铁液冶金质量热分析设备的使用分析范文

摘要：介绍了国内外市场上铁液冶金质量的热分析设备，并进行了对比。详细阐述了铁液冶金质量热分析设备的原理、热分析系统中各参数的意义以及热分析设备在铸造企业的应用情况，提出了以下几点内容：（1）了解铁液冶金质量热分析的原理，有助于铸造工程师更清晰地认识特征温度和关键参数的意义；（2）针对铸件建立产品数据库，需要用到相关性分析和线性回归分析等统计方法；（3）选择可编辑数据库的热分析软件，并且投入成本去制作产品数据库，可以真正地将热分析软件用于指导产品的生产。

关键词：铁液；冶金质量；热分析

目前，国内市场上的铁液冶金质量的热分析设备非常多，比如NovaCast公司的ATAS、贺利氏公司的PhraseLab、埃肯公司的EPIC、福士科公司的ITACA、西班牙AZTERLAN铸造技术研发中心的Thermolan、意大利TEKOM公司的TAG、天津撒布浪斯、天津汇丰和合肥双发等，如图1~图4所示。从这些设备的系统界面上来看，有很多相似之处，都显示着铁液温度随时间变化的冷却曲线，根据温度变化曲线采集到的一些特征温度值，以及通过计算得出的关键参数，国内的几款产品参数则相对少些。

1铁液冶金质量热分析设备的原理

利用热分析检测铁液冶金质量的方法，是利用冷却曲线记录铁液及其合金在凝固过程中相变效应的一种能量分析方法[1-3]。将熔融的金属液样品倒入放有测温热电偶的杯中，测其凝固过程中的温度变化，在相同的间隔时间绘制出对应的温度曲线，称之为冷却曲线。金属凝固结晶时会释放结晶潜热，因此，金属液会出现冷却速率降低的现象。由于凝固过程中相变的发生与热量紧密相关，因此，冷却曲线能够反映铸件或样品在凝固过程中的整个热过程，从而得到一些信息，这些信息可以帮助分析铁液的冶金质量。早先的铸造热分析法是根据金属和合金的冷却曲线定性地获得固相、液相、转变相信息的一种方法，称为TA法（ThermalAnalysis）。传统研究液态合金凝固动力学的热分析方法是基于牛顿冷却条件的，称为牛顿热分析法，其原理是假设在金属液没有相变的情况下冷却，散发至环境中的热损失率等于金属冷却速率，这种情况下得到的温度随时间变化的曲线被称为零曲线，实际情况是金属液凝固结晶释放出潜热，潜在的热量可根据实际温度随时间变化曲线与零曲线进行计算得出[4-5]。图5是牛顿法计算经验零曲线和结晶潜热，其中，红色线条区域表示由结晶释放潜热的热量，可以根据释放潜热的热量变化计算出石墨析出的量的变化情况[6-7]。

2热分析系统中各参数的意义

虽然上述热分析产品很多，每种热分析参数的名称也略有不同，但是它们从冷却曲线中获取特征温度的方式、特征温度点以及表述的意义大都相同，图6是球墨铸铁共晶转变过程中温度曲线对应的特征温度及关键参数。由图6可见，曲线中的特征温度点都对应着冷却速率曲线的峰值、谷值或者“0”值，特征温度后面液态金属凝固的过程就进入了一个新的阶段。图6中的冷却曲线对应的球墨铸铁铁液是亚共晶铁液，在TLiq和TES温度区间铁液中有初生奥氏体析出，此时还没有石墨析出。亚共晶铁液由于有奥氏体枝晶先析出枝晶长得比较大且有二次枝晶，铸件容易过早分隔出孤立液相区域，铸件缩孔缺陷出现的几率会增大。而共晶铁液奥氏体生长的情况，奥氏体将石墨球包住，向外同时长大也呈球形，出现缩孔的几率小。采用不同成分的球墨铸铁铁液浇注T形试块（如图7所示），通过X射线以及剖切试块的方法查看试块内部的缩孔、缩松缺陷，并将缩孔、缩松缺陷评级与热分析的参数对应进行相关性分析，可以得到反映铸件缩孔、缩松倾向的关键参数。采用上述方法可以制作三角试块，对不同铁液的白口倾向进行相关性分析，可以对T形试块内的球化率进行相关性分析，可以对不同牌号的产品进行此类分析，最终将相关性最大的影响因子做线性回归分析，得出热分析的特征温度和关键参数应该控制的合理范围。经过大量的分析得到如下结论：共晶低端温度与铸件白口的相关性很高，是考量铸件是否有白口缺陷的标准参数；二次石墨析出时间可以反映出球化率的情况；热导系数1和热导系数2则反映出铸件缩孔、缩松的几率。针对某款产品经过上述方法的相关性分析得出的各参数控制范围如表1所示，这种趋势是可以应用于各类铸件的，只是不同铸件控制的温度、时间、系数的具体数值不同。

3热分析设备在铸造企业的应用情况

目前，国内的铸造企业都可以正确的操作铁液热分析设备，但是大多数企业仅仅是由工人进行操作，如果出现铁液质量不稳定的情况，通过补C或SiC或者增加随流孕育的方式进行补救处理，而对于各种牌号的不同产品与热分析设备内数据库不匹配导致测出的数据与铸件实际问题不符的情况，则很少有工程师去修正热分析设备，其主要原因为：（1）企业购买的热分析设备仅有数量有限的数据库，无法修改热分析软件内的参数或者更新数据库需要再升级，这是热分析软件自身的原因；（2）工程师没有经验也没有得到好的培训，因此，不知道如何去修改热分析软件内的参数；（3）如果要使用的热分析系统数据库与实际生产的零件相匹配，需要进行如T形试块一样的分析，此时要切割的是实际生产的零件，这需要花费较多的时间和较大的经济成本，公司并不愿意为此付出。

4结论

（1）了解铁液冶金质量热分析的原理，有助于铸造工程师更清晰地认识特征温度和关键参数的意义；（2）针对铸件建立产品数据库，需要用到相关性分析和线性回归分析等统计方法；（3）选择可编辑数据库的热分析软件，并且投入成本去制作产品数据库，可以真正地将热分析软件用于指导产品的生产。

参考文献

[1]陈香，殷亚军，周建新，等.用热分析研究浇注温度对亚共晶灰铸铁的影响[J].现代铸铁，2017，（02）：40-45.

[2]钱立，王峰.感应电炉熔炼铸铁的几个热点问题[J].现代铸铁，2018，（02）：59-64.

[3]伍启华，王安家，乔进国，等.中频感应电炉熔炼高强度灰铸铁的控制要点[J].现代铸铁，2017，（06）：52-55.

[4]周婷嫣，周尚祥，华勤，等.铸造热分析的新发展[J].铸造技术，2003，24（06）：482-484.

[5]孙业赞，王荣，曹刚，等.国外热分析技术研究的新进展[J].铸造设备研究，1997，（03）：28-31.

[6]黄张洪，赵惠，吕利强，等.热分析技术及其应用[J].热加工工艺，2010，39，（07）：19-22.

[7]孙业赞，王荣，曹刚，等.国外热分析技术研究的新进展[J].中国铸造装备与技术，2000，（05）：16-20.

作者：马洪亮 单位：上海铸铭冶金材料有限公司