利用硝酸酒精溶液显示亚共析钢连铸坯枝晶形貌的方法与流程

1.本发明涉及金相组织检验分析技术领域，具体涉及一种利用硝酸酒精溶液显示亚共析钢连铸坯枝晶形貌的方法。


背景技术：

2.连铸技术作为当今钢铁生产的主要手段，具有金属收得率高、生产节奏快、能源消耗低等显著优点。经过数十年发展，国内连铸技术已相对成熟，但仍存在诸多问题。其中与凝固组织紧密相关的中心偏析、框型偏析、点状偏析、中间裂纹、柱状晶/等轴晶比例等已成为制约高品质钢生产的瓶颈。由于高温性及不透明性，对连铸凝固信息的获取仅能通过间接方式进行。目前射钉法已被禁止，硫印法也存在收得率等多种问题，通过连铸坯低倍与高倍枝晶结构追溯凝固行为已成为获取连铸过程凝固信息的主要途径。
3.国家标准《gb226-91钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》中介绍了连铸坯低倍组织的显示方法，其中热酸法在生产中使用最多，常用于碳钢与合金钢的低倍浸蚀，但对部分钢种效果不佳，且无法显示出高倍枝晶结构。
4.饱和苦味酸水溶液法、oberhoffer试剂法是腐蚀连铸坯枝晶形貌的通用方法，在国内外文献资料中十分常见。此类方法腐蚀液配方中主要有苦味酸、氯化铜、表面活性剂、盐酸、酒精与蒸馏水等。相似地，中国专利cn00123293.2“连铸钢坯凝固组织显示技术”，cn200610047773.0“一种显示硅钢凝固组织的腐蚀剂及其配置方法”，cn102023112a“一种显示超低碳钢凝固枝晶组织的腐蚀剂及制备方法”等针对不同钢种公开了凝固枝晶结构的腐蚀方法，使用溶液由氯化铜、盐酸、表面活性剂、酒精、蒸馏水以及苦味酸、氯化亚锡或氯化镁配制而成。此类方法使用效果受限于钢种、表面活性剂种类、温度、时间、操作者经验等诸多因素。更为关键地，苦味酸属于易燃易爆剧毒药品，目前国内已禁止采购与使用，因此急需形成新的连铸坯枝晶形貌显示方法。
5.中国专利cn104316369a“一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法”公开了一种通过奥氏体化后炉冷至共析温度附近保温，然后冷却至室温，并利用硝酸酒精溶液显示齿轮钢连铸坯枝晶形貌的新方法。该方法避免了对苦味酸的使用，对齿轮钢有较好的腐蚀效果。然而该方法未考虑高温保温时奥氏体晶粒的粗化及其对枝晶形貌显示效果的影响，导致在不同钢种间使用效果存在差异。这在试样规格较大时更为明显，因为大尺寸试样完成均热需要的时间较长，容易导致局部晶粒粗化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种利用硝酸酒精溶液显示亚共析钢连铸坯枝晶形貌的方法，本发明考虑到晶粒尺寸的因素，提供了一种可通过铁素体/珠光体组织显示出枝晶形貌的适用于多钢种的连铸坯枝晶形貌显示方法。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
8.利用硝酸酒精溶液显示亚共析钢连铸坯枝晶形貌的方法，该方法是将连铸坯试样
经过两次奥氏体化-淬火循环处理后再进行一次奥氏体化，第三次奥氏体化保温后从奥氏体温区随炉冷却或空冷至室温，然后用质量浓度为2％～4％的硝酸酒精溶液腐蚀。
9.三次奥氏体温区均为在奥氏体化温度a
c3
以上50～100℃保温，试样在奥氏体温区的保温时间为t 10min，其中t为试样均热时间、由试样规格确定，即t＝d/2，d为试样中心距表面最小距离，单位是mm；t的单位是min。
10.前两次奥氏体化保温后采用水淬冷却。
11.第三次奥氏体化保温后，随炉冷却速率低于0.1℃/s。
12.该方法适用于碳当量在0.77％以下的亚共析钢。
13.优选的，本方法适用于碳当量在0.05％～0.5％范围内的亚共析钢，其它元素含量无要求。
14.以某中碳含cr合金钢为例说明经热处理后硝酸酒精溶液显示枝晶形貌的原理：以树枝晶形式凝固时，c、mn、si、cr等合金元素会在枝晶间形成强烈偏析。由于在固相中扩散速率有限，mn、si、cr等置换型原子的偏析特征会在连铸结束后得到保留，且偏析区域与枝晶间区域的空间分布一致。在重新加热至奥氏体温区后，间隙原子c会迅速均匀，而只要温度不过高，mn、si、cr等元素分布则基本保持原始状态。此时若奥氏体晶粒细小，在缓慢冷却条件下，上述合金元素会通过影响铁素体形成温度a
r3
使得于溶质匮乏区优先形成先共析铁素体并将c元素排至偏析区域，最终于较低温度在偏析区域形成珠光体。通过硝酸酒精溶液即可由铁素体/珠光体的分布重现凝固枝晶形貌。
15.上述原理与轧材上铁素体/珠光体带状组织的形成机制相同，适用于亚共析钢，包括碳钢与合金钢。在一定的偏析程度下，奥氏体晶粒尺寸和冷却速率是带状组织形成的主要影响因素。资料表明，较高的冷却速率、较大的奥氏体晶粒尺寸均会抑制带状组织发生，因此也会影响上述原理中枝晶形貌的显示。如果奥氏体晶粒明显大于化学偏析带的间距，铁素体与珠光体的带状或枝晶状分布就不容易产生。因此，有必要关注高温保温时奥氏体晶粒的粗化。
16.齿轮钢中al含量较高，在奥氏体化温度a
c3
以上50～100℃不易发生粗化，这也是专利文件cn104316369a所述方法无需关注奥氏体晶粒粗化的原因。但对于其它钢种，尤其是大规格试样需要长时间均热时，易出现粗大奥氏体晶粒。例如对某低碳车轮用钢，实验发现其奥氏体晶粒在900～950℃保温5～30min后均会出现直径在80μm以上的粗晶，超出连铸坯表层区域的枝晶臂间距。
17.为了解决这一问题，本发明的方法为：
18.1)将连铸坯试样升温至奥氏体化温度a
c3
以上50～100℃，完全均热后保温10min，然后水淬至室温，此时基体组织转变为马氏体；
19.2)执行上述过程两次，通过铁素体
→
奥氏体
→
马氏体
→
奥氏体
→
马氏体
→
奥氏体相变过程强烈细化奥氏体晶粒；
20.3)第三次奥氏体化并保温后不水淬，将试样以小于0.1℃/s的速率随炉冷却至室温；
21.4)切去试样表面氧化层与脱碳层后进行研磨抛光，小规格试样磨抛至0.2μm，大规格试样磨至镜面；
22.5)将磨抛后的试样表面浸入2％硝酸酒精溶液腐蚀10～30s，然后立即用清水、酒
精冲洗试样表面，并用吹风机吹干；
23.6)利用光学显微镜观察与采集由铁素体/珠光体结构呈现出的枝晶形貌，其中铁素体对应枝晶干、珠光体对应枝晶间。
24.本发明中试样升温采用直接放入目标温度炉膛的方式，但若试样规格过大导致快速加热/淬火时产生裂纹，可将相应方式调整为随炉升温及空冷。
25.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
26.1、本发明无需使用属于危化品的苦味酸；
27.2、本发明枝晶形貌显示效果好，可重现凝固组织结构，分析连铸坯内部传热、流动与传质状态，有利于优化连铸工艺、减轻连铸坯偏析；
28.3、本发明步骤简明、可操作性强，无需经验积累；
29.4、本发明适用范围广，可用于亚共析成分范围内的多数钢种；
30.5、本发明除连铸坯外，还可用于枝晶结构未完全破碎的中间材，且无试样规格限制。
附图说明
31.图1为本发明实施例的温度制度示意图。
32.图2为某低碳车轮用钢连铸坯厚度四分之一位置的枝晶形貌显示效果，饱和苦味酸水溶液法腐蚀。
33.图3为某低碳车轮用钢连铸坯厚度四分之一位置的枝晶形貌显示效果，本发明方法腐蚀。
34.图4为某中碳含cr/mo齿轮钢连铸坯表层的枝晶形貌显示效果，饱和苦味酸水溶液法腐蚀。
35.图5为某中碳含cr/mo齿轮钢连铸坯表层的枝晶形貌显示效果，本发明方法腐蚀。
36.图6为本发明方法腐蚀的某中碳含nb微合金结构钢枝晶形貌显示效果，对应连铸坯表层垂直表面方向。
37.图7为本发明方法腐蚀的某中碳铁路用钢连铸坯柱状晶区枝晶形貌显示效果。
38.图8为本发明方法腐蚀的某中碳铁路用钢连铸坯交叉树枝晶区枝晶形貌显示效果。
39.图9为本发明方法腐蚀的某中碳铁路用钢连铸坯等轴晶区枝晶形貌显示效果。
具体实施方式
40.下面结合实施例对本发明的具体实施方式进一步说明：
41.利用硝酸酒精溶液显示亚共析钢连铸坯枝晶形貌的方法，该方法是将连铸坯试样经过两次奥氏体化-淬火循环处理后再进行一次奥氏体化，第三次奥氏体化保温后从奥氏体温区随炉冷却或空冷至室温，然后用质量浓度为2％～4％的硝酸酒精溶液腐蚀。
42.三次奥氏体温区均为在奥氏体化温度a
c3
以上50～100℃保温，试样在奥氏体温区的保温时间为t 10min，其中t为试样均热时间、由试样规格确定，即t＝d/2，d为试样中心距表面最小距离，单位是mm；t的单位是min。
43.前两次奥氏体化保温后采用水淬冷却。
44.第三次奥氏体化保温后，随炉冷却速率低于0.1℃/s。
45.应用实施例钢种为：低碳车轮用钢、中碳含cr/mo齿轮钢、中碳含nb微合金结构钢、中碳铁路用钢。
46.实施例钢种a
c3
温度在830～880℃，因此保温温度设置为930℃。试样取自连铸坯不同位置，规格为10
×
10
×
10mm3。由试样中心至表面最小距离d＝5mm，计算得到试样均热时间t＝d/2＝2.5min，因此每次奥氏体化需保温12.5min。
47.如图1温度制度所示，试样经历两次930℃保温12.5min后水淬的过程。在第三次奥氏体化保温后，试样以约0.05℃/s的速率随炉冷却至室温。用线切割的方式将试样从中部切开或切去观察面外部的氧化层与脱碳层，通过研磨、抛光的方式将观察面抛光至0.2μm。配制2％硝酸酒精溶液，将试样观察面浸入溶液10～30s，而后立即用清水、酒精依次清洗试样，并及时用吹风机吹干观察面，获得清晰的铁素体/珠光体组织显示效果。此时铁素体/珠光体组织即可呈现出凝固枝晶分布特征，如图2～9所示，腐蚀为白色或浅色的铁素体对应枝晶干区域、腐蚀为黑色或深色的珠光体对应枝晶间区域。
48.图2为低碳车轮用钢连铸坯四分之一厚度位置由饱和苦味酸水溶液法腐蚀的效果，显示出的是连铸坯状态下铁素体/珠光体/魏氏组织构成的金相组织，无法得到枝晶结构信息。图3为相同试样、相同视场下采用本发明方法腐蚀的效果，深色与浅色区域相间分布、勾勒出清晰的枝晶形貌。
49.图4为中碳含cr/mo齿轮钢连铸坯表层由饱和苦味酸水溶液法腐蚀的效果，枝晶形貌依稀可辨，但同时显示出的先共析铁素体使得图像变得混乱，难以获得清晰、定量的枝晶结构信息。图5为相同试样、相同视场下采用本发明方法腐蚀的效果，枝晶形貌十分清晰，且与图2腐蚀结果吻合。
50.图6为采用本发明方法获得的中碳含nb微合金结构钢连铸坯表层枝晶形貌，精细地显示出了一次、二次枝晶结构，并展现出柱状晶生长方向的改变，可用于分析连铸初期的冷却与钢液流动状况。
51.图7-图9为采用本发明方法获得的中碳铁路用钢连铸坯在柱状晶区、交叉树枝晶区、等轴晶区的枝晶形貌，清晰地展现出不同位置的枝晶特征，能够可靠地重构凝固组织结构。