熱分析儀TA在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

1 熱分析的基本原理

熱分析法是通過測定物質(zhì)溫度的變化所引起的物性變化來確定物質(zhì)狀態(tài)變化的一種測試分析方法，即通過測定伴隨物質(zhì)的溫度變化和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生的熱力學(xué)性質(zhì) 、物理性質(zhì)的變化 ，進(jìn)而確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱變化及化學(xué)反應(yīng)常數(shù)的一種方法。在合金中無論發(fā)生哪一種變化 (如加熱時的熔化、冷卻時的結(jié)晶、 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、 固態(tài)中過剩相熔解或析出等)，都伴隨有熱量的釋放或吸收，從而使得因加熱而溫度上升或因冷卻而溫度下降時，溫度變化的連續(xù)性受到破壞并顯示出溫度特征值，在加熱或冷卻曲線上形成“拐點"或“平臺"。因此，構(gòu)成鑄件鑄態(tài)組織中的各個相，都會在冷卻曲線上留下相應(yīng)的痕跡 。與化學(xué)成分密切相關(guān)的鑄態(tài)組織中的各個相存在的比例系數(shù)，取決于冷卻曲線上相應(yīng)特征值的位置和長度，它決定著鑄件的質(zhì)量狀況。所以有人把冷卻曲線稱之為“冶金質(zhì)量的指紋"。

如何從簡單的冷卻曲線提取更多的質(zhì)量信息，以及應(yīng)該用哪些信息來評價合金的某一具體的質(zhì)量指標(biāo)，這需要對鑄鐵的凝固機(jī)制作較為深入的研究，也是人們選擇熱分析方法的前提。十幾年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，通過對冷卻曲線的微分處理，可以得到更多的評估液態(tài)金屬質(zhì)量狀況的信息。因此，簡單熱分析法和微分熱分析法結(jié)合，是當(dāng)前鑄造熱分析技術(shù)普遍采用的方法。這些方法在定性熱分析技術(shù)上的應(yīng)用，開拓了定性熱分析技術(shù)研究的新領(lǐng)域 。

2 熱分析技術(shù)在鑄鐵件生產(chǎn)上 的應(yīng)用

熱分析法在鑄造生產(chǎn)中最初是用來測定鑄鐵碳當(dāng)量。鑄鐵是具有共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金，其共晶反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程。若按Fe-G (石墨)穩(wěn)定系凝固則生成奧氏體+石墨的共晶體；按Fe-Fe3C介穩(wěn)定系凝固則生成奧氏體+滲碳體的共晶體。但由于曲線上初生奧氏體析出溫度主要取決于化學(xué)成分，而與凝固模式無關(guān)，因此通過液相線溫度來表征碳當(dāng)量的值，即CE％=f（TL）。但由于硅和磷對TL的影響并不能由常用的Fe-C相圖來確定，因此人們通過大量試驗和統(tǒng)計分析，并引入液相線碳當(dāng)量(CEL=C+Si／4+P／2)的概念,得出適用于不同生產(chǎn)條件下測定液相線碳當(dāng)量(CEL)的數(shù)學(xué)模型。

碳量和硅量的測定

灰鑄鐵在凝固過程中，受鐵液孕育狀況及結(jié)晶條件的影響，難以找到準(zhǔn)確的共晶溫度。此外，共晶反應(yīng)時，由于鐵液放出結(jié)晶潛熱，導(dǎo)致共晶反應(yīng)在某一溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。為了解決這一問題，在用熱分析法測試時，采用強(qiáng)制白口共晶凝固的方法，在樣杯內(nèi)涂以反石墨化涂料 (一般含碲、鉍等元素)，促使鐵液無論是亞共晶還是過共晶，無論是否經(jīng)過孕育處理，都能按白口凝固，在冷卻曲線上顯示出較長的共晶停歇平臺，從而獲得準(zhǔn)確值。從1973年開始，人們通過大量的測試試驗并利用數(shù)理統(tǒng)計方法，得到適用于不同生產(chǎn)條件的測定碳含量和硅含量的數(shù)學(xué)模型。

熱分析法快速測定的鐵液化學(xué)成分與化學(xué)分析結(jié)果相比，其誤差為：

    CEL0.05％、(C)±0.05％、(Si)+0.1％

上述傳統(tǒng)的碳、硅含量的單獨測定方法只有在白口凝固條件下才能實現(xiàn)。這會使得鑄鐵在冷卻過程中熱分析曲線上的一些重要信息被改變，那么利用熱分析在測定成分的同時就很難評估鐵液質(zhì)量。同時對于經(jīng)鎂處理后球墨鑄鐵則不適用（由于碲會與鎂形成碲化鎂，失去了強(qiáng)制鐵液按白口凝固的作用）。有文獻(xiàn)報道采用雙杯（無碲灰口杯和加碲白口杯）或三杯（加碲白口杯、灰口不育杯、灰口孕育杯）同時測定的方法，更深入地揭示鐵液的凝固特性，獲得了特征值與白口深度、化學(xué)成分之間的關(guān)系。但是樣杯增多，設(shè)備復(fù)雜，不利于爐前的快速檢驗。

鐵液含氧量的測定

目前，國內(nèi)鑄造生產(chǎn)企業(yè)采用電爐熔煉鑄鐵，一般地說，電爐熔煉出的鐵液質(zhì)量優(yōu)于沖天爐。但由于電爐熔煉鐵液時，鐵液始終處于氧化性氣氛下，再加上鐵液劇烈翻滾，使得電爐熔煉鐵液的含氧量高于沖天爐。鐵液中過飽和的氧除了對石墨形核特性有重要影響外，對鐵液的成分也有一定的影響，因此有必要對鐵液中的含氧量進(jìn)行測定。通過研究含氧量對冷卻 曲線初晶角變化的影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明，隨著鐵液中含氧量的增加，冷卻曲線的初晶角度增大，若在樣杯中添加適量的鋁，可以提高測試精度，這種方法有望在鑄造生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

非接觸式熱擴(kuò)散率測量可以評估
從有機(jī)薄膜到金剛石的各種材料

特征

• 使用激光非接觸式測量

• 操作簡單，只需放置樣品即可

• 樣品形狀自由度高，允許您指測量位置

• 測量范圍廣泛，從有機(jī)薄膜到鉆石

• 可輕松設(shè)定條件的絕對值測量方法

• 可進(jìn)行水平和垂直方向的測量 → 檢查樣品的各向異性

• 可以將熱擴(kuò)散率轉(zhuǎn)換為熱導(dǎo)率和熱射流率

• 可進(jìn)行分布測量 → 評估樣品缺陷和不均勻性

熱物性測量范圍

可以測量從有機(jī)薄膜到鉆石的各種材料。此外，現(xiàn)在可以測量難以測量的高導(dǎo)熱性樹脂。我們還可以測量雙層樣品并處理難以加工的材料。

實測示例

樣本	熱擴(kuò)散率[m 2 s -1 ]
	測量值	參考值
穩(wěn)定氧化鋯	1.1× 10-6	1.2× 10-6
氧化鋁	12× 10-6	12× 10-6
鍺	37× 10-6	35× 10-6
硅	89× 10-6	88× 10-6
銅	110× 10-6	120× 10-6
銀	170× 10-6	170× 10-6
聚晶金剛石	720× 10-6	400～880× 10-6
其他成就 藍(lán)寶石   鉭   鉬   鋁   鈦酸鍶   不銹鋼 (SRM1461)   通用樹脂   各向同性石墨   氮化鋁（AlN）   氮化硅（SiC）等

材料各向異性

你了解樣品的各向異性嗎？
填料（AlN、SiO2、SiC、CNT等）和樹脂的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率根據(jù)混合比例的不同而變化很大，因此測量熱擴(kuò)散率非常重要。還可以測量樹脂基材料。

目的

電子部件散熱材料的評價、半導(dǎo)體激光電極的評價、熱電發(fā)電材料的評價、硬質(zhì)合金工具涂層的評價等。

樣本	測量方向	熱擴(kuò)散率[m 2 s -1 ]
		測量值	參考值*
聚酰亞胺t=25μm	垂直的	0.14× 10-6	0.13× 10-6
	水平的	0.8× 10-6	0.73× 10-6
硅橡膠散熱片	垂直的	1.1× 10-6	不適用
	水平的	1.3× 10-6	不適用
含有碳納米管（CNT）的橡膠	垂直的	0.24× 10-6	不適用
	水平的	6.0× 10-6	不適用
石墨片	垂直的	1.9× 10-6	1.8～2.8× 10-6
	水平的	100× 10-6	90～100× 10-6
高導(dǎo)熱樹脂A 20Wm -1 K -1級 （尤尼吉可制造）	垂直的	1.6× 10-6	2.4× 10-6
	水平的	16× 10-6	12× 10-6
高導(dǎo)熱樹脂B 5Wm -1 K -1級 （尤尼吉可制造）	垂直的	0.74× 10-6	1.2× 10-6
	水平的	3.9× 10-6	3.1× 10-6

• 參考值是指文獻(xiàn)值、目錄值以及其他測量方法的測量結(jié)果。

分布測量

即使使用相同的樹脂，熱導(dǎo)率也會根據(jù)成型條件和模具形狀而變化。

即使使用相同的樹脂，熱導(dǎo)率也會根據(jù)成型條件和模具形狀而變化。