一種連鑄鋼坯合金元素微觀偏析的評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于連鑄鋼坯的成分分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種連鑄鋼坯合金元素微觀 偏析的評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 含有較高的Mn、Cr等合金元素的連鑄鋼坯，在連鑄生產(chǎn)時，由于選分結(jié)晶作用，在 凝固過程中形成合金元素微觀偏析。合金元素微觀偏析導(dǎo)致在乳材及構(gòu)件中形成帶狀組 織，嚴重劣化其力學(xué)性能。有效控制鋼中合金元素的偏析程度，減輕合金元素的偏析對加工 生產(chǎn)、成品質(zhì)量影響意義重大。眾多研究者研究了連鑄工藝參數(shù)與連鑄鋼坯合金元素微觀 偏析的關(guān)系，并建立了各種微觀偏析模型來計算合金元素的偏析程度。但是由于缺乏合適 的評價方法，建立的微觀偏析模型無法用試驗數(shù)據(jù)檢驗。
[0003] 目前有關(guān)連鑄坯偏析的研究方法主要集中在宏觀偏析領(lǐng)域，而對于合金元素微觀 偏析的研究方法很少。一般有兩種方法分析合金元素的微觀偏析程度，掃描電鏡能譜法和 電子探針法。用掃描電鏡的能譜分析枝晶和枝晶間元素的相對成分含量，并確定元素的偏 析程度。其問題在于，首先要清晰的侵蝕出枝晶形貌，但有一些連鑄坯的枝晶很難別清晰的 顯示出來。另外更重要的是掃描電鏡的能譜分析的誤差很大，不能定量地分析枝晶間的偏 析程度。利用電子探針的面掃描將合金元素的分布全部顯示出來。然后利用劃線的方式，取 出一條線上的合金元素的分布。枝晶偏析實質(zhì)上是反映了枝晶間與枝晶干溶質(zhì)元素濃度的 差異，可以用偏析度來表示這種差異：
[0004]
[0005] 采用上述方法只能定性分析元素偏析情況，且主觀因素影響較大。
[0006] 綜上所述，目前尚沒有一種能定量評價連鑄鋼坯合金元素微觀偏析的評價方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種連鑄鋼坯合金元素微觀偏析的評價方法，解決了連鑄 鋼坯的合金元素微觀偏析無法定量表示出來的問題。它基于凝固過程，能夠定量的描述合 金元素偏析度，從而判斷連鑄坯的優(yōu)劣。
[0008] 根據(jù)凝固原理，合金元素在兩相區(qū)偏析可以用下面的模型處理。圖1和圖2表示固 液兩相區(qū)的溶質(zhì)分布，其中X為樹枝晶的生長方向，y為樹枝晶的增厚方向，Μ左邊為固相 區(qū)， XE-Xt為兩相區(qū)，xt右邊為液相區(qū)。當(dāng)液相溫度經(jīng)過xt時開始凝固，到ΧΕ時凝固完畢。
[0009] 為了表示柱狀晶增厚方向上的溶質(zhì)分布，假設(shè)在兩個樹枝晶之間有一單元體，其y 方向上的長度為1，X方向上的厚度為1，凝固時溶質(zhì)析出到液相中并在y方向上進行擴散，因 此，x、y方向均會出現(xiàn)溶質(zhì)擴散。
[0010] 利用以上模型可以得出：
[0011]
[0012] 其中為溫度梯度，m為液相線斜率，固相率。從上式可以 mRC0 C..L 看出，合金元素的濃度cs在fs較小時對應(yīng)于枝晶干，而在fs較大時對應(yīng)于枝晶間。
[0013] 根據(jù)以上原理，本發(fā)明的連鑄鋼坯合金元素偏析的評價方法，具體步驟及參數(shù)如 下：
[0014] 1)根據(jù)試驗要求，將連鑄鋼坯加工成適合樣品臺的試樣，試樣尺寸為：長度30-40_、寬度15-20_、厚度10-20_，然后將試樣進行磨樣、機械拋光處理。
[0015] 2)選定需要分析的合金元素，選擇加速電壓、束流和掃描步長等參數(shù)，利用電子探 針對連鑄鋼坯試樣進行面掃描分析。
[0016] 3)將偏析度A定義為：
[0017]
/=ιοα°〇 /-λ*%
[0018] 其中(^為某合金元素的含量，Σ q為分析面中g(shù)最大的χ%的數(shù)據(jù)之和，Σ /-1-X°〇 /=0% 為分析面中Ci最小的X %的數(shù)據(jù)之和。根據(jù)具體情況，X %的取值范圍為5 % -20 %。
[0019] 4)將電子探針面掃描得到的合金元素成分二維數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Matlab軟件編寫一 個Μ程序來計算A的數(shù)值。該Μ程序的主要功能為:首先對數(shù)據(jù)篩選，去掉小于0的數(shù)據(jù)和代表 MnS的數(shù)據(jù)；對面掃描的二維數(shù)據(jù)一維化后按升序排列；計算該面掃描數(shù)據(jù)的Σ 和 Υ% I； ?，并最終確定a的數(shù)值。 /-0%
[0020] 5)比較偏析度A的大小，確定連鑄鋼坯合金元素偏析程度的優(yōu)劣;A越大，該合金元 素偏析越重，A越小，該合金元素偏析越輕。
[0021 ]本發(fā)明的優(yōu)點在于:采用本發(fā)明的評價方法，能將連鑄鋼坯的合金元素微觀偏析 定量的表示出來，方便比較不同鋼坯之間的合金元素微觀偏析度，為優(yōu)化連鑄工藝提供依 據(jù)。
【附圖說明】
[0022] 圖1為樹枝晶凝固時沿生長方向上的溶質(zhì)分布。
[0023] 圖2為樹枝晶凝固時沿增厚方向上的溶質(zhì)分布。
[0024]圖3為齒輪鋼20CrMnTiH連鑄還Μη元素從表面到中心的偏析程度分布。
[0025]圖4為齒輪鋼20CrMnTiH連鑄坯Cr元素從表面到中心的偏析程度分布。
[0026]圖5為冷鐓鋼22A連鑄還Μη元素從表面到中心的偏析程度分布。
【具體實施方式】
[0027] 實施例1
[0028]用于齒輪鋼20CrMnTiH的連鑄坯微觀偏析程度的評價。試樣取自20CrMnTiH尺寸為 200mm X 200mm連鑄坯。利用線切割，從連鑄坯的表面到中心，取長度為30mm、寬度為20mm、厚 度為l〇mm的試樣3塊。拋光后放入電子探針樣品室，調(diào)整電子探針的分析參數(shù)，設(shè)定加速電 壓15KV，束流500nA，設(shè)定步長為Ιμπι，掃描面積為600 X 450μπι，采集時間為2h，對試樣進行掃 描分析，分析元素為Mn、Cr。每個10mm選取一個區(qū)域進行面掃描。
[0029]將面掃描后數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Matlab的Μ程序?qū)⒚鎾呙钄?shù)據(jù)篩選、一維化和按升序排 列后，對前10 %和后10 %的數(shù)據(jù)求和，得到
。根據(jù)偏析度定義，
計算各位置的Mn、Cr兀素的偏析度。Mn、Cr兀素從表面到心部的偏析度如圖3、圖4所不。從圖 3中可以看出，從表面到1/4處，Μη元素的偏析度增加，而1/4到中心，Μη元素的偏析度基本不 變。從圖4中可以看出，Cr元素的偏析度從表面到心部基本不變。
[0030] 實施例2
[0031] 用于冷鐓鋼22A的連鑄坯微觀偏析程度的評價。試樣取自22A尺寸為160mmX 160mm 連鑄坯。利用線切割，從連鑄坯的表面到中心，取長度為40mm、寬度為20mm、厚度為10mm的試 樣2塊。拋光后放入電子探針樣品室，調(diào)整電子探針的分析參數(shù)，設(shè)定加速電壓15KV，束流 600nA，設(shè)定步長為Ιμπι，掃描面積為1200 X 900μηι，對試樣進行掃描分析，分析元素為Μη。每 個10mm選取一個區(qū)域進行面掃描。
[0032]將面掃描后數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Matlab的Μ程序?qū)⒚鎾呙钄?shù)據(jù)篩選、一維化和按升序排 列后，對前18 %和后18 %的數(shù)據(jù)求和，得i
。根據(jù)偏析度定義，
計算各位置的Μη元素的偏析度。Μη元素從表面到心部的偏析度如圖5所示。從圖中可以看 出，從表面到60mm內(nèi)，Μη元素的偏析度持續(xù)增加，從70mm-85mm處Μη元素的偏析度保持不變。
【主權(quán)項】
1. 一種連鑄鋼坯合金元素微觀偏析的評價方法，其特征在于，具體步驟及參數(shù)如下： 1) 根據(jù)試驗要求，將連鑄鋼坯加工成適合樣品臺的試樣，試樣尺寸為:長度30-40mm、寬 度15-20_、厚度10-20_，然后將試樣進行磨樣、機械拋光處理； 2) 選定合金元素，利用電子探針對連鑄鋼坯試樣進行面掃描分析； 3) 將偏析度A定義為： ? = 10Γ?°η Σ G Λ - Qi> 71. i=X% z=0% i-100% i-=尤:％ 其中(^為某合金元素的含量，Σ (:.為分析面中g(shù)最大的x%的數(shù)據(jù)之和，￡ ?為分 析面中Ci最小的X%的數(shù)據(jù)之和； 4) 將電子探針面掃描得到的合金元素成分二維數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Matlab軟件編寫一個Μ 程序來計算Α的數(shù)值； 5) 比較偏析度A的大小，A越大，該合金元素偏析越重，A越小，該合金元素偏析越輕。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的評價方法，其特征在于，步驟3)中的X%的取值范圍為5%-20% 〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的評價方法，其特征在于，步驟4)中的Μ程序的主要功能為:首先 對數(shù)據(jù)篩選，去掉小于〇的數(shù)據(jù)和代表MnS的數(shù)據(jù);對面掃描的二維數(shù)據(jù)一維化后按升序排 列;計算該面掃描數(shù)據(jù)的Σ c，?和Σ&并最終確定a的數(shù)值。 Z-1--A"% .1-0% 〇 ，.
【專利摘要】一種連鑄鋼坯合金元素偏析的評價方法，屬于連鑄鋼坯的成分分析技術(shù)領(lǐng)域。將連鑄鋼坯加工成適合樣品臺的試樣；利用電子探針對連鑄鋼坯試樣進行面掃描分析；定義偏析度A；利用Matlab軟件編寫一個M程序來計算A的數(shù)值；比較偏析度A的大小，確定連鑄鋼坯合金元素偏析程度的優(yōu)劣。優(yōu)點在于為，優(yōu)化連鑄工藝提供依據(jù)。
【IPC分類】G01N23/225
【公開號】CN105466961
【申請?zhí)枴緾N201510998723
【發(fā)明人】柳洋波, 佟倩, 孫齊松, 陳京生, 丁寧, 馬躍, 劉珂
【申請人】首鋼總公司
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月26日