JP2006250737A

JP2006250737A - 鋼中介在物の粒径測定方法及びその方法に用いる検量線試料

Info

Publication number: JP2006250737A
Application number: JP2005068325A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Jodai; 哲史城代; Tomohiro Matsushima; 智裕松島; Hisao Yasuhara; 久雄安原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】レーザを用いた鋼中介在物の粒径測定において、正確な検量線を簡易且つ迅速に求めることで、鋼中介在物の粒径測定を正確且つ迅速に行うことが可能な鋼中介在物の粒径測定方法及びその方法に用いる検量線試料を提供する。
【解決手段】
分析試料表面にレーザ光を照射して、定量分析を行うことにより、前記分析試料表面に存在する特定種類の鋼中介在物の粒径測定を行う方法であって、厚みが既知の、前記特定種類の介在物と同一成分及び同一組成の薄板を、該薄板と成分の異なる部材で両側から挟むように固定して作製した検量線試料を用いて測定した検量線に基づいて、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の定量結果を補正することで、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の粒径を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼中に存在する介在物の粒径を迅速に測定する方法及びその方法に用いる検量線試料に関する。

鋼中に含まれる大型介在物は鉄鋼製品において主に表面欠陥の原因となる。そのため、高品質の製品の開発や生産性の向上を実現する上では、さらなる鋼の高清浄度化が重要となる。

鋼の高清浄度化を図るためには、製鋼プロセスの各工程において、欠陥原因となる大型介在物を評価することが重要であり、正確かつ迅速な大型介在物の分析方法の開発が望まれている。特に、スラブ表層に存在する約１００μｍ以上のアルミナ系の大型介在物が、自動車用極低炭素鋼板などにおいて、最終的に表面欠陥の原因となっている。このような大型介在物の多くは、アルミナクラスターと呼ばれる数μｍ程度の小型介在物の集積体であることが分かっている。

鋼板の欠陥を無くすためには、スラブのような、圧延されていない段階で、大型介在物の大きさ、個数を把握することが有意義であることから、そのための方途が希求されている。

従来、大型介在物については、光学顕微鏡や電子線マイクロプローブ分析装置などによる分析が行われている。前者としては、ＪＩＳＧ０５５５に規定された顕微鏡試験方法がある。しかし、この方法は、鏡面研磨仕上げした供試材を顕微鏡で目視観察するものであり、試料の作製及び測定に１日ないし２日も要し、迅速性に欠けると共に、目視による感応検査であるため、介在物組成の識別が困難であるという欠点がある。近年、コンピュータを利用した画像解析方法が開発され、該顕微鏡方法に適用して測定の迅速化が進められているが、試料の作成は従来と同様に時間を要し、また研磨疵やゴミの付着により測定誤差も生じ易い欠点は未だ解消されていない。また、後者においても電子プローブによる操作や各種演算処理等の複雑な手順を必要とするため測定の迅速性に欠け、大量の試験材を処理するには不向きであった。

また、別の評価方法として、臭素−メタノール法や温硝酸法等のように化学分析手法で介在物を鋼中から抽出したのち、介在物を分析する方法もある。しかし、これらの母材の鉄を溶解して介在物を抽出する方法は、上述のアルミナクラスターが解体してしまうため、大型介在物の評価には適切ではない。

上記のような問題に対して、レーザ気化分析法によって、鉄鋼中のアルミナ粒径を測定する方法が特許文献１（特開２００１−２４２１４４号公報）において提案されている。この特許文献１では、レーザ気化分析法でアルミナ介在物の粒径を測定するための検量線用試料として、純鉄粉末と粒径既知のアルミナ粉末とを混合して焼結したものを用い、レーザ照射によって得られたアルミニウム強度の面積値と前記アルミナ粉末の粒径を対応させることで、アルミナ介在物の粒径を、十分な精度をもって迅速に測定できるとしている。
特開２００１−２４２１４４号公報

しかし、上記特許文献１に記載の方法においても以下のような問題がある。つまり、特許文献１に記載の方法で作製された検量線試料表面のアルミナ粒子は肉眼で位置を特定することが難しい。そのため、検量線試料表面のアルミナ粒子にレーザを集光して照射するには、試料表面を鏡面近くまで研磨したうえで、顕微鏡などを用いてレーザの焦点を厳密に制御しなくてはならず、手間と時間がかかるという問題がある。一方、検量線試料表面に無作為にレーザを照射したとしても、アルミナ粒子が近接していて一度に複数のアルミナ粒子が蒸発した場合は粒径に対してアルミニウム強度が過大になり、反対に一つのアルミナ粒子を蒸発できない場合には過小評価になるため、検量線の正確さが悪くなるという問題もある。

そこで、本発明は、レーザを用いた鋼中介在物の粒径測定において、正確な検量線を簡易且つ迅速に求めることで、鋼中介在物の粒径測定を正確且つ迅速に行うことが可能な鋼中介在物の粒径測定方法及びその方法に用いる検量線試料を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有する。
［１］分析試料表面にレーザ光を照射して、定量分析を行うことにより、前記分析試料表面に存在する特定種類の鋼中介在物の粒径測定を行う方法であって、
厚みが既知の、前記特定種類の介在物と同一成分及び同一組成の薄板を、該薄板と成分の異なる部材で両側から挟むように固定して作製した検量線試料を用いて測定した検量線に基づいて、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の定量結果を補正することで、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の粒径を算出することを特徴とする鋼中介在物の粒径測定方法。
［２］上記［１］において、特定種類の介在物が、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの内のいずれかであることを特徴とする鋼中介在物の粒径測定方法。
［３］請求項１または２に記載の鋼中介在物の粒径測定方法に用いる検量線試料。

本発明によれば、レーザを用いた鋼中介在物の粒径測定において、正確な検量線を簡易且つ迅速に求めることで、鋼中介在物の粒径測定を正確且つ迅速に行うことが可能な鋼中介在物の粒径測定方法及びその方法に用いる検量線試料が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１は、本発明に係る鋼中介在物の粒径測定方法が適用されるレーザ気化分析装置の概略構成図である。以下、レーザ気化分析装置に本発明を適用した場合について説明するが、本発明方法が適用されるのはレーザ気化分析装置に限るものではなく、レーザを分析試料表面に照射して、その表面から放出される、微粒子、Ｘ線、電子線等を捕捉して定量分析を行うような装置一般に同様に使用できる。

図１に示すレーザ気化分析装置１において、レーザ発振器２から発振されたパルス状のレーザは、ビームエキスパンダ、２つのスキャニングミラー及び集光レンズから構成される光学系３並びにレーザ照射セル４を介して、分析試料５の表面に集光照射され、分析試料５の表面を気化させる。気化により放出した分析試料５の表面からの微粒子はレーザ照射セル４内に吹き込まれた不活性ガスによって分析部６に搬送され、その成分が定量分析される。

図２は、本発明において用いられる検量線作成用の検量線試料の構成を示す図である。本発明で用いられる検量線試料は、粒径測定対象の鋼中に存在する特定種類の介在物と同一成分及び同一組成の部材による厚みが既知の薄板７を、この薄板７と含有成分において同じ成分を含まない他の部材８で、両側から挟むように固定して作製される。

ここで、前記特定種類の介在物としては、鉄鋼製品において表面欠陥の原因となる、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等が該当する。また、前記他の部材８の材料としては、薄板７と含有成分において同じ成分を含まず、且つ、測定中に薄板７が動かないように固定できるものであれば、それ以外については特に限定されない。例えば、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｏを含まない金属、樹脂等を用いることができる。

なお、以下の説明においては、前記特定種類の介在物がアルミナの場合について説明するが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）についても同様である。

以下、図３及び図４を用いて、検量線の測定方法及び分析試料表面に存在するアルミナ介在物の粒径測定方法を説明する。図３は、検量線試料に対するレーザ走査方法並びに分析部で観察されるアルミニウム強度の推移の概念図である。また、図４は、分析試料に対するレーザ走査方法並びに分析部で観察されるアルミニウム強度の推移の概念図である。

本発明方法においては、まず、図２に示す検量線試料を用いて検量線の測定が行われる。検量線の測定は、図３に示すように、厚さｄが一定のアルミナ薄板７と他の部材８との断面に対し、アルミナ薄板７と他の部材８との界面に垂直となるように焦点径既知のレーザ光を走査させ、分析部６から得られたアルミニウム強度の積分値と、予め測定した検量線試料のアルミナ薄板の厚みｄとを対応させて検量線を作成する。ここで、前記検量線の作成は、前記アルミナの厚みを複数種類変えて、好ましくは３種類以上厚みを変えて、前記厚みとアルミニウム強度積分値との関係から回帰直線を求めることにより行われる。

一方、分析試料を測定する場合には、図４に示すように試料表面においてレーザ焦点を隙間無くかつ重なりの無いように折り返し走査して、分析部６から得られる同一の介在物を起源とするアルミニウム強度のピークをすべて積算して同一の介在物に基づく積算強度を算出する。

前記検量線の回帰直線から求まる回帰係数と前記同一の介在物に基づく積算強度とを、次式（１）に代入して補正計算することにより、分析試料表面に存在するアルミナ介在物の粒径が算出される。なお、次式（１）においては、前記アルミナ介在物を円形としてその粒径（直径）を算出している。

ここで、Ｄ_Ｌはレーザ焦点径、ａ，ｂは前記検量線の回帰直線から求まる回帰係数である。

一般に鉄鋼試料でレーザ焦点走査した場合、レーザ出力が高いほど、また走査速度が遅いほど気化する部分は深くなる。つまり、レーザの走査を高速化すると、鉄鋼試料の極表面しか気化しないことになる。

また、アルミナは鉄と比較して、レーザの吸収率が悪いことや沸点及び融点が高いことから鑑みて、レーザ走査の高速化はアルミナ介在物に対して極表面しか気化させることができない結果をもたらすと考えられる。

本発明はこの点を利用した技術であり、鉄鋼に含まれるアルミナ介在物で試料表面に露出した部分の介在物径を迅速に評価できることを特徴とするものである。

本発明に係る前記検量線試料は、アルミナ板を薄く研磨して所定の厚さとし、２つの部材８の間に挟んで固定したもので、その断面部を測定に供するものである。前記検量線試料においてアルミナ薄板の位置は肉眼で確認可能であり、分析面においてアルミナ部分は線状に存在するため、レーザ照射の位置決めは極めて容易である。また、使用後の検量線試料は研磨によって、繰り返し使用可能であることも特徴である。ここで、前記アルミナ薄板７としては、例えば、９９．９％以上の高純度アルミナ板を用いることが好ましい。

また、介在物として、酸化マグネシウム、酸化カルシウムを測定する場合には、同様に、例えば、９９．９％以上の高純度酸化マグネシウム板、酸化カルシウム板を用いることが好ましい。

図１に示すレーザ気化分析装置を用いてスラブ表層下に存在する大型介在物の粒径評価を行った。ここで、分析部は誘導結合プラズマ発光分析装置、レーザはＱスイッチＹＡＧレーザを用いた。

また、レーザ励起条件としてレーザ出力を、０．０８ｍＪ、焦点径を５０μｍ、走査速度を５ｍｍ／秒、微粒子を搬送する不活性ガス流量を５Ｌ／分とした。

検量線試料としては、鋼中酸素濃度１０ｐｐｍの清浄度鋼を上記部材８として２つ用意して、純度９９．９％のアルミナ板を所定の厚み（１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、３００μｍ）に研磨した薄板を前記清浄度鋼の間に挟み固定した。その断面部を研磨したのちアルミナ部分に対し垂直にレーザを照射した。

図５に、アルミナ薄板の厚さとアルミニウム強度積算値との関係を示す。図５に示されるように、アルミナ薄板の厚さとアルミニウム強度積算値とは良好な相関関係を示している。

スラブ表層１ｍｍの位置から縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×高さ５ｍｍの大きさに採取した試料の表面を鏡面に研磨して上で、この試料表面に縦横１５ｍｍ×１５ｍｍの領域を定め、該領域に存在するアルミナ大型介在物の大きさを予め光学顕微鏡で調査して本発明例の分析試料とした。ここで、前記領域の光学顕微鏡調査に要した時間は約２．５時間であった。

次に、前記領域を前記レーザ励起条件で測定した。走査方法は上記図３に示す方法で行い、この場合の走査時間は約１５分であった。前記領域で確認された各介在物からのアルミニウム発光強度をそれぞれ積算して、図５に示す予め作成した検量線の回帰直線から求まる回帰係数と上記（１）式とから粒径を算出した結果は、図６にその結果を示すように、光学顕微鏡で確認した粒径と良く一致した。

本発明に係る鋼中介在物の粒径測定方法が適用されるレーザ気化分析装置の概略構成図である。本発明において用いられる検量線作成用の検量線試料の構成を示す図である。本発明に係る検量線の測定方法を説明するための説明図である。本発明に係る分析試料表面に存在するアルミナ介在物の粒径測定方法を説明するための説明図である。本実施例に係るアルミナ薄板の厚さとアルミニウム強度積算値との関係を示す図である。本発明方法により算出したアルミナ介在物の粒径と光学顕微鏡観察により求めたアルミナ介在物の粒径との関係を示す図である。

符号の説明

１レーザ気化分析装置
２レーザ発振器
３光学系
４レーザ照射セル
５分析試料
６分析部
７薄板，アルミナ薄板
８部材

Claims

分析試料表面にレーザ光を照射して、定量分析を行うことにより、前記分析試料表面に存在する特定種類の鋼中介在物の粒径測定を行う方法であって、
厚みが既知の、前記特定種類の介在物と同一成分及び同一組成の薄板を、該薄板と成分の異なる部材で両側から挟むように固定して作製した検量線試料を用いて測定した検量線に基づいて、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の定量結果を補正することで、前記分析試料表面に存在する特定種類の介在物の粒径を算出することを特徴とする鋼中介在物の粒径測定方法。
特定種類の介在物が、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの内のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の鋼中介在物の粒径測定方法。
請求項１または２に記載の鋼中介在物の粒径測定方法に用いる検量線試料。