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在先进制造业蓬勃发展的当下，大型高质量钢材需求剧增，轴承钢作为关键特殊钢，其内部质量问题却因尺寸增大而凸显。为解决传统方法难以准确表征全尺寸轴承钢成分分布的难题，研究人员开展了 “Spark Mapping Analysis for Large Samples（SMALS）技术用于轴承钢大方坯定量全尺寸元素成像” 研究。他们优化了实验条件，建立校准曲线，确定了检测限，发现短程压下工艺更能缓解 V 型偏析，该研究为工艺优化、材料研发提供了有效途径。
在当今工业领域，轴承钢的重要性不言而喻，它广泛应用于冶金、采矿、轨道交通等诸多关键行业。随着先进制造业飞速发展，对大型高质量钢材的需求与日俱增，大型连续铸坯生产技术成为主流。然而，轴承钢大方坯尺寸的增大带来了一系列内部质量问题，比如中心偏析、缩孔和疏松等。这些问题就像隐藏在钢材内部的 “定时炸弹”，严重影响后续轧制产品的性能。
凝固末端的轻压下和重压下工艺，原本被视为提升铸坯内部质量的 “救星”，它能降低钢液凝固前沿的富集程度，扩大等轴晶区，减少枝晶搭桥，还能补偿铸坯芯部的凝固收缩。但问题来了，传统的成分分析方法却无法准确测定全尺寸大型金属样品的成分分布情况。像传统的电感耦合等离子体发射光谱法（ICP - OES），不仅需要钻孔取样破坏样品，操作还十分复杂；电子探针微区分析（EPMA）和扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX），虽然空间分辨率高，可不仅是半定量的，而且耗时久，不适合用于大型材料中各种元素的定量分布分析；微 X 射线荧光（μ - XRF）技术虽然能实现微米级空间分辨率的快速元素扫描，却检测不了非金属元素和轻金属元素，连对评估轴承钢内部质量至关重要的碳（C）元素都无法分析。
面对这些困境，为了更深入地了解轴承钢大方坯的成分分布情况，从而优化生产工艺，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于 “Spark Mapping Analysis for Large Samples（SMALS）技术用于轴承钢大方坯定量全尺寸元素成像” 的研究。研究成果发表在《Analytica Chimica Acta》上。
研究人员主要运用了 SMALS 技术。该技术由精密数控加工中心和高稳定性火花源原子发射光谱分析系统组成，基于原位统计分布分析和高通量统计映射表征技术，能快速获取样品的原位和状态信息。研究人员通过优化实验条件，包括测试能量和样品与电极间的距离等参数，选取六种特制的铁基参考材料进行表面扫描，在 SMALS 仪器软件中建立校准曲线，并利用火花原子发射光谱（Spark - AES）对结果进行验证，同时确定了该方法对碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、铝（Al）等元素的检测限。
研究结果
- 优化实验条件：仪器扫描时的输出能量由放电电容参数k（无量纲，为放电周期中电容充电时间的比值）调节，k值决定激发能量，进而影响样品表面侵蚀深度。经过系统优化，确定 0.25 的测试能量和 3.5mm 的样品与电极表面距离（DESS）为最佳分析条件。
- 建立校准曲线并验证结果：对六种特制铁基参考材料进行 SMALS 表面扫描，建立校准曲线，再通过 Spark - AES 验证，确保了 SMALS 技术分析结果的准确性。
- 元素成像与偏析分析：运用 SMALS 技术对不同压下工艺的 350mm×455mm GCr15 轴承钢大方坯的横截面和纵截面进行快速扫描，对碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钛（Ti）和铝（Al）进行元素成像。结果发现存在框架型和 V 型偏析，且短程压下工艺相较于长程压下工艺，能更好地缓解 V 型偏析。
- 表面缺陷分析：SMALS 技术还能对样品的表面缺陷，如孔隙、缩孔和裂纹等进行分析，全面评估样品质量。
研究结论与意义
这项研究成功运用 SMALS 技术开发出了针对 GCr15 轴承钢大方坯的多元素成像方法，不仅分析了长程和短程压下工艺下全尺寸截面的偏析情况，还检测了表面缺陷。通过优化实验条件，建立准确的校准曲线，确定检测限，为定量分析提供了可靠依据。研究结果表明短程压下工艺在缓解 V 型偏析方面更具优势，为轴承钢生产过程中变压下工艺的优化提供了有力的理论支持和实践指导。
此外，SMALS 技术作为一种多功能元素成像技术，为全尺寸样品的成分分析和工艺评估提供了高效途径，在新材料研发领域意义重大。它能够帮助研究人员快速、准确地了解材料的成分分布和微观结构，加速新材料的开发进程。同时，在材料诊断和处理领域，该技术也有着广阔的应用前景，有助于提高材料质量，降低生产成本，推动相关产业的发展。
