CN105466961A - 一种连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种连铸钢坯合金元素微观偏析的评价方法

技术领域

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

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轧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。

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：

$A=\frac{Cmax}{Cmin}$

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。

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

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。

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，x_E左边为固相区，x_E-x_t为两相区，x_t右边为液相区。当液相温度经过x_t时开始凝固，到xE时凝固完毕。

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l，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。

利用以上模型可以得出：

$C_s={\mathrm{KC}}_0\[\frac{a}{K-1}+(1-\frac{aK}{K-1}){(1-f_s)}^{K-1}\]$

其中G为温度梯度，m为液相线斜率，f_s为固相率。从上式可以看出，合金元素的浓度C_s在f_s较小时对应于枝晶干，而在f_s较大时对应于枝晶间。

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：

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15-20mm、厚度10-20mm，然后将试样进行磨样、机械抛光处理。

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。

3)将偏析度A定义为：

$A=\frac{\underset{i=1-X\%}{\overset{i=100\%}{\Σ}}{C}_i}{\underset{i=0\%}{\overset{i=X\%}{\Σ}}{C}_i}$

其中C_i为某合金元素的含量，为分析面中C_i最大的X％的数据之和，为分析面中C_i最小的X％的数据之和。根据具体情况，X％的取值范围为5％-20％。

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M程序来计算A的数值。该M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和并最终确定A的数值。

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。

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

图1为树枝晶凝固时沿生长方向上的溶质分布。

图2为树枝晶凝固时沿增厚方向上的溶质分布。

图3为齿轮钢20CrMnTiH连铸坯Mn元素从表面到中心的偏析程度分布。

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。

图5为冷镦钢22A连铸坯Mn元素从表面到中心的偏析程度分布。

具体实施方式

实施例1

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×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10mm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1μm，扫描面积为600×450μm，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。

将面扫描后数据导出，利用Matlab的M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，得到和根据偏析度定义，计算各位置的Mn、Cr元素的偏析度。Mn、Cr元素从表面到心部的偏析度如图3、图4所示。从图3中可以看出，从表面到1/4处，Mn元素的偏析度增加，而1/4到中心，Mn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。

实施例2

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160mm×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1μm，扫描面积为1200×900μm，对试样进行扫描分析，分析元素为Mn。每个10mm选取一个区域进行面扫描。

将面扫描后数据导出，利用Matlab的M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，得到和根据偏析度定义，计算各位置的Mn元素的偏析度。Mn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，Mn元素的偏析度持续增加，从70mm-85mm处Mn元素的偏析度保持不变。

Claims (3)

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15-20mm、厚度10-20mm，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：

$A=\frac{\underset{i=1-X\%}{\overset{i=100\%}{\Σ}}{C}_i}{\underset{i=0\%}{\overset{i=X\%}{\Σ}}{C}_i}$

其中C_i为某合金元素的含量，为分析面中C_i最大的X％的数据之和，为分析面中C_i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M程序来计算A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％。

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M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和并最终确定A的数值。