L’acciaio prodotto in tutto il mondo è utilizzato per numerose applicazioni come ad esempio nel mercato automobilistico, nelle costruzioni e nelle conduttere petrolifere. Molte di queste applicazioni utilizzano l’alluminio per creare una microstruttura a grana fine dovuto alla precipitazione di nitruro di alluminio in scala nanometrica che delimita i bordi dei grani. Uno dei lati negativi della desossidazione dell’alluminio è che lascia dietro di sé una popolazione di ossidi di dimensioni micrometriche, che sono inclini all’agglomerazione e diventano iniziatori di cricche durante le prove di piegatura, saldatura o test di fatica. La figura 1 mostra una tipica distribuzione delle inclusioni per un acciaio trattato con alluminio e calcio.
Figura 1. Diagramma ternario di distribuzione di inclusioni per un acciaio trattato con Al e Ca contiene molti solfuri di calcio (asse sinistro), alluminati di calcio (centro) e inclusioni di spinello in una scansione di 50 mm2.
Un approccio alternativo è stato adottato in questo studio, impiegando titanio, magnesio e calcio per la desossidazione. La prova è stato condotta attraverso un alto forno integrato con forno a ossigeno, includendo fusione per colata e degasaggio RH per l’affinamento prima della colata continua in lastre .
Il microscopio SEM discrimina le particelle dalla matrice impostando una soglia sull’immagine in modalità BSD. La maggior parte delle inclusioni di acciaio hanno un peso atomico medio inferiore della matrice di ferro, per questo si presenta come forme scure su uno sfondo chiaro. La sonda EDS raccoglie lo spettro degli elementi presenti per ogni inclusione, che vengono poi classificati secondo classi composizionali e rappresentate in un diagramma ternario. Il colore indica la grandezza e la posizione rappresenta la composizione normalizzata per gli elementi rappresentati sugli angoli del diagramma.
Figura 2. Composizione dell’acciaio in massa per prove di calore industriale.
Metodi impiegati e risultati ottenuti
L’analisi automatizzata di inclusioni è stata condotta per rivelare la composizione chimica delle inclusioni non metalliche durante la raffinazione. Il microscopio elettronico a scansione Phenom ParticleX™ della Thermo Scientific™ utilizza la combinazione di hardware e software con detector EDS integrato che permette un rapido rilevamento e successiva classificazione delle inclusioni. L’obiettivo delle analisi era infatti la caratterizzazione di qualsiasi inclusione di diametro superiore a un 1 μm su un’area di 70 mm² di acciaio lappato.
La raffinazione in colata inizia con manganese e silicio che vengono aggiunte come fonte primaria di desossidazione, che dovrebbe generare un contenuto totale di ossigeno intorno ai 50ppm. Dopo di che i nuclei di FeTi e gli aghi di NiMg sono stati aggiunti al fuso, abbassando ulteriormente il contenuto di ossigeno totale. In questo stadio si forma una larga popolazione di nitruri di titanio, ossidi di magnesio e solfuri di manganese/calcio. Un singolo diagramma ternario non può rappresentare tutte le fasi, visto che ci sono 4 o più composti unici che potrebbero essere rappresentati. Questi diagrammi mostrano una distribuzione continua di particelle tra le due fasi ( o TiN+ solfuri o MgO+ solfuri).
Dopo la rifinizione in colata si tiene il processo di degassicazione RH. In questo caso, l’acciaio è stato fatto circolare dentro e fuori dalla siviera attraverso una camera sotto vuoto situata sopra la siviera, che equilibra velocemente temperatura e composizione del bagno. Il trattamento con il calcio modifica molti dei solfuri andando a creare CaS dove prima c’erano quasi esclusicamente MnS. Le inclusioni di MnS sono indentificate qui a ~40% di zolfo sull’asse inferiore, mentre le inclusioni ricche in CaS sono più vicine al vertice dello zolfo. C’è una distribuzione continua delle particelle tra la prima fase MgO e la seconda fase CaS.
Figura 3. Diagrammi ternari di Ti-S-N (sinistra) e Mn-S-Mg (centro) dopo l’aggiunta di titanio e magnesio, e Mn-S-Mg (destra) dopo l’aggiunta di calcio nel degassatore RH.
Figura 4. Le immagini degli elettroni retrodiffusi possono essere salvate per ogni inclusione. Qui vengono mostrate le immagini di un cubo di TiN (sinistra) e di un composto MgO-CaS (destra), con l’MgO che presenta una scala di grigio molto più scura. Le scale della immagini sono entrambe 2 μm.
Figura 5. Analisi manuale di un’inclusione composta MgO-CaS che mostra l’immagine BSE (sinistra), la mappa EDS (destra) e lo spettro dell’inclusione (in basso). La mappa mostra il Mg in rosso e il Ca in blu con uno sfondo di Fe in verde.
Il SEM da banco Phenom ParticleX Steel consente un’analisi completamente automatizzata delle inclusioni sui campioni. L’uso di ricette e parametri d’analisi predefiniti rende l’impostazione di analisi estremamente rapida. Premendo un pulsante, l’analisi parte e i dati delle inclusioni vengono raccolti, con garanzia di estrema riproducibilità di analisi. I dati raccolti possono essere facilmente visualizzati in un report creato ad hoc e configurabile.
Il software Perception Reporter del SEM da banco Phenom ParticleX Steel facilita la visualizzazione e creazione della reportistica. L’utente può generare regole di classificazione personali e creare diagrammi ternari con solo la tipologia di particelle desiderate. I diagrammi mostrati in questo report sono stati scelti per evidenziare i cambiamenti di composizione delle inclusioni durante la raffinazione in siviera.
Conclusioni
E’ stato possibile studiare, tramite il SEM da banco Phenom ParticleX Steel, un innovativo schema di disossidazione dell’acciaio. Le popolazioni di inclusioni sono caratterizzate in campioni di acciaio lucidato provenienti dal processo di raffinazione del metallo fuso. Le immagini delle inclusioni, le composizioni e i diagrammi ternari sono stati generati in un report con il software Perception Reporter. La raffinazione dell’acciaio con aggiunte di titanio, magnesio e calcio ha formato inclusioni non metalliche TiN, MnS, MgO e CaS, nonché qualsiasi combinazione delle stesse. Come potenziale alternativa alla disossidazione con alluminio, questa lavorazione ha prodotto inclusioni non metalliche che non sono soggette ad agglomerazione, producendo al contempo TiN, che può essere efficace nella rifinizione dei grani.
