利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方法，1、利用热酸洗方法对碳钢的铸坯表面进行处理，热酸洗中酸液容积比为1：(1—2)工业盐酸水溶液，酸蚀温度为50—80℃，酸蚀时间为10—30min；2、对处理后的试样进行打磨以获得组织偏析界面清晰的低倍组织图像；再利用数码相机/显微镜获取高清铸坯低倍组织的图像；3、将铸坯低倍组织图像处理成灰度图像，读取其中某一位置低倍组织灰度图像的灰度值；然后，通过公式计算得到到该位置的碳元素含量；重复读取灰度值，计算得到相应位置的碳元素含量，并绘制成图，得到碳元素含量分布图；本发明可与凝固组织图对应、分析范围灵活、破坏性低且宜实现等特点。
【专利说明】
利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及冶金工程及凝固技术领域，尤其涉及一种利用碳钢铸坯低倍组织灰度 图获取偏析碳元素含量分布的方法。
【背景技术】
[0002] 碳元素在碳钢中是重要的合金元素，但由于碳元素液固间分配系数小且碳含量较 高，在凝固过程中经溶质再分配后容易造成碳元素偏析。同时，碳元素偏析是铸坯常见的内 部缺陷，其对铸坯性能的影响很大，尤其对于一些特殊的高碳钢而言危害更为明显。因此， 实际生产与技术研究中需要利用各种技术手段对铸坯碳元素含量的分布进行分析来检验 铸坯内部质量是否达标，同时也为进一步改进工艺控制铸坯内部质量提供参考。目前，测量 铸还的碳元素分布主要利用金属原位分析仪、化学分析、ΕΡΜΑ (Electro-Probe Microanalyzer)等方法。这些方法在实践中已经得到广泛的应用。但是这些方法或多或少 也存在一些不足，例如金属原位分析仪测量前必须对样品进行一定的预处理，同时铸坯低 倍组织的获取须经过热酸洗，使得其测量结果不能与低倍组织很好的对应，同时单次最大 分析面积只有约70cm 2;化学分析前须先通过钻肩取样，属于破坏性分析方法，同时由于钻 头尺寸的限制往往会无法区分来自枝晶与偏析位置的钢肩，其结果往往只是平均值，而不 是特定坐标的元素含量;而ΕΡΜΑ等电子显微方法分析尺度太小，难以分析宏观铸坯不同位 置的质量情况。但是，随着对高端钢铁材料要求的不断提高，实际生产与技术研究中，亟需 一种能够对碳钢铸坯碳元素偏析状况展开精细且整体的检测方法，同时由于凝固过程中凝 固组织与偏析相伴而生，则对凝固组织的控制是实现对偏析等缺陷控制的基础，因此，这种 方法还需要能够实现偏析元素含量变化与凝固组织形貌相对应。在以上背景下，利用碳钢 铸坯低倍组织灰度图获取偏析碳元素含量分布的方法就具有可与凝固组织对应、分析范围 灵活、破坏性低且宜实现的优点。
【发明内容】
[0003] 针对现有方法获取碳钢铸坯碳元素分布方法的局限性，本发明瞄准于可与凝固组 织对应、分析范围灵活、破坏性低且宜实现的技术目标。本发明利用热酸洗处理中碳元素含 量越高的位置腐蚀程度越深，对应低倍组织的灰度图像也表现得越黑的的规律，其目的在 于提供利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方法。
[0004] 本发明的技术方案:一种利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005] (1)利用热酸洗方法对碳钢的铸坯表面进行处理，热酸洗中酸液容积比为1: (1一 2)工业盐酸水溶液，酸蚀温度为50-80 °C，酸蚀时间为10-30min;
[0006] (2)对热酸洗腐蚀处理后的试样进行打磨以获得组织偏析界面清晰的低倍组织图 像;再利用数码相机/显微镜获取高清铸坯低倍组织的图像；
[0007] (3)将铸坯低倍组织图像处理成灰度图像，读取其中某一位置低倍组织灰度图像 的灰度值;然后，通过下面公式计算得到到该位置的碳元素含量;重复读取灰度图像内不同 位置低倍组织灰度图像的灰度值，通过该公式计算得到相应位置的碳元素含量，并绘制成 图，得到碳元素含量分布图；
[0009]式中：Ci 一铸坯相应位置的碳元素含量；
[0010] gl-铸坯相应位置低倍组织图像的灰度值；
[0011] C 一铸坯碳元素含量的平均值；
[0012] i-铸坯低倍组织灰度图中灰度值的平均值；
[0013] 255-灰度值的理论最高值。
[0014] 碳钢凝固过程中偏析碳元素的再分配会使得铸坯碳元素分布不均(微观偏析、宏 观偏析），则不同位置碳元素含量的不同导致其在热酸洗处理中反应的吉布斯自由能不同。 碳元素含量越高的位置，活性越大，反应越剧烈，最后腐蚀的程度与深度均越大，根据光学 原理将其转换为灰度图后更能明显区分，即碳元素含量越大，灰度越大(灰度值越小）。由于 对铸坯凝固组织形貌的观察分析也是利用热酸洗这一原理使铸坯表面显示出凝固组织与 偏析的界面，因此就可以利用灰度图得到可以凝固组织图对应的碳元素含量分布图，这也 就为利用凝固组织的结构骨架功能来精细化控制偏析缺陷提供了相应的基础。同时，虽然 该方法得到为凝固组织枝晶尺度的碳元素分布(微米级至毫米级），但由于该方法是基于热 酸洗实验与对灰度图的分析，因此分析范围可根据试样的大小增加或减小。综合以上，相比 现有方法，本发明具有如下有益结果:可与凝固组织图对应、分析范围灵活、破坏性低且宜 实现等特点。
【附图说明】
[0015] 图1碳钢试样的低倍组织形貌图（l〇mmX l〇mm);
[0016] 图2碳钢试样的低倍组织灰度图（lOmmX 10mm);
[0017] 图3利用低倍组织灰度图所得到的碳元素分布曲线。
【具体实施方式】
[0018] 实施例：
[0019] (1)首先，利用常规热酸洗方法对碳钢(本发明选取的碳含量为0.38 %的碳钢）的 铸坯表面进行处理，热酸洗中酸液容积比为1: (1一2)工业盐酸水溶液，酸蚀温度为50-80 。(：，酸蚀时间为10-30min;酸蚀温度可以选取的具体点为50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75 °C、80°C等，酸蚀时间根据碳钢的碳含量、酸蚀温度等选取，可以选取的具体点为lOmin、 12111；[11、15111；[11、18111；[11、20111；[11、22111；[11、25111；[11、26111；[11、28111；[11、30111；[11等，都能满足本发明的需要。
[0020] (2)然后，对热酸洗腐蚀处理(转换）后的试样进行打磨以获得组织偏析界面清晰 的低倍组织图像;最后，利用数码相机/显微镜获取高清铸坯低倍组织的图像;图1所示即为 高清铸坯低倍组织的图像。
[0021] (3)将铸坯低倍组织图像处理成灰度图像（图2所示），且读取其中某一位置低倍组 织灰度图像的灰度值;然后，通过下面公式得到到该位置的碳元素含量(如图2中的点画线 所示）；重复读取灰度图像砂锅内不同位置低倍组织灰度图像的灰度值，通过该公式得到到 其它位置的碳元素含量，并绘制成图。图2中的碳元素含量分布图也可表示为如图3中的曲 线。同理，就可以获得不同铸坯试样不同位置的碳元素分布图。
[0022]将铸坯低倍组织图像处理成灰度图像，采用现有技术的图像处理软件，如Image-Pro Plus与Matlab等，都能实现，在此不作进一步说明。
[0024]式中：匕一铸坯相应位置的碳元素含量，；
[0025] gi-铸坯相应位置低倍组织图像的灰度值，；
[0026] 己一铸坯碳元素含量的平均值，；
[0027] i-铸坯低倍组织灰度图中灰度值的平均值，；
[0028] 255-灰度值的理论最高值。
[0029]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种利用碳钢铸坯低倍组织灰度图获取碳元素含量分布的方法，其特征在于，包括 以下步骤： (1) 利用热酸洗方法对碳钢的铸坯表面进行处理，热酸洗中酸液容积比为1:(1一2)工 业盐酸水溶液，酸蚀温度为50-80 °C，酸蚀时间为10-30min; (2) 对热酸洗腐蚀处理后的试样进行打磨以获得组织偏析界面清晰的低倍组织图像； 再利用数码相机/显微镜获取高清铸坯低倍组织的图像； (3) 将铸坯低倍组织图像处理成灰度图像，读取其中某一位置低倍组织灰度图像的灰 度值;然后，通过公式（1)计算得到到该位置的碳元素含量;重复读取灰度图像内不同位置 低倍组织灰度图像的灰度值，通过公式（1)计算得到相应位置的碳元素含量，并绘制成图， 得到碳元素含量分布图；式中：Ci 一铸还相应位置的碳兀素含量； gl-铸坯相应位置低倍组织图像的灰度值； C一铸坯碳元素含量的平均值； ;一铸坯低倍组织灰度图中灰度值的平均值； 255-灰度值的理论最高值。
【文档编号】G01N21/84GK105866124SQ201610405221
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】侯自兵, 王伟, 常毅, 陈晗
【申请人】重庆大学