专利名称：评定高碳钢连铸方坯纵剖低倍组织质量的方法
技术领域：
本发明涉及一种判断金属材料组织缺陷程度的方法，尤其涉及一种判断高碳钢连铸方坯低倍组织V形偏析程度和中心偏析程度的方法。
背景技术：
众所周知，由于高碳钢连续铸造工艺的特殊性，往往会在高碳钢连铸方坯的芯部沿轴向周期性的产生缩孔、疏松、偏析等缺陷，而这些缺陷会导致用高碳钢连铸方坯轧制的线材在拉拔过程中产生杯锥状断口，影响产品的拉拔性能以及拉拔后的产品性能。传统低倍检验方法只在需要检验的钢坯上沿横断面截取一个试样，然后采用GB2269-91 《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》对试样进行处理，然后再分别对照YB/T153-1999《优质碳素结构钢和合金结构钢连铸方坯低倍组织缺陷评级图》、YB4002-91《连铸方坯低倍组织缺陷评级图》来进行评定。由于高碳钢连铸方坯芯部的缩孔、疏松、偏析等缺陷是沿连铸方坯轴向断续分布的，因此这种传统的分析法不能客观、全面反映高碳钢连铸方坯芯部组织缺陷的状态，尤其不能反映V形偏析和中心偏析，更不能对V形偏析和中心偏析缺陷程度进行判断；亟需一种能够比较准确、全面地反映连铸方坯芯部偏析缺陷形貌，并根据该缺陷对形貌连铸方坯低倍组织优劣情况进行判断的方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供一种评定高碳钢连铸方坯纵剖低倍组织质量的方法，该方法能够较为准确、全面地反映连铸方坯芯部偏析缺陷形貌，并根据该缺陷形貌对连铸方坯低倍组织缺陷程度进行判断。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案沿凝固中心线纵向剖切长度为自身宽度1. 5倍的连铸方坯，然后经机械加工和酸蚀后制作试样，将该试样分别对照V形偏析基准图、中心偏析基准图按以下方法进行比较判断1)若试样的V字形纹理宽度小于V形偏析基准图的V字形纹理宽度，则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理宽度等于V形偏析基准图的V字形纹理宽度，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；2)若试样的V字形纹理数量少于V形偏析基准图的V字形纹理数量，则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理数量等于V形偏析基准图的V字形纹理数量，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；3)若试样的V字形纹理颜色比V形偏析基准图的V字形纹理颜色浅，则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理颜色与V形偏析基准图的V字形纹理颜色相同，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；4)当试样凝固中心的V形偏析宽度=固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度，且V形偏析的V字形数量等于V形偏析基准图时，若试样中心偏析的“1”字形纹理长度小于中心偏析基准图的“1”字形纹理长度，则表明试样的中心偏析程度较轻；反之，则表明试样的中心偏析程度较严重；若试样中心偏析的“ 1，，字形纹理长度等于中心偏析基准图的“ 1，，字形纹理长度，则表明试样的中心偏析程度与基准级别相当；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度小于中心偏析基准图的“ 1，，字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度较轻；反之，则表明试样中心偏析程度较严重；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度等于中心偏析基准图的 “1”字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度与基准级别相当；
所述V形偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1. 5倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V形偏析的宽度=IX固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度选取基准试样制作而得的照片；所述中心偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1.5倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V字形纹理的宽度=1 X固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度的标准选取中心偏析线长度=2X最小凝固收缩缩孔间距的基准试样制作而得的照片。一般来说，连铸坯低倍组织大致可分为三种情况除激冷区外全部为柱状晶，部分为柱状晶、部分为等轴晶，全部等轴晶(见图3)；对高碳钢而言，主要是第二类情况，高碳钢连铸坯偏析缺陷形成过程如下。在高碳钢的连铸过程中，设钢水的液相线温度为IV、固相线温度为Ts,当温度为T 的钢水浇进结晶器时，钢水在结晶器壁生成一激冷层和初生坯壳，同时钢水的温度由于热传导和对流开始下降。随着坯壳被拉出结晶器，二次冷却水对中心含有液芯的钢坯进行降温，坯壳内表面柱状晶开始生长，液芯内的钢水温度持续下降。随着坯壳内钢水温度的下降，当钢水的过冷度达到一定程度时坯壳内钢水爆发形成结晶核(见图4)。由于钢水密度小于钢的密度，爆发形成的结晶核在钢水中下沉并长大、然后结晶核堆积形成钢坯中心的等轴晶区。等轴晶区的结晶核在下落过程中长大而形成树技状，不同的结晶核相互堆积，结晶核与结晶核之间由于晶粒枝杈相互支撑而形成了较大的空隙；该空隙之间填满了钢水。 随着钢坯下行和钢坯温度的不断下降，等轴晶区的钢水开始凝固。由于钢水密度比钢密度小，钢水在凝固过程中体积发生3 4%的收缩；而上部的钢水由于相互支撑的等轴晶结晶核的阻挡无法对下部的收缩进补充，因此铸坯中芯会定期或定长度的范围形成缩孔。当等轴晶区的枝晶间距大时，铸坯下部的凝固收缩可以通过枝晶间的残余钢水进行补充。由于铸坯表面到中芯有存在温度梯度，流动补缩的钢水会形成一个向下的“箭头”而形流动通道 (见图7)。钢水的液相线温度与固相线温度的差异主要是由于合金元素造成的。在钢水凝固过程中，不含或少含合金元素的钢水先行凝固，富含合金元素的钢水后凝固；因而补缩流动形成的箭头形流动通道就形成了一个呈“箭头”形的偏析区。箭头形流动通道的两臂所形成的V字形纹理是V形偏析，箭头形流动通道的中心所形成的“1”字形纹理称为中心偏析， 因最后凝固的钢水流动形成的孔洞是中心疏松。如果等轴晶区的枝晶间距过大，或者因冷却配水不当，箭头形流动通道中心的钢水流动可以形成一个管道，称为中心缩孔；它不同于因凝固收缩而形成的缩孔(见图7)。所述五种缺陷部分可以单独存在，也可以同时存在。对于低碳钢而言，由于液相线温度IY与固相线温度Ts之间的温差不大，随着钢坯温度的下降，枝晶间的钢水很快凝固，来不及流动，因而不形成或少形成“箭头”形偏析和疏松(见图6)。对中碳钢而言，由于液相线温度IY与固相线温度Ts之间的温差较大，随着钢坯温度的下降，枝晶间的钢水不能很快凝固，因而会形成“箭头”形偏析和疏松。对高碳钢而言，由于液相线温度IY与固相线温度Ts之间的温差较低碳钢和中碳钢大得多，随着钢坯温度的下降，枝晶间的钢水不能很快凝固，因而会形成巨大的“箭头”形偏析和疏松。为了消除V形偏析，生产中常采用动态细化晶粒法，即电磁搅拌。对中碳钢，常使用一段电磁搅拌(MEMQ。对高碳钢而言，常使用两段电磁搅拌(MEMS+FEMQ。目前业界常采用一段或两
4段电磁搅拌法生产高碳连铸坯，故本方法只对一段或两段电磁搅拌法生产的连铸坯的偏析缺陷作出评价。通过研究钢水固相率与钢水流动性关系得知在结晶器电磁搅拌正常工作的连铸机上，当钢坯被拉出结晶器后，坯壳上的柱状晶均勻生长，过长的柱状晶被中心运动的钢流折断而混入运动的钢流，成为等轴晶的形核中心；当钢坯下降到钢水固相率为0. 1 的位置时，中芯的钢水基本停止运动，但钢液仍具有流动性；只要在固相率为0. 1处开始搅拌，即使到固相率为0. 4时钢液仍能搅动；如果此时停止搅动，钢水运动立即停止。当固相率达到0.6以后，无论用多大的搅拌力也无法使钢水搅动起来。而当中心钢水的运动停止后，柱状晶的均勻生长也停止，中心的钢水转入静态凝固；中心树枝状等轴晶相互支撑，导致上部钢水无法对下部凝固收缩进行补充，凝固收缩主要通过等轴晶枝晶间的钢水流动进行补充。如前所述，高碳钢钢水的液相线温度IY与固相线温度Ts之间的温差较大，先凝固的钢水和最后凝固的钢水成分差异大，等轴晶枝晶间空隙较大，钢水沿枝晶间隙流动对凝固收缩进行补充；在凝固过程中的连铸坯的温度梯度作用下，流动的钢水形成一个V形偏析，通过对V形偏析形成的研究可知，我们可以通过V形偏析的宽度来确定V形偏析的来重程度，并且可将固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度作为衡量V字形偏析的一个标尺性的指标。根据凝固末端电磁搅拌的中心思想，凝固末端的凝固组织应为致密的宽而细的等轴晶。 因此，当同样宽度的等轴晶区发生等轴晶枝晶间流动时，由于冷却配水和等轴晶枝晶间距不同，等轴晶区枝晶间钢水的流动能力也不同。反映在低倍图片上为原始晶粒大，同等长度方向上的V形偏析管道多(V字形纹理多)；原始晶粒小，同等长度方向上的V形偏析管道少(V字形纹理少)。根据单位长度上V型偏析的数量，我们可以确定高碳钢连铸坯在浇铸过程中，钢水过热度的高低情况。根据前述分析可以看出，在相同的冷却程度情况下，固液相温差越大，等轴晶枝晶间钢水的流动能力也越强；但当固液相温差相同时，冷却越强， 等轴晶枝晶间钢水的流动越弱。这反映在低倍检验上表现为末端凝固时冷却能力越强，V 形偏析颜色越浅。在连铸坯的凝固过程中，由于钢水凝固收缩会间歇性的发生缩孔，这个间歇距离大约是5cm 10cm。在缩孔的产生处中心偏析会汇集，进面危害钢材的性能，因此可以将缩孔发生的最小间距5cm作为评定中心偏析的一个标准依据，根据这一标准界定中心偏析的严重程度。同时，根据V形偏析的严重程度，我们可以判断有多少的富含合金元素的钢水向中心发生了流动，并通过中心偏析通道汇集到缩孔处，进而危害性能，因此将V形偏析的严重程度作为另一个评价中心偏析的指标。从前述分析可以看出，在相同的冷却程度情况下，固液相温差越大，等轴晶枝晶间钢水的流动能力也越强，但当固液相温差相同时，冷却越强，等轴晶枝晶间钢水的流动越弱。这反映在低倍检验上表现为末端凝固时冷却能力越强，中心偏析颜色越浅。与现有技术比较，本发明由于采用了上述技术方案，将原来按横断面截取试样的方法改为了沿连铸方坯凝固中心线纵向剖切截取，经机械加工和酸蚀后制作试样，因此不仅能够使存在于连铸方坯芯部组织的V形偏析缺陷、中心偏析缺陷得以全面、客观、清晰的显露，从而能够对连铸方坯低倍组织存在的缺陷程度进行判断；而且工作量小、效率高。
图1是采用本发明方法显露沿高碳钢连铸方坯凝固中心线分布的V形偏析图2是采用本发明方法显露沿高碳钢连铸方坯凝固中心线分布的中心偏析图；图3铸件中可能具有的几种组织示意图；图4是成核率及长大速率与过冷度的关系见图；图5是树枝晶生长示意图；图6是没有偏析缺陷的连铸坯芯部组织示意图；图7是存在偏析缺陷的连铸坯芯部组织示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明沿凝固中心线纵向剖切长度为自身宽度1.5倍的连铸方坯，然后经机械加工和酸蚀后制作试样，将该试样分别对照V形偏析基准图、中心偏析基准图按以下方法进行比较判断1)如图1所示若试样的V字形纹理宽度小于V形偏析基准图的V字形纹理宽度， 则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理宽度等于V形偏析基准图的V字形纹理宽度，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；2)如图1所示若试样的V字形纹理数量少于V形偏析基准图的V字形纹理数量， 则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理数量等于V形偏析基准图的V字形纹理数量，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；3)如图1所示若试样的V字形纹理颜色比V形偏析基准图的V字形纹理颜色浅， 则表明试样的V形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理颜色与V形偏析基准图的V字形纹理颜色相同，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；4)如图2所示当试样凝固中心的V形偏析宽度=固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度，且V形偏析的V字形数量等于V形偏析基准图时，若试样中心偏析的“1”字形纹理长度小于中心偏析基准图的“ 1，，字形纹理长度，则表明试样中心偏析程度较轻；反之，则表明试样中心偏析程度较严重；若试样的中心偏析的“1”字形纹理长度等于中心偏析基准图的 “1”字形纹理长度，则表明试样中心偏析程度与基准级别相当；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度小于中心偏析基准图的“ 1”字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度较轻；反之， 则表明试样中心偏析程度较严重；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度等于中心偏析基准图的中心偏析“1”字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度与基准级别相当。所述V形偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1. 5倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V形偏析的宽度=IX固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度选取基准试样制作而得的照片；所述中心偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1.5倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V字形纹理的宽度=1 X固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度的标准选取中心偏析线长度=2X最小凝固收缩缩孔间距的基准试样制作而得的照片；其中，固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度可按下式计算L0. 1 = 2RX (I-Ds)
L0. 1——为铸坯在凝固过程中固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度(mm)；Ds——凝固率，Ds = 0. 7 ；R——铸坯断面半径(mm)；最小凝固收缩缩孔间距=5cm。上述实例中，试样利记博彩app如下1)为确保所剖切面通过连铸方坯凝固中心，应首先对钢坯的进行横剖低倍检验， 然后根据横剖的中心缩孔或中心疏松位置对钢坯进行纵剖；2)沿凝固中心纵向剖切一段长度为其自身宽度1.5倍的试样，留加工余量 5 + 2. 5mm ；3)对试样的纵向剖切面进行金属切削加工，保证已加工面距离凝固中心线的距离彡3mm、保证已加工面的粗糙度彡1. 6 μ m ；4)去除已加工面的油污；5)将试样的已加工面侧立并浸没于65 80°C的盐酸水溶液中腐蚀，直至试样的已加工面失去金属光泽并清楚显露出偏析线为止；所述盐酸溶液由工业盐酸与水按1 1 的体积配制而成；5)将试样捞出立即浸没于碱水中浸泡3 10分钟，同时在碱水中去除附着在试样已加工面的腐蚀物；6)将试样捞出立即用冷水冲洗、再用80°C以上的热水冲洗干净，然后将试样按V 字形线开口向下、尖头向上的方式竖立，自上而下将试样的已加工面吹干。
权利要求
1. 一种评定高碳钢连铸方坯纵剖低倍组织质量的方法，其特征在于沿凝固中心线纵向剖切长度为自身宽度1. 5倍的连铸方坯，然后经机械加工和酸蚀后制作试样，将该试样分别对照V形偏析基准图、中心偏析基准图按以下方法进行比较判断1)若试样的V字形纹理宽度小于V形偏析基准图的V字形纹理宽度，则表明试样的V 形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理宽度等于 V形偏析基准图的V字形纹理宽度，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；2)若试样的V字形纹理数量少于V形偏析基准图的V字形纹理数量，则表明试样的V 形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理数量等于 V形偏析基准图的V字形纹理数量，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；3)若试样的V字形纹理颜色比V形偏析基准图的V字形纹理颜色浅，则表明试样的V 形偏析程度较轻；反之，则表明试样的V形偏析程度较严重；若试样的V字形纹理颜色与V 形偏析基准图的V字形纹理颜色相同，则表明试样的V形偏析程度与基准级别相当；4)当试样凝固中心的V形偏析宽度=固相率为0.1 0. 2处的液芯宽度，且V形偏析的V字形数量等于V形偏析基准图时，若试样中心偏析的“ 1”字形纹理长度小于中心偏析基准图的“1”字形纹理长度，则表明试样的中心偏析程度较轻；反之，则表明试样的中心偏析程度较严重；若试样中心偏析的“ 1”字形纹理长度等于中心偏析基准图的“ 1”字形纹理长度，则表明试样的中心偏析程度与基准级别相当；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度小于中心偏析基准图的“ 1”字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度较轻；反之，则表明试样中心偏析程度较严重；若试样中心偏析的“1”字形纹理宽度等于中心偏析基准图的“1” 字形纹理宽度，则表明试样中心偏析程度与基准级别相当；所述V形偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1. 5 倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V形偏析的宽度 =IX固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度选取基准试样制作而得的照片；所述中心偏析基准图是指结晶器的电磁搅拌器正常工作时所截取长度为自身宽度1. 5 倍的铸坯，然后沿凝固中心线纵向剖切该铸坯，并经机械加工和酸蚀，再按V字形纹理的宽度=1 X固相率为0. 1 0. 2处的液芯宽度的标准选取中心偏析线长度=2X最小凝固收缩缩孔间距的基准试样制作而得的照片。
全文摘要
本发明公开了一种评定高碳钢连铸方坯纵剖低倍组织质量的方法，属于判断金属材料组织缺陷程度的方法；旨在提供一种能够较为准确、全面地反映连铸方坯芯部偏析缺陷状况，并根据该缺陷对连铸方坯低倍组织缺陷程度进行评判的方法。其方法是沿轴线纵向剖切连铸方坯制作试样，将该试样与基准图的V字形纹理宽度、V字形纹理数量、V字形纹理颜色、以及中心偏析“1”字形纹理长度进行对照、比较，然后判断试样低倍组织发生V字形偏析、中心偏析的程度。本发明工作量小、效率高，是评定高碳钢连铸方坯纵剖低倍组织质量的一种理想方法。
文档编号G01N21/88GK102253045SQ20111009620
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者刘永林, 周刚, 张家相, 李正嵩, 杨茂麟 申请人:首钢水城钢铁(集团)有限责任公司