摘要 摘要：随着铸件生产质量的不断提高，热分析法作为一种快速、有效、简便、经济实用的冶金质量检验方法，广泛应用于铸造生产行业中，对企业生产节省成本和实现更多的经济效益具
摘要：随着铸件生产质量的不断提高，热分析法作为一种快速、有效、简便、经济实用的冶金质量检验方法，广泛应用于铸造生产行业中，对企业生产节省成本和实现更多的经济效益具有重要作用。本文主要介绍了热分析法在铁液化学成分检测、球化率和蠕化率的测定、球墨铸铁球化级别判定、铁铸力学性能预测等方面的应用。
关键词：铸铁,热分析,冷却曲线,应用
1前言
铸铁的含碳量高，脆性大，抗拉强度差，但铸造性能好，采用铸造的方法可加工出形状相对复杂的零件，是工业上应用最广的金属材料之一[1]。在实际生产中，高性能的铸铁在汽车行业中应用广泛，因此，快速有效的铸铁质量评估方法非常重要。目前，关于铸铁的质量检验方法有：快速金相法，三角形试样法，光谱分析法，成分分析法，热分析法等。
热分析法作为一种快速、有效、简便、准确和经济实用的方法，能对铁水质量进行检验和判断，进而评估铁水冶金质量，广泛应用于各铸造行业领域，尤其是发达国家先进铸造技术中不可缺少的控制手段之一[2-3]。热分析法可以实现铁液活性成分，球化孕育效果和凝固过程的检测和分析。本文将详细介绍热分析技术的原理及其在铸铁件质量控制中的应用。
2热分析法的发展
最早，1961年英国学者HumphreysJG.[4]提出了液相线温度与液相碳当量的关系式，这是第一次将热分析与成分分析联系起来的典例。到20世纪70年代，热分析法迅速发展，研究者们通过在不同的条件下的大量实验，利用数学统计和微分的方法，得到了关于碳硅含量和碳当量的关系式。
随后，ford公司研制了自动碳硅测量仪，并将其应用在实际生产之中。近年来，热分析法已经成为研究并控制黑色金属和有色金属凝固行为的重要手段[5]。经过70多年的发展，关于热分析测量仪器已经发展迅速，以德国贺利氏集团的HEN6X6系列的热分析仪为例，通过微处理器和工业平板电脑控制，对测定的冷却曲线进行分析，可以实现对白口和灰口铸铁的C%、Si%、CEL、SC、△T、△TM等测定和对非合金铸铁的RM、HB、K、Z/H、MEG等测定。评判铁液的化学成分、石墨形态和力学性能，主要是通过冷却曲线上表现凝固特性的特征参数变化，对于预测铸铁凝固效果有重要作用。
3热分析法的原理
铁液成分的热分析技术源于金属学中的相图理论，通过冷却曲线上的特征值变化来判别铁液的化学成分和物理特性[6]。其原理是：利用热分析仪记录铁液在特定样杯中的冷却曲线，并结合数学处理方法和金属凝固相变原理，对凝固温度曲线的特征温度分析，建立铁液凝固过程的各种相变特征参数与凝固组织相对应的数学模型，这样就可以利用特征参数反推相变过程[7]，进而推算出碳硅含量和碳当量，可以测定碳硅量、碳当量、球化率，预测铸铁的机械性能等。
4热分析在铸铁中的应用
目前，关于铸铁的研究主要围绕石墨的数量、大小、形态和分布控制和预测。根据铁液冷却曲线上的特征参数的变化来实现铁液的化学成分、石墨形态和力学性能快速评判，也可以将铸件的凝固组织和石墨形态提前加以控制和预防铸件白口、缩松、反白口等，是稳定生产高质量铸件的必要工具之一。
4.1炉前成分检测
在铁液在冷却凝固过程中，基于Fe-C-Si三元素平衡相图成分当量理论，通过建立铁液初晶温度和共晶温度模型关系，主要推算出碳硅含量和碳当量[8]。铁液的碳硅含量主要表现冷却曲线上的TL和TE的变化，通常也主要是将碳硅含量调整到满足组织形成的成分要求。热分析法可以通过初晶温度，共晶温度预测铁水的碳当量和碳硅含量，获得预期成分和组织的铸铁。李福山等[9]提出了一种新热分析技术，可以实现灰铸铁和球铁的主要成分控制和性能预测。
4.2石墨形态预测
众所周知，铸铁共晶再辉温度和冷却曲线尾部曲率与石墨类型有较大的关系，一般情况下，再辉温度越小表现为球铁转变倾向，再辉温度大则表现为蠕铁转变倾向。在共晶转变过程中，石墨生长方式能够影响石墨的形态，因而热分析曲线形状也明显不同[10]，所以可以通过考虑冷却曲线上的特征值变化对石墨形态的影响，预测铸铁中不同的石墨形态。陈香等[11]研究了浇注温度对铸造亚共晶灰铸铁件凝固过程的影响。
结果表明：初生奥氏体析出温度和共晶凝固结束温度浇注温度的变化比较敏感，随着浇注温度的升高而增加明显;再辉温度与△T也随着浇注温度的升高出现明显的变化，浇注温度的增加使得试件内的共晶团尺寸增加。李超等[12]通过在铸铁中加入不同含量的孕育剂研究了热分析曲线特征值及显微组织单位面积石墨数量的影响，发现随着孕育剂加入量的增加，温度特征值TER与△TE无明显变化趋势，TEU与单位面积石墨数量皆呈上升趋势。
4.3球化率和蠕化率的测定
利用共晶过冷温度、共晶再辉温度与球化率及石墨球的数量关系，根据铁水凝固过程中的冷却曲线，测得共晶过冷温度、共晶回升温度和共晶最高温度等温度特征值预测球化率，共晶再辉温度越小，石墨球化率越高。尾端曲线曲率也可以用来判断球墨铸铁的球化级别，一般说来，尾端曲线曲率越大，球化级别较差[13]。
赵玉厚等[14]利用数据采集仪研究了热分析特征参数对蠕墨铸铁蠕化率的影响。结果表明：当碳当量和硅碳比相同时，铸铁类型与初晶温度、共晶最低温度和再辉温度密切相关。范金辉等[15]发现热分析冷却曲线特征值与球墨铸铁球化级别存在良好的对应关系，共晶过冷温度、共晶最高温度、以及共晶回升温度△T与球化级别之间有密切关系，即TEU的降低预示着球墨铸铁球化率和球状石墨数量的提高，球墨铸铁球化率随△T的降低而提高。
4.4铸铁球化衰退的预测
球化剂中起球化作用的是有效镁，可以促使铁液中石墨向球状转变，而球化剂中氧化镁是有害的，量越高其球化能力越低[16]。易力涛等[17]发现蠕墨铸铁在保温过程中，随着时间的延长，蠕化率呈上升趋势，蠕墨铸铁共晶最低温度和共晶再辉温度变化较大。球化和孕育处理后的铁液，随着停留时间的延长，残余的镁和稀土等元素不断减少，使石墨不能呈球状生长，得到的共晶过冷度△TE值较大。因而石墨呈片状生长，容易发生衰退现象，而使凝固组织变化，具体表现在单位面积石墨球数减少、石墨尺寸变大、球化程度变差等现象从而影响铸件机械性能。因此，如果能提前预测处理后铁液的溶体状态就可以判断铁液的衰退情况，这将会大大减小铸件的废品率。
4.5铁液氧含量的预测
铁水的氧活度不同会对铸件凝固组织产生很大影响，氧活度主要影响残余镁的含量，氧活度低残余镁含量高，会引起强烈的过冷倾向，产生大量白口组织，影响石墨形态，同时气孔、缩孔等缺陷。而氧活度高残余镁含量低，会导致球化不足。球墨铸铁对氧活度变化尤其敏感，对初晶温度的影响较大。王言峰等[18]研究了铁水氧化程度对其冷却曲线形态的影响，发现增加氧化程度会使铸铁的初晶温度提高。目前，关于热分析法分析铁水中氧含量的研究还处于初级阶段，利用热分析替代定氧分析可以节约大量成本，可以实现较大的经济效益。
4.6铸铁机械性能预测
热分析法预测铸铁的机械性能，主要由石墨和机体组织所决定，在铸造条件相同的情况下，其抗拉强度、硬度等指标，主要受碳、硅、锰含量，共晶度和共晶团数的影响。CEL与TL有较好的线性关系，一般来说，铸铁牌号越高，其CEL值应该越低。过冷度△T值的大小也可以反应晶粒大小和数量，越大晶粒数目越少，晶粒越粗大，其性能越差;反之，晶核数越多，晶粒越细小，性能亦越好[19]。所以，从冷却曲线上一定程度下也可以预测机械性能。
5总结
随着铸件生产质量的稳步提高，热分析技术正被各铸造厂企业应用于实际生产中。不仅可以测定碳硅量、碳当量，预测铸铁的机械性能，还可以对凝固组织、石墨形态、白口倾向、缩松缩孔倾向、反白口倾向等提前加以控制。通过对铸铁的蠕化率和球化率的测定，可以快速对铁水冶金质量进行分析和判断，这对生产成本的逐步降低和实现更多的经济效益具有重要意义。
参考文献
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