铸铁成分热分析

本文介绍了热分析的有关知识，探讨了该设备在实践教学中的应

用。为了更有利于教学，获得该设备的现有数学模型是必要的。实验利用电压信号模拟实际测试过程，对测得的数据进行回归分析。从而求解了铸铁的碳当量(CE％)、碳古量(c％)、硅含量(si％)与初晶温度TL 和共晶转变温度之间的数学模型

炉前使用受到限制．热分析法炉前使用，只需2—3分

钟就可以得到准确结果，费用低廉，操作简便，特别

适合大批量生产需要

图l为亚共晶白口铁冷却曲线'T _为凝固开始

温度，T r 为凝固终了温度铁液冷却至温度时，

开始结晶出初生奥氏体。由于结晶时释放出结晶潜

热，故冷却速度减小，冷却曲线上出现斜率改变。温

度继续下降．初生奥氏体不断增加，冷却曲线上斜率

不变当冷却至T s温度时，剩余铁水在恒温下结晶

出莱氏体，冷却曲线上出现水平线段。凝固完毕，温

度又继续下降。由于不同成分的合金它们的冷却曲

线是不同的，只要在冷却曲线上准确判断出与T s

温度，就确切推断出铁水的主要成分。

当铁液出现奥氏体时，产生凝固潜热，出现初晶

拐点，可以利用二阶导数(1式)为零时．确定．。d1Y

由0变正时，那一时刻的温度就是。有时冷却

曲线不是平滑曲线，求解会发生困难，更实际的办法

是利用奥氏体析出，前后一秒钟温度变化近似为零

的原理，即可以设为接近零的小数，如果在某段时间

内，(2)式成立连续出现三次以上，可以认为此刻温度

就是初晶温度。同理，可更容易的求得共晶温度。

d T —

Ti+l一2 +

—l ，1、

dt △t

Ti—Til=K (2)

采用热分析法测定铁水成分还需要解决两个问

题，1．生产中的铸铁的冷凝曲线大多是按稳定系转

变的，无法测得准确的T 温度。2．工业上的铸铁是多

元合金，这些元素对状态图都有不同程度的影响，因

此，必须予以考虑。实际应用是这样的：在试样杯内

壁刷含碲的涂料或加碲团以保证铁水浇人后冷却曲

线形状如图l的冷却曲线一样。另外，采用回归分析

法找到所测元素与TI．、T 温度之间的相关关系。

NSP-510铸铁成分热分析仪使用专用软件测定

出铁水凝固冷却过程中的初晶温度和共晶温度，通

过回归方程计算出碳和硅的含量值(％)及碳当量值

(％)并显示测定结果和冷却曲线。连接打印机在测

定时可同步记录测定数据和冷却曲线。包括：测量日

期和时间、温度冷却曲线、TI．温度、T 温

度、碳、碳当量、硅及测定异常提示。

热分析仪

现有数学模型的求解

为了更有利于教学，获得NSP一510

设备的现有数学模型是必要的。实验利

用电压信号模拟实际测试过程，对测得

的数据进行回归分析，从而求解了铸铁

的碳当量(CE％)、碳含量(C％)、硅含量

(Si％)与初晶温度TI．和共晶转变温度T

之间的数学模型。模拟实验测得47组热

分析曲线及相关数据，部分测试数据(随

机抽取)见表l。作出铸铁碳当量(CE％)、

图2 CE—TL散点图

碳含量(C％)、硅含量(Si％)与初晶温度TI．和共晶转

变温度Ts之间的散点图。图2各点基本在同一条直

线上。

CE与TI．之间存在线性关系；而对于图3和图4

将三维空间散点图旋转到某个角度，各点投影几乎

在一条直线上(b图)，说明空间里，各点在同一平面

上，即C％与TI．、Ts，S 与TI．、Ts也分别成线性关系。则有以下关系(a,b、C、d．e、f、g、h为常数)：

CE=a+bxTL (3)

C=c+dxTL+e×Ts (4)

Si=f+g~TL+hxTs (5)

表1部分测试数据

初晶温度共晶温度碳当量碳含量硅含量

序号T (F) 1rs(F) CE(％) C(％) Si(％)

l 2l20 2023 4．25 3．43 2．50

2 2l65 2038 4．0

3 3．37 2．04

3 2l92 2023 3．89 3．1l 2。44

4 22l7 2016 3．77 2．93 2．62

5 2243 202l 3．64 2．87 2．45

6 2269 203l 3．48 2．85 2．14

7 2294 2040 3．33 2．82 1．86

8 232l 2064 3．17 2．93 1．16

9 2347 2078 3．04 2．95 0．74

l0 2372 2078 2．90 2．84 0．72

ll 2370 20ol 2．9l 2．12 2．90

b)／k转后的位置

T 、]rS散点图

一

a)基本位置b)旋转后的位置

图4 Si％一TL、Ts散点图

对测试数据，进行回归分析，求出上述数学模型

的系数，数学模型见式6一式8。回归系数的最dxZ- 乘估计结果及显著性检验表明数学模型的精度很高(相关系数近似为1)。回归分析结果l

CE=15．57-0．o05332TL (6)

C=一6．64—0．00441 11'L+0．0o9599Ts (7)

Si：61．8733—0．O009TL-0．0284Ts (8)

实践教学

工程训练应加强质量检验环节教学，比如在金

相分析和力学性能检测、炉前检测、无损检测等方面增设实践教学内容。这些实践教学内容都是实际工

程生产中常见的热加工方面的质量检验和控制的环节。这样将使学生热加工实习环境与真实的工程环

境更趋一致，实习内容更系统，能使学生熟悉铸件生产过程的检测手段和检测设备。

NsP_5l0炉前铁水管理仪的实践教学，应注意

与生产实际相符，质量检验内容与真实产品生产进

圈

[==

行有机的结合，开拓学生的视野，增加知识点。其教学目的：

1增加学生的现代生产意识，产品质量意识。

2学生熟悉成分热分析的基本原理和目的。并

对有关设备有感性认识。

根据专业，教学内容可设为三类：1．材料系学生

综合性或创新性实践教学在培养创新人才、贯彻素

质教育中起的作用最显著。综合性实践教学应该是真实的生产实际和有利于学生知识学习的实验的

有机结合。热分析应是材料成型综合性(创新)实践

教学的一个环节。教学应以一个真实产品的生产为例，让学生实习生产的全过程，熟悉热分析在生产

中的应用，同时，结合力学性能测试、金相组织观察，使学生了解材料的成分(工艺)与组织性能之间

的关系，并对有关设备有感性认识。2．其它机类学生熔化铁水进行热分析或进行模拟实验。3．非机类学生进行热分析模拟实验。

结束语

本文介绍了热分析的有关知识，提出了如何将