一种连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于连铸钢坯的成分分析技术领域，特别涉及一种连铸钢坯合金元素微观 偏析的评价方法。
【背景技术】
[0002] 含有较高的Mn、Cr等合金元素的连铸钢坯，在连铸生产时，由于选分结晶作用，在 凝固过程中形成合金元素微观偏析。合金元素微观偏析导致在乳材及构件中形成带状组 织，严重劣化其力学性能。有效控制钢中合金元素的偏析程度，减轻合金元素的偏析对加工 生产、成品质量影响意义重大。众多研究者研究了连铸工艺参数与连铸钢坯合金元素微观 偏析的关系，并建立了各种微观偏析模型来计算合金元素的偏析程度。但是由于缺乏合适 的评价方法，建立的微观偏析模型无法用试验数据检验。
[0003] 目前有关连铸坯偏析的研究方法主要集中在宏观偏析领域，而对于合金元素微观 偏析的研究方法很少。一般有两种方法分析合金元素的微观偏析程度，扫描电镜能谱法和 电子探针法。用扫描电镜的能谱分析枝晶和枝晶间元素的相对成分含量，并确定元素的偏 析程度。其问题在于，首先要清晰的侵蚀出枝晶形貌，但有一些连铸坯的枝晶很难别清晰的 显示出来。另外更重要的是扫描电镜的能谱分析的误差很大，不能定量地分析枝晶间的偏 析程度。利用电子探针的面扫描将合金元素的分布全部显示出来。然后利用划线的方式，取 出一条线上的合金元素的分布。枝晶偏析实质上是反映了枝晶间与枝晶干溶质元素浓度的 差异，可以用偏析度来表示这种差异：
[0004]
[0005] 采用上述方法只能定性分析元素偏析情况，且主观因素影响较大。
[0006] 综上所述，目前尚没有一种能定量评价连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法，解决了连铸 钢坯的合金元素微观偏析无法定量表示出来的问题。它基于凝固过程，能够定量的描述合 金元素偏析度，从而判断连铸坯的优劣。
[0008] 根据凝固原理，合金元素在两相区偏析可以用下面的模型处理。图1和图2表示固 液两相区的溶质分布，其中X为树枝晶的生长方向，y为树枝晶的增厚方向，Μ左边为固相 区， XE-Xt为两相区，xt右边为液相区。当液相温度经过xt时开始凝固，到ΧΕ时凝固完毕。
[0009] 为了表示柱状晶增厚方向上的溶质分布，假设在两个树枝晶之间有一单元体，其y 方向上的长度为1，X方向上的厚度为1，凝固时溶质析出到液相中并在y方向上进行扩散，因 此，x、y方向均会出现溶质扩散。
[0010] 利用以上模型可以得出：
[0011]
[0012] 其中为温度梯度，m为液相线斜率，固相率。从上式可以 mRC0 C..L 看出，合金元素的浓度cs在fs较小时对应于枝晶干，而在fs较大时对应于枝晶间。
[0013] 根据以上原理，本发明的连铸钢坯合金元素偏析的评价方法，具体步骤及参数如 下：
[0014] 1)根据试验要求，将连铸钢坯加工成适合样品台的试样，试样尺寸为：长度30-40_、宽度15-20_、厚度10-20_，然后将试样进行磨样、机械抛光处理。
[0015] 2)选定需要分析的合金元素，选择加速电压、束流和扫描步长等参数，利用电子探 针对连铸钢坯试样进行面扫描分析。
[0016] 3)将偏析度A定义为：
[0017]
/=ιοα°〇 /-λ*%
[0018] 其中(^为某合金元素的含量，Σ q为分析面中g最大的χ%的数据之和，Σ /-1-X°〇 /=0% 为分析面中Ci最小的X %的数据之和。根据具体情况，X %的取值范围为5 % -20 %。
[0019] 4)将电子探针面扫描得到的合金元素成分二维数据导出，利用Matlab软件编写一 个Μ程序来计算A的数值。该Μ程序的主要功能为:首先对数据筛选，去掉小于0的数据和代表 MnS的数据；对面扫描的二维数据一维化后按升序排列；计算该面扫描数据的Σ 和 Υ% I； ?，并最终确定a的数值。 /-0%
[0020] 5)比较偏析度A的大小，确定连铸钢坯合金元素偏析程度的优劣;A越大，该合金元 素偏析越重，A越小，该合金元素偏析越轻。
[0021 ]本发明的优点在于:采用本发明的评价方法，能将连铸钢坯的合金元素微观偏析 定量的表示出来，方便比较不同钢坯之间的合金元素微观偏析度，为优化连铸工艺提供依 据。
【附图说明】
[0022] 图1为树枝晶凝固时沿生长方向上的溶质分布。
[0023] 图2为树枝晶凝固时沿增厚方向上的溶质分布。
[0024]图3为齿轮钢20CrMnTiH连铸还Μη元素从表面到中心的偏析程度分布。
[0025]图4为齿轮钢20CrMnTiH连铸坯Cr元素从表面到中心的偏析程度分布。
[0026]图5为冷镦钢22A连铸还Μη元素从表面到中心的偏析程度分布。
【具体实施方式】
[0027] 实施例1
[0028]用于齿轮钢20CrMnTiH的连铸坯微观偏析程度的评价。试样取自20CrMnTiH尺寸为 200mm X 200mm连铸坯。利用线切割，从连铸坯的表面到中心，取长度为30mm、宽度为20mm、厚 度为l〇mm的试样3块。抛光后放入电子探针样品室，调整电子探针的分析参数，设定加速电 压15KV，束流500nA，设定步长为Ιμπι，扫描面积为600 X 450μπι，采集时间为2h，对试样进行扫 描分析，分析元素为Mn、Cr。每个10mm选取一个区域进行面扫描。
[0029]将面扫描后数据导出，利用Matlab的Μ程序将面扫描数据筛选、一维化和按升序排 列后，对前10 %和后10 %的数据求和，得到
。根据偏析度定义，
计算各位置的Mn、Cr兀素的偏析度。Mn、Cr兀素从表面到心部的偏析度如图3、图4所不。从图 3中可以看出，从表面到1/4处，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 变。从图4中可以看出，Cr元素的偏析度从表面到心部基本不变。
[0030] 实施例2
[0031] 用于冷镦钢22A的连铸坯微观偏析程度的评价。试样取自22A尺寸为160mmX 160mm 连铸坯。利用线切割，从连铸坯的表面到中心，取长度为40mm、宽度为20mm、厚度为10mm的试 样2块。抛光后放入电子探针样品室，调整电子探针的分析参数，设定加速电压15KV，束流 600nA，设定步长为Ιμπι，扫描面积为1200 X 900μηι，对试样进行扫描分析，分析元素为Μη。每 个10mm选取一个区域进行面扫描。
[0032]将面扫描后数据导出，利用Matlab的Μ程序将面扫描数据筛选、一维化和按升序排 列后，对前18 %和后18 %的数据求和，得i
。根据偏析度定义，
计算各位置的Μη元素的偏析度。Μη元素从表面到心部的偏析度如图5所示。从图中可以看 出，从表面到60mm内，Μη元素的偏析度持续增加，从70mm-85mm处Μη元素的偏析度保持不变。
【主权项】
1. 一种连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法，其特征在于，具体步骤及参数如下： 1) 根据试验要求，将连铸钢坯加工成适合样品台的试样，试样尺寸为:长度30-40mm、宽 度15-20_、厚度10-20_，然后将试样进行磨样、机械抛光处理； 2) 选定合金元素，利用电子探针对连铸钢坯试样进行面扫描分析； 3) 将偏析度A定义为： ? = 10Γ?°η Σ G Λ - Qi> 71. i=X% z=0% i-100% i-=尤:％ 其中(^为某合金元素的含量，Σ (:.为分析面中g最大的x%的数据之和，￡ ?为分 析面中Ci最小的X%的数据之和； 4) 将电子探针面扫描得到的合金元素成分二维数据导出，利用Matlab软件编写一个Μ 程序来计算Α的数值； 5) 比较偏析度A的大小，A越大，该合金元素偏析越重，A越小，该合金元素偏析越轻。2. 根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，步骤3)中的X%的取值范围为5%-20% 〇3. 根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，步骤4)中的Μ程序的主要功能为:首先 对数据筛选，去掉小于〇的数据和代表MnS的数据;对面扫描的二维数据一维化后按升序排 列;计算该面扫描数据的Σ c，?和Σ&并最终确定a的数值。 Z-1--A"% .1-0% 〇 ，.
【专利摘要】一种连铸钢坯合金元素偏析的评价方法，属于连铸钢坯的成分分析技术领域。将连铸钢坯加工成适合样品台的试样；利用电子探针对连铸钢坯试样进行面扫描分析；定义偏析度A；利用Matlab软件编写一个M程序来计算A的数值；比较偏析度A的大小，确定连铸钢坯合金元素偏析程度的优劣。优点在于为，优化连铸工艺提供依据。
【IPC分类】G01N23/225
【公开号】CN105466961
【申请号】CN201510998723
【发明人】柳洋波, 佟倩, 孙齐松, 陈京生, 丁宁, 马跃, 刘珂
【申请人】首钢总公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月26日