铝合金热分析仪原理

关键词：体晶粒细化等级，变质效果、过冷度、铝合金热分析仪                编译：刘尉汉

前言：

以往对合金细化变质效果往往通过剖切铸件，磨制金相试样来检测，不仅周期长、价格昂贵、且不能现场指导工作。目前生产中常用浇注断口试样，肉眼观察断口检测细化变质效果，这种方法更多的依赖操作人员的经验，可靠性不高。

现状：

目前， 铝合金晶粒细化有两个方向:

●为凝固细晶， 通过控制和调节合金成分、 冷却速度、 凝固时加外场作用来达到晶粒细化的目的， 包括快速凝固细晶、 机械场凝固细晶、 磁场凝固细晶、 电场凝固细晶及超声凝固细晶等;

●为变质细晶， 也就是传统的添加形核剂或微合金化达到细化目的， 包括磷及磷化物变质细化、 钠盐变质细 化、 铝锶中间合金细化、 铝锑中间合金细化/铝钛硼合金细化及铝钛碳合金细化等。

在许多铸造厂，热分析已经成功用来决定修改度，通过测量与改变共晶温度。

目前世界上越来越多的铸造厂利用热分析技术进行炉前快速分析。如美国通用汽车制造公司和福特汽车制造公司以及乌克兰等都已将热分析法作为炉前合金质量控制的重要手段。 

德国MK铝合金热分析仪TA110，其结合热分析技术与微型计算机技术，可做到在线检测合金熔体晶粒细化和变质效果，降低热分析技术成本，提高测试的可靠性、准确性和智能化。如热分析技术在铸造生产中广泛的应用，必将使我国的铸件质量稳步提高，增强我国在国际铸件市场上的竞争实力。

铝合金热分析原理：

将熔体倒入坩埚内，测定其凝固过程的温度，得出温度-时间曲线，此曲线也叫冷却曲线。应用热分析方法，可以从冷却曲线或其一阶导数中获取特征值，那么就可以建立这些特征值和一些质量指标( 如晶粒尺寸、共晶结构、硅相等等) 之间的关系。

热分析是一种确定铝液冷却过程中组织形成及决定合金的机械性能并且与铸件质量密切相关的金相组织的理想的方法。熔体固化过程中形成的晶粒主要由铸造过程中的冷却条件决定。更精细的晶粒结构能通过选择正确的铸件过程和控制模具与浇注温度内的固化条件获得。另一种获得更精细的晶粒结构，是通过引入外来晶核进入熔体中，以合适的添加剂形式存在。为了监控熔体质量，热分析用来辨认冷却曲线里的参数，该参数表明熔体成核状态的迹象。

dTL 值越小，晶粒越细小；dTS 越大，变质效果越好（dTL 和 dTS 为热分析仪自动读取的热分析特征参数）冷却曲线图如下：

注：

TG：检测起始温度、

TLU：液相温度下限、TLO：液相温度上限、dTL:固相过冷度、

TSU：固态温度下限、TSO：固态温度上限、dTS：共晶生长过冷度、

TW：温度拐点、     T’max：最大冷却速率、

Alloy Temperature：理论共晶温度、V：修正温度（变质效果）。

通过热分析法检测手段，可以预测合金的变质效果──合金中共晶团细化程度这一重要的指标。对初始结晶时晶粒细化程度 （共晶团数量）的判定已成为决定热分析精度的基本因素。系统可以自动测定温度特征值，如结晶生核及共晶生长时液固相温度、过冷度、凝固时间及铸件温度，从而可以稳定地控制铸件的质量。

图示3.显示的是部分参考系列。粒径数字5-10表明 中等颗粒大小(40 到1,25 mm2)。而且，中间阶段也被研发出证实测试的准确性。用这种方法，

获得的晶粒大小能简单地通过比较图像分类。

dTL 值越小，晶粒越细小；dTS 越大，变质效果越好：

T1 =  曲折切线和温度曲线交叉点

T2 =  基本固化下限温度

T3 =  基本固化上限温度

T4 =  共晶温度

A1 =  高于基本固化区域

AK =  在600°C and (T4 - 1°C)成直角的距离

T2 = 初始固化面积

Gb = 初始固化区域冷却曲线的距离

-    T1  曲折切线和温度曲线交叉点

-    T2  基本固化下限温度

-    T3  基本固化上限温度

-    A1  高于基本固化面积由冷却曲线与曲折切线限定

-    T4   共晶温度- 

-    Ak   在600°C and曲线点 (T4 - 1°C)成直角的距离

-  Gb 冷却曲线的交叉点的第一和最后一个点和温度线之间的距离(T3 + T2) / 2。

-    A2 初始固化开始(T3 - T2).Gb的面积/区域

-    温差: T3 - T2 =    TT3-T2

T2 - T4 =    TT2-T4

T3 - T4 =    TT3-T4

图4：晶粒大小与冷却曲线上Gb特性的关系

图abc：

冷却曲线中晶粒大小与A2, A1 和(T3 - T2)特性的关系

 表1

*) 1 = 适合, 2 = 有限的适用性, 3 = 不适合

最适合的参数Gb. 参数A2, A1 and T3 - T2在一定程度上是合适的。其他量检测显示跟熔体成核没有太大关系。

在实际生产中，使用TA110对铝合金进行热分析，如果晶粒以及变质不达标，那么工程师可以根据TA110的热分析数据进行考量调整，优化工艺：比调整浇注温度、处理液固相的温度，除此之外还可以更改变质剂的量或者其他物理方法进行修正。

总结：

综上所述，使用德国MK的TA110铝合金热分析仪，能够在生产当中提供科学、准确的热分析数据。铝合金的晶粒等级以及变质效果等热分析数据属于炉前、事前快速分析检定，生产当中可以根据TA1100铝合金热分析仪提供的热分析数据对工艺完善、监控、调整，从而得到更理想的晶粒，减少生产上的浪费，获取更优质的铸件，提高经济效益。

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