鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用

伏克松

（福士科鑄造材料（中國(guó)）有限公司，江蘇蘇州215000）

鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用

伏克松

（福士科鑄造材料（中國(guó)）有限公司，江蘇蘇州215000）

隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鑄件的要求已經(jīng)從簡(jiǎn)單的機(jī)械性能向內(nèi)在材質(zhì)品質(zhì)方面轉(zhuǎn)移，而代表著材質(zhì)品質(zhì)的冶金質(zhì)量目前卻沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和控制依據(jù)。熱分析技術(shù)是目前唯一能在線檢測(cè)和判斷冶金質(zhì)量好壞的手段。本文通過(guò)回顧鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，深入闡述了通過(guò)熱分析技術(shù)對(duì)鐵水冶金質(zhì)量的控制，熱分析技術(shù)是生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的技術(shù)保證之一。

熱分析；鐵水凝固；冶金質(zhì)量；熱分析儀

1　鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)簡(jiǎn)介及其功能

1.1熱分析技術(shù)簡(jiǎn)介

熱分析技術(shù)是在溫度程序控制下研究材料的各種轉(zhuǎn)變和反應(yīng)，如脫水，結(jié)晶，熔融，蒸發(fā)，相變等以及各種無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的熱分解過(guò)程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等，是一種十分重要的分析測(cè)試方法。鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)主要是基于差熱分析描述在特定條件下鐵水凝固過(guò)程中的溫度與時(shí)間關(guān)系，這種曲線叫做凝固溫度曲線。

二十世紀(jì)七十到九十年代，鑄造過(guò)程中的熱分析技術(shù)得到了快速發(fā)展，基于熱電偶技術(shù)的熱分析儀產(chǎn)品開(kāi)始在鑄造廠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1.2熱分析儀功能簡(jiǎn)介

熱分析儀產(chǎn)品的主要技術(shù)來(lái)源是日本和歐洲，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱分析儀主要是基于日系技術(shù)。主要是通過(guò)檢測(cè)樣杯中的鐵水溫度，熱電偶把溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)電流信號(hào)按照不同的輸出要求進(jìn)行處理并輸出。主要輸出功能有鐵水成分爐前快速分析和鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)兩大塊。

1）鐵水成分爐前快速分析技術(shù)是以鑄鐵組織形成過(guò)程中的白口凝固溫度曲線為被測(cè)對(duì)象，計(jì)算機(jī)對(duì)白口凝固溫度曲線進(jìn)行解析，從而由液相線溫度TL和共晶溫度TE計(jì)算出鐵水的碳當(dāng)量，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)，是一種快速而較為精確的測(cè)量方法。由于此種檢測(cè)需要的是白口凝固溫度曲線，所以樣杯內(nèi)必須有白色含銻的激冷涂層。

2）鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)是通過(guò)測(cè)定鐵水的凝固溫度曲線和凝固過(guò)程中的一些物理參數(shù)如液相線溫度TL，共晶溫度TE，最小共晶溫度Tmin，最大共晶溫度Tmax等熱物理參數(shù)，然后通過(guò)對(duì)各種熱物理參數(shù)的分析來(lái)評(píng)估鐵水的冶金質(zhì)量的好壞。由于此種檢測(cè)需要的是非白口凝固溫度曲線，所以樣杯內(nèi)沒(méi)有白色含銻的涂層。

2　熱分析技術(shù)的應(yīng)用

目前鐵水成分爐前快速檢測(cè)功能已經(jīng)日趨完善，也得到了很多鑄造企業(yè)的廣泛應(yīng)用。但鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)及其深入應(yīng)用才剛剛開(kāi)始，它不僅僅是熱分析技術(shù)在鑄造過(guò)程中的深入應(yīng)用，也是未來(lái)鐵水冶金質(zhì)量判斷和控制的主要的手段之一。

2.1鐵水成分爐前快速檢測(cè)

第一代鐵水成分爐前快速檢測(cè)（如圖1）主要是通過(guò)液相線溫度TL和共晶溫度Tas計(jì)算出碳當(dāng)量，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其中實(shí)際碳當(dāng)量的精度很高（可以精確到0.01），而碳和硅的精確度則大大降低（可分別精確到0.5和0.2）；碳當(dāng)量CE2只是C+Si/3的計(jì)算值，所以其精度也比較低。

第二代鐵水成分爐前快速檢測(cè)如圖2所示，是在第一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的功能細(xì)化即對(duì)不同的牌號(hào)設(shè)置了不同的內(nèi)置參數(shù)（如成分控制范圍）和輸出。并且增加了專(zhuān)家系統(tǒng)即調(diào)整建議。在使用上更人性化，簡(jiǎn)單化。

圖1　第一代鐵水成分快速檢測(cè)界面

圖2　第二代鐵水成分快速檢測(cè)界面

2.2鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)

同樣第一代鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)（圖3）除了鐵水的凝固曲線外還有液相線溫度TL，共晶溫度TE，最小共晶溫度Tmin和最大共晶溫度Tmax.由此可以計(jì)算出鐵水的過(guò)冷度△T（△T=Tmax-Tmin）

第二代鐵水凝固溫度曲線在線檢測(cè)不僅在第一代的基礎(chǔ)上對(duì)凝固溫度曲線進(jìn)行了處理，使曲線的拐點(diǎn)變化更加明了，而且解析出了更多隱藏在凝固溫度曲線中的表征鐵水冶金質(zhì)量的參數(shù)，如圖4所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)各參數(shù)的綜合計(jì)算把鐵水冶金質(zhì)量轉(zhuǎn)化為具體的缺陷指標(biāo)并顯示出來(lái)。圖4下方各表盤(pán)所表示的各種指標(biāo)（球化率，石墨膨脹，石墨漂浮，縮松，縮孔，白口，反白口和共晶度），紅色區(qū)域表示危險(xiǎn)，黃色區(qū)域表示預(yù)警，綠色區(qū)域表示安全。而圖4中部的QI則是表征鐵水冶金質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo)。

圖3第一代鐵水凝固溫度曲線檢測(cè)界面

圖4左側(cè)則是通過(guò)對(duì)凝固溫度曲線的解析而得出的各種原始參數(shù)值和缺陷值。其中的一些關(guān)鍵參數(shù)（如PAE：共晶奧氏體析出時(shí)間；Rec：TEmax-TEmin過(guò)冷度；VPS：凝固傳輸速度等）是衡量鐵水冶金質(zhì)量好壞和冶金缺陷的主要指標(biāo)。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)判斷鐵水的冶金質(zhì)量和各缺陷形成的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)地進(jìn)行后續(xù)調(diào)整，以獲得良好的鑄件。同時(shí)友好的界面和對(duì)冶金質(zhì)量的量化評(píng)判為鐵水冶金質(zhì)量的在線快速檢測(cè)和控制提供了理想的工具與方法。

圖4　第二代鐵水凝固溫度曲線檢測(cè)界面

3　結(jié)論

鐵水處理和凝固都是在高溫下（1 000℃以上）進(jìn)行的微觀結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中既摸不著又看不到，只能通過(guò)宏觀的分析然后反推其結(jié)構(gòu)的變化。因此，要實(shí)現(xiàn)鐵水處理和凝固的在線檢測(cè)和控制非常困難，熱分析技術(shù)打開(kāi)了鐵水冶金質(zhì)量在線快速檢測(cè)和控制的一扇方便之門(mén)，是未來(lái)鐵水冶金質(zhì)量在線檢測(cè)和控制的重要方法和工具之一。

［1］李余增.熱分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1987.

TG235

A

1674-6694（2016）04-0034-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.012

2016-04-04

伏克松（1975-），男，工程師，主要從事鐵水處理以及材料應(yīng)用方面的工作。