热分析仪TA在铸造生产上的应用

1 热分析的基本原理

热分析法是通过测定物质温度的变化所引起的物性变化来确定物质状态变化的一种测试分析方法，即通过测定伴随物质的温度变化和化学反应的进行而发生的热力学性质 、物理性质的变化 ，进而确定物质结构的热变化及化学反应常数的一种方法。在合金中无论发生哪一种变化 (如加热时的熔化、冷却时的结晶、 同素异构转变、 固态中过剩相熔解或析出等)，都伴随有热量的释放或吸收，从而使得因加热而温度上升或因冷却而温度下降时，温度变化的连续性受到破坏并显示出温度特征值，在加热或冷却曲线上形成“拐点"或“平台"。因此，构成铸件铸态组织中的各个相，都会在冷却曲线上留下相应的痕迹 。与化学成分密切相关的铸态组织中的各个相存在的比例系数，取决于冷却曲线上相应特征值的位置和长度，它决定着铸件的质量状况。所以有人把冷却曲线称之为“冶金质量的指纹"。

如何从简单的冷却曲线提取更多的质量信息，以及应该用哪些信息来评价合金的某一具体的质量指标，这需要对铸铁的凝固机制作较为深入的研究，也是人们选择热分析方法的前提。十几年来，随着微电子技术的发展，通过对冷却曲线的微分处理，可以得到更多的评估液态金属质量状况的信息。因此，简单热分析法和微分热分析法结合，是当前铸造热分析技术普遍采用的方法。这些方法在定性热分析技术上的应用，开拓了定性热分析技术研究的新领域 。

2 热分析技术在铸铁件生产上 的应用

热分析法在铸造生产中最初是用来测定铸铁碳当量。铸铁是具有共晶转变的铁碳合金，其共晶反应是一个复杂的过程。若按Fe-G (石墨)稳定系凝固则生成奥氏体+石墨的共晶体；按Fe-Fe3C介稳定系凝固则生成奥氏体+渗碳体的共晶体。但由于曲线上初生奥氏体析出温度主要取决于化学成分，而与凝固模式无关，因此通过液相线温度来表征碳当量的值，即CE％=f（TL）。但由于硅和磷对TL的影响并不能由常用的Fe-C相图来确定，因此人们通过大量试验和统计分析，并引入液相线碳当量(CEL=C+Si／4+P／2)的概念,得出适用于不同生产条件下测定液相线碳当量(CEL)的数学模型。

碳量和硅量的测定

灰铸铁在凝固过程中，受铁液孕育状况及结晶条件的影响，难以找到准确的共晶温度。此外，共晶反应时，由于铁液放出结晶潜热，导致共晶反应在某一温度区间内进行。为了解决这一问题，在用热分析法测试时，采用强制白口共晶凝固的方法，在样杯内涂以反石墨化涂料 (一般含碲、铋等元素)，促使铁液无论是亚共晶还是过共晶，无论是否经过孕育处理，都能按白口凝固，在冷却曲线上显示出较长的共晶停歇平台，从而获得准确值。从1973年开始，人们通过大量的测试试验并利用数理统计方法，得到适用于不同生产条件的测定碳含量和硅含量的数学模型。

热分析法快速测定的铁液化学成分与化学分析结果相比，其误差为：

    CEL0.05％、(C)±0.05％、(Si)+0.1％

上述传统的碳、硅含量的单独测定方法只有在白口凝固条件下才能实现。这会使得铸铁在冷却过程中热分析曲线上的一些重要信息被改变，那么利用热分析在测定成分的同时就很难评估铁液质量。同时对于经镁处理后球墨铸铁则不适用（由于碲会与镁形成碲化镁，失去了强制铁液按白口凝固的作用）。有文献报道采用双杯（无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）同时测定的方法，更深入地揭示铁液的凝固特性，获得了特征值与白口深度、化学成分之间的关系。但是样杯增多，设备复杂，不利于炉前的快速检验。

铁液含氧量的测定

目前，国内铸造生产企业采用电炉熔炼铸铁，一般地说，电炉熔炼出的铁液质量优于冲天炉。但由于电炉熔炼铁液时，铁液始终处于氧化性气氛下，再加上铁液剧烈翻滚，使得电炉熔炼铁液的含氧量高于冲天炉。铁液中过饱和的氧除了对石墨形核特性有重要影响外，对铁液的成分也有一定的影响，因此有必要对铁液中的含氧量进行测定。通过研究含氧量对冷却 曲线初晶角变化的影响规律，试验结果表明，随着铁液中含氧量的增加，冷却曲线的初晶角度增大，若在样杯中添加适量的铝，可以提高测试精度，这种方法有望在铸造生产中得到应用。

非接触式热扩散率测量可以评估
从有机薄膜到金刚石的各种材料

特征

• 使用激光非接触式测量

• 操作简单，只需放置样品即可

• 样品形状自由度高，允许您指测量位置

• 测量范围广泛，从有机薄膜到钻石

• 可轻松设定条件的绝对值测量方法

• 可进行水平和垂直方向的测量 → 检查样品的各向异性

• 可以将热扩散率转换为热导率和热射流率

• 可进行分布测量 → 评估样品缺陷和不均匀性

热物性测量范围

可以测量从有机薄膜到钻石的各种材料。此外，现在可以测量难以测量的高导热性树脂。我们还可以测量双层样品并处理难以加工的材料。

实测示例

样本	热扩散率[m 2 s -1 ]
	测量值	参考值
稳定氧化锆	1.1× 10-6	1.2× 10-6
氧化铝	12× 10-6	12× 10-6
锗	37× 10-6	35× 10-6
硅	89× 10-6	88× 10-6
铜	110× 10-6	120× 10-6
银	170× 10-6	170× 10-6
聚晶金刚石	720× 10-6	400～880× 10-6
其他成就 蓝宝石   钽   钼   铝   钛酸锶   不锈钢 (SRM1461)   通用树脂   各向同性石墨   氮化铝（AlN）   氮化硅（SiC）等

材料各向异性

你了解样品的各向异性吗？
填料（AlN、SiO2、SiC、CNT等）和树脂的复合材料的热导率根据混合比例的不同而变化很大，因此测量热扩散率非常重要。还可以测量树脂基材料。

目的

电子部件散热材料的评价、半导体激光电极的评价、热电发电材料的评价、硬质合金工具涂层的评价等。

样本	测量方向	热扩散率[m 2 s -1 ]
		测量值	参考值*
聚酰亚胺t=25μm	垂直的	0.14× 10-6	0.13× 10-6
	水平的	0.8× 10-6	0.73× 10-6
硅橡胶散热片	垂直的	1.1× 10-6	不适用
	水平的	1.3× 10-6	不适用
含有碳纳米管（CNT）的橡胶	垂直的	0.24× 10-6	不适用
	水平的	6.0× 10-6	不适用
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
高导热树脂A 20Wm -1 K -1级 （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
高导热树脂B 5Wm -1 K -1级 （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

• 参考值是指文献值、目录值以及其他测量方法的测量结果。

分布测量

即使使用相同的树脂，热导率也会根据成型条件和模具形状而变化。

即使使用相同的树脂，热导率也会根据成型条件和模具形状而变化。