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摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上鐵液冶金質(zhì)量的熱分析設(shè)備，并進(jìn)行了對(duì)比。詳細(xì)闡述了鐵液冶金質(zhì)量熱分析設(shè)備的原理、熱分析系統(tǒng)中各參數(shù)的意義以及熱分析設(shè)備在鑄造企業(yè)的應(yīng)用情況，提出了以下幾點(diǎn)內(nèi)容：（1）了解鐵液冶金質(zhì)量熱分析的原理，有助于鑄造工程師更清晰地認(rèn)識(shí)特征溫度和關(guān)鍵參數(shù)的意義；（2）針對(duì)鑄件建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，需要用到相關(guān)性分析和線性回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法；（3）選擇可編輯數(shù)據(jù)庫(kù)的熱分析軟件，并且投入成本去制作產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，可以真正地將熱分析軟件用于指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵液；冶金質(zhì)量；熱分析

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的鐵液冶金質(zhì)量的熱分析設(shè)備非常多，比如NovaCast公司的ATAS、賀利氏公司的PhraseLab、埃肯公司的EPIC、福士科公司的ITACA、西班牙AZTERLAN鑄造技術(shù)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(shè)備的系統(tǒng)界面上來(lái)看，有很多相似之處，都顯示著鐵液溫度隨時(shí)間變化的冷卻曲線，根據(jù)溫度變化曲線采集到的一些特征溫度值，以及通過(guò)計(jì)算得出的關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)的幾款產(chǎn)品參數(shù)則相對(duì)少些。

1鐵液冶金質(zhì)量熱分析設(shè)備的原理

利用熱分析檢測(cè)鐵液冶金質(zhì)量的方法，是利用冷卻曲線記錄鐵液及其合金在凝固過(guò)程中相變效應(yīng)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(cè)溫?zé)犭娕嫉谋校瑴y(cè)其凝固過(guò)程中的溫度變化，在相同的間隔時(shí)間繪制出對(duì)應(yīng)的溫度曲線，稱之為冷卻曲線。金屬凝固結(jié)晶時(shí)會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，因此，金屬液會(huì)出現(xiàn)冷卻速率降低的現(xiàn)象。由于凝固過(guò)程中相變的發(fā)生與熱量緊密相關(guān)，因此，冷卻曲線能夠反映鑄件或樣品在凝固過(guò)程中的整個(gè)熱過(guò)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(zhì)量。早先的鑄造熱分析法是根據(jù)金屬和合金的冷卻曲線定性地獲得固相、液相、轉(zhuǎn)變相信息的一種方法，稱為T(mén)A法（ThermalAnalysis）。傳統(tǒng)研究液態(tài)合金凝固動(dòng)力學(xué)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(shè)在金屬液沒(méi)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(shí)間變化的曲線被稱為零曲線，實(shí)際情況是金屬液凝固結(jié)晶釋放出潛熱，潛在的熱量可根據(jù)實(shí)際溫度隨時(shí)間變化曲線與零曲線進(jìn)行計(jì)算得出[4-5]。圖5是牛頓法計(jì)算經(jīng)驗(yàn)零曲線和結(jié)晶潛熱，其中，紅色線條區(qū)域表示由結(jié)晶釋放潛熱的熱量，可以根據(jù)釋放潛熱的熱量變化計(jì)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(shù)的意義

雖然上述熱分析產(chǎn)品很多，每種熱分析參數(shù)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(diǎn)以及表述的意義大都相同，圖6是球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中溫度曲線對(duì)應(yīng)的特征溫度及關(guān)鍵參數(shù)。由圖6可見(jiàn)，曲線中的特征溫度點(diǎn)都對(duì)應(yīng)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(guò)程就進(jìn)入了一個(gè)新的階段。圖6中的冷卻曲線對(duì)應(yīng)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(shí)還沒(méi)有石墨析出。亞共晶鐵液由于有奧氏體枝晶先析出枝晶長(zhǎng)得比較大且有二次枝晶，鑄件容易過(guò)早分隔出孤立液相區(qū)域，鑄件縮孔缺陷出現(xiàn)的幾率會(huì)增大。而共晶鐵液奧氏體生長(zhǎng)的情況，奧氏體將石墨球包住，向外同時(shí)長(zhǎng)大也呈球形，出現(xiàn)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(guò)X射線以及剖切試塊的方法查看試塊內(nèi)部的縮孔、縮松缺陷，并將縮孔、縮松缺陷評(píng)級(jí)與熱分析的參數(shù)對(duì)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以得到反映鑄件縮孔、縮松傾向的關(guān)鍵參數(shù)。采用上述方法可以制作三角試塊，對(duì)不同鐵液的白口傾向進(jìn)行相關(guān)性分析，可以對(duì)T形試塊內(nèi)的球化率進(jìn)行相關(guān)性分析，可以對(duì)不同牌號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行此類分析，最終將相關(guān)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(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該控制的合理范圍。經(jīng)過(guò)大量的分析得到如下結(jié)論：共晶低端溫度與鑄件白口的相關(guān)性很高，是考量鑄件是否有白口缺陷的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；二次石墨析出時(shí)間可以反映出球化率的情況；熱導(dǎo)系數(shù)1和熱導(dǎo)系數(shù)2則反映出鑄件縮孔、縮松的幾率。針對(duì)某款產(chǎn)品經(jīng)過(guò)上述方法的相關(guān)性分析得出的各參數(shù)控制范圍如表1所示，這種趨勢(shì)是可以應(yīng)用于各類鑄件的，只是不同鑄件控制的溫度、時(shí)間、系數(shù)的具體數(shù)值不同。

3熱分析設(shè)備在鑄造企業(yè)的應(yīng)用情況

目前，國(guó)內(nèi)的鑄造企業(yè)都可以正確的操作鐵液熱分析設(shè)備，但是大多數(shù)企業(yè)僅僅是由工人進(jìn)行操作，如果出現(xiàn)鐵液質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，通過(guò)補(bǔ)C或SiC或者增加隨流孕育的方式進(jìn)行補(bǔ)救處理，而對(duì)于各種牌號(hào)的不同產(chǎn)品與熱分析設(shè)備內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)不匹配導(dǎo)致測(cè)出的數(shù)據(jù)與鑄件實(shí)際問(wèn)題不符的情況，則很少有工程師去修正熱分析設(shè)備，其主要原因?yàn)椋海?）企業(yè)購(gòu)買(mǎi)的熱分析設(shè)備僅有數(shù)量有限的數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法修改熱分析軟件內(nèi)的參數(shù)或者更新數(shù)據(jù)庫(kù)需要再升級(jí)，這是熱分析軟件自身的原因；（2）工程師沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)也沒(méi)有得到好的培訓(xùn)，因此，不知道如何去修改熱分析軟件內(nèi)的參數(shù)；（3）如果要使用的熱分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)際生產(chǎn)的零件相匹配，需要進(jìn)行如T形試塊一樣的分析，此時(shí)要切割的是實(shí)際生產(chǎn)的零件，這需要花費(fèi)較多的時(shí)間和較大的經(jīng)濟(jì)成本，公司并不愿意為此付出。

4結(jié)論

（1）了解鐵液冶金質(zhì)量熱分析的原理，有助于鑄造工程師更清晰地認(rèn)識(shí)特征溫度和關(guān)鍵參數(shù)的意義；（2）針對(duì)鑄件建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，需要用到相關(guān)性分析和線性回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法；（3）選擇可編輯數(shù)據(jù)庫(kù)的熱分析軟件，并且投入成本去制作產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，可以真正地將熱分析軟件用于指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

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作者：馬洪亮 單位：上海鑄銘冶金材料有限公司