CN105203732A - 弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，包括如下步骤：1)横向截取弹簧钢铸坯草样；2)横向截取一定厚度的铸坯作为低倍样，进一步锯切成观测样；3)对观测面进行加工；4)选定一种化学元素，通过金属原位分析仪对观测面进行二维面扫描，得到选定元素在扫描区域内的分布图谱；5)通过图像处理软件，计算分布图谱上不同颜色所占的面积百分比，据此分析选定元素的在该观测面上的偏析程度，元素含量的分布越集中，越接***均值，则选定元素在观测区内的偏析程度越低；按照步骤4)～步骤5)，对所有观测样及所有测试元素进行测定和处理。该方法能够准确反映铸坯化学成分在二维面上的分布情况；分析结果更全面、更精确。

Description

弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法

技术领域

本发明涉及一种钢铸坯质量分析方法，特别是指一种弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法。

背景技术

弹簧钢盘条广泛应用于车辆悬架减震弹簧、发动机气门弹簧等涉及整车安全核心零部件的制造，我国钢企多数采用转炉(或电炉)+连铸的常规制造流程生产。在连铸时，钢液的凝固状态会随浇注温度(过热度)、结晶器断面尺寸、连铸拉速、二次冷却速度等过程参数的不同发生变化，并直接影响铸坯的凝固组织及化学元素分布状态。钢坯内化学元素的不均匀分布(称为成分偏析)显著影响材料的内在质量，造成材料的心部与四周的微观组织、硬度、强度、淬透性存在显著差异，为材料后续加工及最终应用造成很大的影响。据了解，因成分偏析导致材料出现加工断裂、疲劳失效问题的比例达到20％以上。因此，制定一种检测分析方法来定量衡量铸坯中化学元素的分布状态，对于提高铸坯冶金质量、降低偏析具有重要指导与借鉴意义。

当前，国标GB/T24178中根据铸坯凝固后不同组织的形态特征，定义了细小等轴晶带、柱状晶带、中心等轴晶带，并根据面积百分比进行计算，得到铸坯的等轴晶率。从理论上来说，等轴晶率越大，铸坯的组织均匀性越好，冶金质量越高。冶金行业标准YB/T153也对铸坯中心偏析按形貌特征进行定义，制定了中心偏析级别评定图谱，便于确定铸坯偏析的级别。但以上标准仅从形貌特征方面定义各类凝固组织、中心偏析，未深入分析不同凝固组织、偏析区内部化学元素分布情况。等轴晶率、偏析指数等指标也只能定性判断，检验结果因人而异，相对误差大，无法做到公正、客观的对比与评价铸坯质量。也有人在铸坯截面上不同位置钻孔采集铁屑，采用化学分析法测量不同部位的化学成分。这种方法的缺点是：1)无法精确测量微小区域内化学成分；2)无法准确反映铸坯化学成分在二维面上的变化规律；3)检验工作量大，过程繁琐。

中国专利申请《一种连铸坯成分偏析的分析方法》(申请号201010151349.7)，提出一种可对碳、硫等多种元素，连续取样、做精细、定量分析，并可做图文直观显示的连铸坯成分偏析的分析方法。它以连铸坯横截面为分析对象，由采集试样，利用金属原位分析仪扫描试样和将每个扫描结果用图表显示几个步骤构成。使用该分析方法，能定量表述连铸坯的偏析，重复性好，能利用点、线、面方式表征偏析特征和规律；能通过一次扫描结果，得到多元素定量偏析结果，结果准确，而且分析试样少，减少了检测时间和成本。该方法的局限性有：1)适用于板坯，不适用于盘条生产对应的方坯或矩型坯；2)金属原位扫描做出的二维图未能测量到观察面上各部分元素含量的具体数值；3)对铸坯化学元素偏析程度的评价，仅按照最大偏析度、统计偏析度等计算值，设定偏析评定标准，如：一般性偏析、较重偏析、最重偏析等，未对铸坯观测面上各成分区间对应的百分比进行判定，量化数据较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够定量衡量弹簧钢铸坯中化学元素分布状态的弹簧钢铸坯成分偏析的分析方法。

为实现上述目的，本发明所提供的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，包括如下步骤：

1)横向截取弹簧钢铸坯草样；

2)草样加工，加工过程如下，

A.横向切除弹簧钢铸坯草样的取样端，锯切部位远离火焰切割热影响区，再横向截取一定厚度的铸坯作为低倍样，

B.将低倍样锯切成设定数量的观测样，观测样的尺寸符合金属原位分析仪的要求；

3)以铸坯横截面作为目标观测面，对各观测样的观测面进行加工，使其符合金属原位分析仪的要求；

4)选定一种化学元素，选择观测面上靠近铸坯中心的区域作为金属原位分析仪的观测区，通过金属原位分析仪进行二维面扫描，数据采集过程在“偏析”功能下进行，得到选定元素在扫描区域内的分布图谱；需要说明的是，观测区是观测面被扫描的区域，观测区尺寸以金属原位分析仪的观测能力为准，若观测区尺寸大于观测样的观测面尺寸，则将全部观测面置于观测区的中心；

5)通过图像处理软件，计算步骤4)中获得的分布图谱上不同颜色所占的面积百分比，由于分布图谱上每种颜色代表该元素的某个特定含量，故可得出选定元素不同含量在观测区上的分布位置及面积百分比，据此分析选定元素在观测区上的偏析程度，元素含量的分布越集中，越接***均值，则选定元素在观测区内的偏析程度越低；

按照步骤4)～步骤5)，对所有观测样及所有测试元素进行测定和处理。

优选地，步骤1)中，弹簧钢铸坯草样的长度为50mm～80mm，取样方式为火焰切割或在线锯切。

优选地，步骤2)中，锯切时采用流水冷却，以避免加工时形成异常组织。

优选地，步骤2)的A过程中，低倍样的厚度至少为20mm.

优选地，步骤2)的B过程中，观测样包含铸坯横截面从边缘到中心的各个区域，且最大几何长度不超过120mm.

优选地，步骤2)B中，锯切得到观测样的过程为，首先垂直于低倍样横截面的一边将其锯切成3:2的两段，取较长的一段，再将该段垂直于长边锯切成3:4:3的三段，即得到三份观测样。

优选地，步骤3)中，观测面的加工方式为铣、磨加工，加工后观测面的表面粗糙度不大于0.8μm.

优选地，步骤4)中，通过金属原位分析仪的“偏析分析”功能，获得观测面内选定元素的平均、最大及最小含量，以及平均、最大、最小偏析度。

优选地，步骤5)中，将选定元素的不同含量及面积百分比列表并绘制成条形图，通过条形图直观地反应观测区内选定元素的偏析程度。

优选地，步骤5)中，计算选定元素在观测区内的含量标准差σ，通过标准差σ表征偏析程度，标准差σ的计算公式如下，

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i^2\·P_i-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i{P}_i\right)}^2}$

式中，n为分布图谱上的颜色总数，C_i为第i种颜色所代表的元素含量，P_i为该颜色区域的面积占图谱总面积的百分比(本发明中简称为面积百分比)。

本发明的有益效果是：该方法通过图像处理软件，计算分布图谱上不同颜色所占的面积百分比，对元素不同含量在观测区上的分布进行定量，能够准确反映铸坯化学成分在二维面上的分布情况；分析结果更全面、更精确，并能详尽地对弹簧钢铸坯偏析状况进行定量评价。

附图说明

图1为低倍样锯切为观测样的示意图。

图2为1#铸坯2#试样元素C含量的分布图谱，实际图谱为彩色，按照专利申请的要求修改为灰度图片。

图3为2#铸坯2#试样元素C含量的分布图谱，实际图谱为彩色，按照专利申请的要求修改为灰度图片。

图4为1#铸坯2#试样元素C含量的条形图，横坐标为每种颜色所对应的C含量，纵坐标为该颜色的面积百分比。

图5为2#铸坯2#试样元素C含量的条形图，横坐标为每种颜色所对应的C含量，纵坐标为该颜色的面积百分比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

以分析某炉弹簧钢铸坯55SiCr的碳(C)偏析为例，定量分析与评价不同流铸坯的偏析状况。

(1)取样

对选定炉次的弹簧钢铸坯(55SiCr)，选取两流，分别称为1#铸坯、2#铸坯，截取1#铸坯、2#铸坯的横截面草样，草样长度为80mm，取样方式采用火焰切割。

(2)草样加工

将铸坯草样锯切加工成低倍样，厚度为20mm。锯切部位需远离火焰切割热影响区，并在锯切的同时采用流水冷却，避免出现加工时形成的异常组织。再按图1的方式将低倍样锯切成3份观测样，图中以横截面200mm×200mm为例，首先将观测面锯切成3:2的两段，宽度分别为120mm和80mm；取120mm的一段，将其锯切成3:4:3的三段，各段宽度分别为60mm、80mm和60mm，各观测样按从上到下的方式依次编号为1#～3#。其他尺寸的横截面切割方式可自行设计，但必须保证观测面包含从边缘到中心各个区域，且最大几何长度不得超过仪器规定值(如120mm)。

(3)观测面加工

以铸坯横截面作为目标观测面，对1#～3#观测样的观测面进行铣、磨加工，加工后保证试样表面粗糙度不大于0.8μm。

(4)观测面扫描

本例中，弹簧钢55SiCr包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni等元素，以下以1#铸坯的2#观测样、2#铸坯的2#观测样中的元素C为例对偏析进行分析，其他观测样采用相同的方式。

实际观测面(观测区)的大小以具体的金属原位分析仪的观测能力为准，本例中，观测区的大小为50mm×80mm。2#观测样尺寸大于观测面积，应选择靠近铸坯中心的区域观测。

采用金属原位分析仪对1#铸坯的2#观测样、2#铸坯的2#观测样进行二维面扫描，选定测量元素为C，设定仪器采集过程在“偏析”功能下进行，得到C元素在扫描区域内的分布图谱，1#铸坯、2#铸坯的2#观测样的分布图谱分别为图2和图3。

(5)结果分析

通过金属原位分析仪的“偏析分析”功能，可直接获得观测面C元素的平均、最大及最小含量，平均、最大、最小偏析度，见表1。

表1不同铸坯偏析指数计算值

铸坯	平均C含量(％)	平均偏析度	最大偏析度	最小偏析度
					1#	0.536	1.269	1.585	0.720
2#	0.495	1.078	1.206	0.833

③通过图像处理软件，计算铸坯各观测面上不同色域(对应元素含量)所占的面积百分比，所得结果见表3。实际图谱为彩色图片，按照专利申请的要求修改为灰度显示，表3中的颜色是指实际图谱的颜色。绘制元素含量与面积百分比的条形图，见图4～5.图5中条形图的分布更为集中，故2#铸坯2#观测样在观测区内的C元素偏析优于1#铸坯。

表3元素含量——面积百分比统计表

根据表3中数据计算观测区C元素含量的标准差，公式如下：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i^2\·P_i-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i{P}_i\right)}^2}$

计算得到1#铸坯2#试样C元素含量的标准差为0.0615，2#铸坯2#试样C元素含量的标准差为0.0519.标准差可表征元素含量在观测区分布的均匀程度，标准差越小，分布越均匀，故2#观测样在观测区内的C元素偏析优于1#铸坯。偏析度Se＝(C_最大-C_最小)/C_平均，偏析度没有考虑面积百分比，因此标准差对元素含量的不均匀程度的表征效果优于偏析度。

Claims (10)

1.一种弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)横向截取弹簧钢铸坯草样；

2)草样加工，加工过程如下，

A.横向切除弹簧钢铸坯草样的取样端，锯切部位远离火焰切割热影响区，再横向截取一定厚度的铸坯作为低倍样，

B.将低倍样锯切成设定数量的观测样，观测样的尺寸符合金属原位分析仪的要求；

3)以铸坯横截面作为目标观测面，对各观测样的观测面进行加工，使其符合金属原位分析仪的要求；

4)选定一种化学元素，选择观测面上靠近铸坯中心的区域作为金属原位分析仪的观测区，通过金属原位分析仪进行二维面扫描，数据采集过程在“偏析”功能下进行，得到选定元素在扫描区域内的分布图谱；

5)通过图像处理软件，计算步骤4)中获得的分布图谱上不同颜色所占的面积百分比，即可得出选定元素不同含量在观测区上的分布位置及面积百分比，据此分析选定元素在观测区上的偏析程度。

2.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，弹簧钢铸坯草样的长度为50mm～80mm，取样方式为火焰切割或在线锯切。

3.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，锯切时采用流水冷却，以避免加工时形成异常组织。

4.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤2)的A过程中，低倍样的厚度至少为20mm。

5.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤2)的B过程中，观测样包含铸坯横截面从边缘到中心的各个区域，且最大几何长度不超过120mm。

6.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤2)的B过程中，观测样采用如下方式锯切得到，首先垂直于低倍样横截面的一边将其锯切成3:2的两段，取较长的一段，再将该段垂直于长边锯切成3:4:3的三段，得到三份观测样。

7.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤3)中，观测面的加工方式为铣、磨加工，加工后观测面的表面粗糙度不大于0.8μm。

8.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤4)中，通过金属原位分析仪的“偏析分析”功能，获得观测面内选定元素的平均、最大及最小含量，以及平均、最大、最小偏析度。

9.根据权利要求1所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤5)中，将选定元素的不同含量及面积百分比列表并绘制成条形图，通过条形图直观地反应观测区内选定元素的偏析程度。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的弹簧钢铸坯成分偏析定量分析方法，其特征在于：所述步骤5)中，计算选定元素在观测区内的含量标准差σ，通过标准差σ表征偏析程度，标准差σ的计算公式如下，

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i^2{P}_i-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i{P}_i\right)}^2}$

式中，n为分布图谱上的颜色总数，C_i为第i种颜色所代表的元素含量，P_i为该颜色区域的面积百分比。