけるアルミニウム蒸発重量を算出し、アルミニウム蒸発重量をアルミナ蒸発重量に換算し、アルミナ蒸発重量をアルミナの密度で除すことによって１個のアルミナ介在物の体積を算出し、アルミナ介在物を球形とみなしてその体積から粒径を算出し、この操作を多数回行なって前記鋼材中に存在するアルミナ介在物の粒度分布を求めることを特徴とする鋼材中のアルミナ介在物の粒度分布測定方法。

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