鐵液冶金質量熱分析設備的使用分析范文

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摘要：介紹了國內外市場上鐵液冶金質量的熱分析設備，并進行了對比。詳細闡述了鐵液冶金質量熱分析設備的原理、熱分析系統(tǒng)中各參數的意義以及熱分析設備在鑄造企業(yè)的應用情況，提出了以下幾點內容：（1）了解鐵液冶金質量熱分析的原理，有助于鑄造工程師更清晰地認識特征溫度和關鍵參數的意義；（2）針對鑄件建立產品數據庫，需要用到相關性分析和線性回歸分析等統(tǒng)計方法；（3）選擇可編輯數據庫的熱分析軟件，并且投入成本去制作產品數據庫，可以真正地將熱分析軟件用于指導產品的生產。

關鍵詞：鐵液；冶金質量；熱分析

目前，國內市場上的鐵液冶金質量的熱分析設備非常多，比如NovaCast公司的ATAS、賀利氏公司的PhraseLab、?？瞎镜腅PIC、福士科公司的ITACA、西班牙AZTERLAN鑄造技術研發(fā)中心的Thermolan、意大利TEKOM公司的TAG、天津撒布浪斯、天津匯豐和合肥雙發(fā)等，如圖1~圖4所示。從這些設備的系統(tǒng)界面上來看，有很多相似之處，都顯示著鐵液溫度隨時間變化的冷卻曲線，根據溫度變化曲線采集到的一些特征溫度值，以及通過計算得出的關鍵參數，國內的幾款產品參數則相對少些。

1鐵液冶金質量熱分析設備的原理

利用熱分析檢測鐵液冶金質量的方法，是利用冷卻曲線記錄鐵液及其合金在凝固過程中相變效應的一種能量分析方法[1-3]。將熔融的金屬液樣品倒入放有測溫熱電偶的杯中，測其凝固過程中的溫度變化，在相同的間隔時間繪制出對應的溫度曲線，稱之為冷卻曲線。金屬凝固結晶時會釋放結晶潛熱，因此，金屬液會出現冷卻速率降低的現象。由于凝固過程中相變的發(fā)生與熱量緊密相關，因此，冷卻曲線能夠反映鑄件或樣品在凝固過程中的整個熱過程，從而得到一些信息，這些信息可以幫助分析鐵液的冶金質量。早先的鑄造熱分析法是根據金屬和合金的冷卻曲線定性地獲得固相、液相、轉變相信息的一種方法，稱為TA法（ThermalAnalysis）。傳統(tǒng)研究液態(tài)合金凝固動力學的熱分析方法是基于牛頓冷卻條件的，稱為牛頓熱分析法，其原理是假設在金屬液沒有相變的情況下冷卻，散發(fā)至環(huán)境中的熱損失率等于金屬冷卻速率，這種情況下得到的溫度隨時間變化的曲線被稱為零曲線，實際情況是金屬液凝固結晶釋放出潛熱，潛在的熱量可根據實際溫度隨時間變化曲線與零曲線進行計算得出[4-5]。圖5是牛頓法計算經驗零曲線和結晶潛熱，其中，紅色線條區(qū)域表示由結晶釋放潛熱的熱量，可以根據釋放潛熱的熱量變化計算出石墨析出的量的變化情況[6-7]。

2熱分析系統(tǒng)中各參數的意義

雖然上述熱分析產品很多，每種熱分析參數的名稱也略有不同，但是它們從冷卻曲線中獲取特征溫度的方式、特征溫度點以及表述的意義大都相同，圖6是球墨鑄鐵共晶轉變過程中溫度曲線對應的特征溫度及關鍵參數。由圖6可見，曲線中的特征溫度點都對應著冷卻速率曲線的峰值、谷值或者“0”值，特征溫度后面液態(tài)金屬凝固的過程就進入了一個新的階段。圖6中的冷卻曲線對應的球墨鑄鐵鐵液是亞共晶鐵液，在TLiq和TES溫度區(qū)間鐵液中有初生奧氏體析出，此時還沒有石墨析出。亞共晶鐵液由于有奧氏體枝晶先析出枝晶長得比較大且有二次枝晶，鑄件容易過早分隔出孤立液相區(qū)域，鑄件縮孔缺陷出現的幾率會增大。而共晶鐵液奧氏體生長的情況，奧氏體將石墨球包住，向外同時長大也呈球形，出現縮孔的幾率小。采用不同成分的球墨鑄鐵鐵液澆注T形試塊（如圖7所示），通過X射線以及剖切試塊的方法查看試塊內部的縮孔、縮松缺陷，并將縮孔、縮松缺陷評級與熱分析的參數對應進行相關性分析，可以得到反映鑄件縮孔、縮松傾向的關鍵參數。采用上述方法可以制作三角試塊，對不同鐵液的白口傾向進行相關性分析，可以對T形試塊內的球化率進行相關性分析，可以對不同牌號的產品進行此類分析，最終將相關性最大的影響因子做線性回歸分析，得出熱分析的特征溫度和關鍵參數應該控制的合理范圍。經過大量的分析得到如下結論：共晶低端溫度與鑄件白口的相關性很高，是考量鑄件是否有白口缺陷的標準參數；二次石墨析出時間可以反映出球化率的情況；熱導系數1和熱導系數2則反映出鑄件縮孔、縮松的幾率。針對某款產品經過上述方法的相關性分析得出的各參數控制范圍如表1所示，這種趨勢是可以應用于各類鑄件的，只是不同鑄件控制的溫度、時間、系數的具體數值不同。

3熱分析設備在鑄造企業(yè)的應用情況

目前，國內的鑄造企業(yè)都可以正確的操作鐵液熱分析設備，但是大多數企業(yè)僅僅是由工人進行操作，如果出現鐵液質量不穩(wěn)定的情況，通過補C或SiC或者增加隨流孕育的方式進行補救處理，而對于各種牌號的不同產品與熱分析設備內數據庫不匹配導致測出的數據與鑄件實際問題不符的情況，則很少有工程師去修正熱分析設備，其主要原因為：（1）企業(yè)購買的熱分析設備僅有數量有限的數據庫，無法修改熱分析軟件內的參數或者更新數據庫需要再升級，這是熱分析軟件自身的原因；（2）工程師沒有經驗也沒有得到好的培訓，因此，不知道如何去修改熱分析軟件內的參數；（3）如果要使用的熱分析系統(tǒng)數據庫與實際生產的零件相匹配，需要進行如T形試塊一樣的分析，此時要切割的是實際生產的零件，這需要花費較多的時間和較大的經濟成本，公司并不愿意為此付出。

4結論

（1）了解鐵液冶金質量熱分析的原理，有助于鑄造工程師更清晰地認識特征溫度和關鍵參數的意義；（2）針對鑄件建立產品數據庫，需要用到相關性分析和線性回歸分析等統(tǒng)計方法；（3）選擇可編輯數據庫的熱分析軟件，并且投入成本去制作產品數據庫，可以真正地將熱分析軟件用于指導產品的生產。

參考文獻

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[3]伍啟華，王安家，喬進國，等.中頻感應電爐熔煉高強度灰鑄鐵的控制要點[J].現代鑄鐵，2017，（06）：52-55.

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[7]孫業(yè)贊，王榮，曹剛，等.國外熱分析技術研究的新進展[J].中國鑄造裝備與技術，2000，（05）：16-20.

作者：馬洪亮 單位：上海鑄銘冶金材料有限公司