专利名称：镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置的制作方法
镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置技术领域
本发明属于镁合金熔体处理和铸造凝固领域，具体涉及一种镁合金熔体凝固晶粒 尺寸的热分析检测方法与装置。该检测方法与装置用于判定镁合金熔铸现场熔体处理(包 括变质、孕育处理，以及添加微量合金元素等)对凝固组织晶粒尺寸的影响，通过测量熔体 凝固过程的热性能特征，实现对合金凝固后的晶粒尺寸和性能的预测。
背景技术：
节能和环保已经成为了当今世界的两大核心问题。镁合金作为一种新型金属材 料，以其密度小、比强度和比刚度高以及能回收等优点，在航空航天、汽车、3C(计算机、通 信、消费类电子)等领域获得了广泛应用。以汽车工业为例一方面，汽车尾气排放量约占 全球大气污染的65%左右；另一方面，能源紧张、油价上涨等问题日益严重。汽车减重是解 决这些问题的有效措施之一。据统计分析，汽车所用燃料的60 %消耗于自重，汽车自重每减 少10%，油耗也将减少8% 10%。镁合金还以其良好的导电导热性、电磁屏蔽性能及易 于回收利用等优点，在3C类产品结构件中，替代塑料，获得广泛使用。由此，镁合金被誉为 “二十一世纪的绿色工程材料”。
合金材料的初始凝固组织对产品的最终组织和性能有重要影响，而合金成分、冶 炼工艺、铸造工艺等诸多因素都对凝固过程及凝固组织产生影响。镁合金铸造凝固的晶粒 尺寸是表征凝固组织和材料性能的一个重要特征参数。镁合金晶粒越细小，其力学性能和 塑性加工性能越好。此外，具有细小晶粒尺寸的镁合金铸件中的金属间化合物相更细小且 分布更加均匀，从而缩短均匀化热处理时间，提高均匀化处理效率。因此，得到晶粒细小的 镁合金铸态组织尤为重要。为了达到晶粒细化的效果，镁合金熔体处理方法通常有熔体的 变质(或孕育)处理、晶粒细化处理，以及控制合金元素种类和含量等。目前，镁合金熔体 处理主要有Mg-Zn系、Mg-RE系等不含Al系镁合金的Zr细化处理；AZ31、AZ91等Mg-Al系 合金的过热处理和碳(菱镁矿、C2Cl6等)变质等。合金元素对晶粒细化的效果则主要由于 溶质原子在凝固前沿的固液界面富集，从而抑制固相枝晶长大，达到晶粒细化的效果。已报 道的对镁合金具有晶粒细化效果的合金元素除Zr之外，还有Ca、S1、Sr、Al和Zn等多种合 金元素。
然而，镁合金熔体处理工艺操作的经验性强，熔体处理效果受人为因素影响大，有 必要对熔体处理效果进行严格且方便的检验。另外，即使处理效果非常好，处理后的熔体有 时并不能及时浇注，此后熔体的静置时间的长短对熔体处理效果的影响尚不确定。理论上， 熔体处理后经过一定时间，处理效果将出现衰退现象。因此，在熔铸现场，浇注前有必要对 即将浇注的熔体进行重新检验，以判定熔体处理的效果，并采取相应的措施。另外，合金溶 质元素对晶粒尺寸影响并没有统一的规律，有些溶质元素能够细化晶粒，而另外一些元素 会导致晶粒粗大。以往，对于熔体处理以及添加合金元素对晶粒细化的效果的检验，通常采 用断口检验法。打断在现场浇注的试样，肉眼观察其断口特征来判断熔体质量，此法依赖操 作人员的经验，可靠性不高，且不够定量。对铸态组织直接进行显微组织观察，来评定晶粒尺寸是另一种方法。由于镁合金的凝固组织一般枝晶非常发达，常常需要采用扫描电子显 微镜附属的EBSD技术才能准确区分不同晶粒，获得晶粒尺寸。采用EBSD分析镁合金铸态 组织和晶粒尺寸不仅周期长，价格昂贵，并且不能在冶炼现场评价熔体处理效果以及添加 合金元素的效果，不能用于熔炼和铸造现场指导工艺。迄今还没有一种方法能够在镁合金 的熔铸现场快速科学地表征溶质元素及熔体处理对凝固组织晶粒尺寸的影响。因此，发展 能够迅速准确表征镁合金熔体质量及凝固晶粒尺寸的检测方法对镁合金铸件质量的提高 有重要意义。首先，可以针对不同合金，遴选和优化熔体变质或处理方法。其次，对一种熔体 处理或变质方法优化工艺因素，确定变质剂配比、用量、变质时间等。另外，发展炉前检验， 现场指导生产，从而实现现场对镁合金熔体冶金质量的监测。
热分析技术利用合金相变过程的热效应来分析合金凝固过程中的反应，在建立相 图方面早已得到广泛应用。在铸造方面，合金凝固过程的冷却曲线被人们看作是合金的“指 纹”，它同合金凝固后的最终组织密切相关，两条完全相同的冷却曲线，其对应的凝固组织 可认为是完全一样的。合金凝固组织形成过程的各个细节都可以从冷却曲线上分析得到， 因而对冷却曲线的研究，将有助于很好地理解合金组织的形成。热分析技术已用于测定铸 铁乃至钢中的碳含量、铝合金的晶粒细化和铝-硅合金中共晶硅的变质状态，例如，采用熔 体变质前后共晶过冷度来表征变质剂对共晶硅的变质程度。这些方法均利用冷却曲线中与 再辉相关的参数来表征变质效果。它们对冷却曲线上具有明显再辉的铁合金、铝合金的变 质效果的检测非常有效。本课题组专利号为ZL 200710011227. 6的专利，利用再辉放热峰 面积相关的参数，定义变质度H来表征镁合金熔体的变质效果。但是，由于镁的凝固潜热 较小(8. 954kJ/mol)，低于铝(10. 790kJ/mol)和铁(13. 80kJ/mol)，在一般铸造的凝固条件 下，凝固初期较少有再辉出现，即便出现，幅度也非常小，在熔铸现场实时监测熔体的变质 效果和凝固晶粒尺寸的灵敏度低。因此，需要发展一种的新的镁合金热分析技术在凝固再 辉很小、甚至没有再辉的情况下，监测镁合金熔体处理效果和合金元素对晶粒尺寸的影响。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在熔铸现场对镁合金熔体处理 效果和凝固晶粒尺寸进行表征预测的镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置， 结合计算机和软件分析技术，发展了一种能够方便、准确、快捷地在线检测熔体处理效果和 预报凝固晶粒尺寸的技术。
本发明的技术方案是
一种镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法，在镁合金半连续铸造、重力铸 造、低压铸造及其它铸造方法的熔铸现场，采用定量镁及镁合金熔体，将其浇注入稳定散热 的取样杯中冷却，在镁合金熔体冷却的过程中，采用两根热电偶分别测定熔体凝固过程中 心和边沿的温度，用温度采集装置采集温度数据，计算机程序记录熔体凝固过程熔体中心 和边沿温度随时间的变化，热分析检测方法步骤如下
第一步，建立中心热电偶的热分析冷却曲线和边沿热电偶的热分析冷却曲线；
第二步，求出两条冷却曲线温度随时间变化的差值，根据该差值确定熔体凝固过 程中的枝晶相干点温度；
第三步，对中心热电偶的热分析冷却曲线求导，得出其冷却速率曲线，再利用牛顿基线法确定该冷却速率曲线的基线，通过积分计算得出该冷却曲线和基线之间的面积，从 而得出熔体在凝固过程中固相分数与温度的关系曲线(dTc/dt-t)；
第四步，通过固相分数与温度的关系曲线，确定枝晶相干点的固相分数
第五步，将所得枝晶相干点固相分数f与该合金系的标准枝晶相干点固相分数 Cfcp) #进行对比，根据f越大，表明其晶粒尺寸越小的原理，判定变质处理、晶粒细化处 理或添加合金元素对镁合金晶粒尺寸的细化或粗化效果。
采用计算机实现热分析过程数据记录和数据分析；计算机将温度采集装置采集的 数据记录存档，将数据导入到数据分析软件，通过数据分析软件确定枝晶相干点固相分数 f，并与标准值比较，进而判定变质处理、晶粒细化处理或添加合金元素对镁合金晶粒尺 寸的细化或粗化效果。
所述温度采集装置采集两次数据的时间间隔的范围为O. 001 60s。
在熔炼现场，按照正常的熔炼工艺冶炼镁合金，严格控制镁合金的冶炼工艺、合金 元素添加工艺及变质处理工艺，并安装调试好温度采集装置。
热分析检测首先预热取样杯，待镁合金熔体温度降至检测温度时，将镁合金熔体 倒入取样杯中；然后按照预定冷却方式冷却；所述检测温度，其范围在液相线温度至浇注 温度以上200°C之间。
取样杯的预热方法为长时间置于预热炉中，或浸泡在熔融的熔剂中；预热温度为 50 900°C，所用的熔剂为镁合金熔炼专用的熔剂(如RJ_2等)，熔剂的温度控制在400 900。。。
所述预定冷却方式为空冷、炉冷、水冷、油冷或盐浴冷却，冷却速率为0.01 500C /S。
上述检测方法适用于镁及各种镁合金的不同处理方法，所述处理方法为过热处 理、碳变质、Zr变质或添加合金元素和中间合金的熔体处理过程；所述镁合金包括含Al系 镁合金和无Al系镁合金。
一种用于上述检测方法的专用装置，该装置包括取样杯、温度采集装置、计算机记 录和分析系统；所述温度采集装置包括边沿热电偶、中心热电偶和模数转换器；各部分连 接关系为模数转换器的输入端口分别同边沿热电偶和中心热电偶相连接，模数转换器的 输出端口接入计算机记录和分析系统，热分析过程中热电偶输出的信号，经模数转换器模 拟转换后供计算机记录和分析系统采集；其控制过程如下取样后温度采集装置开始采集 数据，同时计算机记录和分析系统将数据记录存档，待熔体凝固完毕，将数据导入到计算机 记录和分析系统中的数据分析软件，计算输出结果。把热分析中热电偶输出的信号，经模数 转换器模拟转换后供计算机采集，借助适用的程序分析冷却曲线，获得所需信息，并以此检 测晶粒尺寸的大小，构成铸造镁合金晶粒尺寸评定的计算机辅助热分析装置，即本发明检 测方法的专用装置
所述取样杯包括上盖、底座和杯桶；上盖和底座为绝热耐火材料(石棉、耐火砖 等)，杯桶材料为铜、不锈钢、石墨或陶瓷，以满足不同冷却速率要求。
所述取样杯为圆筒形，直径范围为10 200mm，高度范围为10 400mm ;取样杯上 盖的中心和边沿各有一个孔，中心热电偶穿过上盖中心的孔，边沿热电偶穿过上盖边沿的孔，中心热电偶和边沿热电偶固定在同一高度，从而满足每次分析两根热电偶在熔体中的测量位置保持一定。
所述中心的孔位置为杯桶正中心，边沿的孔位置为与杯桶内壁相切；热电偶固定 高度范围为从底座向上5 400mm。
本发明的热分析检测技术原理如下
镁合金在凝固过程中通常以枝晶或柱状晶形式凝固，并且凝固过程中伴随着热量 的释放。枝晶相干点定义为固相枝晶在整个熔体内形成连续网状时所对应的点，此时对应 的固相分数和温度为枝晶相干点固相分数f和枝晶相干温度。理论上，合金在凝固过程 中，当枝晶长大与相邻晶粒互相接触时，固相晶粒长大便停止，此后是枝晶间剩余液相的凝 固，因此枝晶相干点对应的枝晶尺寸即为最终凝固组织中的晶粒尺寸。对于相同合金系，低 的f值表明合金在低的固相分数下便互相搭接，形成了连续的网状结构，说明此时合金 具有较细长的枝晶臂，枝晶间剩余液相多，所以最终得到凝固组织中也具有粗大的晶粒。高 的f值表明凝固过程中合金在高的固相分数下才形成连续固相网状结构，具有短粗的枝 晶臂，最终得到细小的晶粒尺寸。附图1为枝晶相干点固相分数与晶粒大小关系的示意图。
热分析法确定枝晶相干点的基本原理是当取样杯上下表面均为绝热材料时，凝 固过程中的热量主要通过杯桶径向散失。随着温度的下降，金属液中的固相逐渐增多，由 于液相和固相的热导率不同，固相的热导率要高于液相，当凝固达到某一时刻，所有固相枝 晶在整个熔体形成连续网状结构，中心的热将更容易通过固相传递到边沿，因此两个热电 偶测得的温度差值会在该点达到最低值，对应的中心热电偶测得的温度为枝晶相干点的温 度。根据温度与固相分数的关系曲线，便可以计算出枝晶相干点所对应的固相分数f。
本发明中的取样分析方法
技术领域：
本发明通过在合金熔炼现场使用直接从镁合金熔体中取样倒入本发明的取样杯， 随后按照预定冷却方式冷却，温度采集装置采集并记录中心和边沿两根热电偶的温度-时 间数据，熔体凝固后，将数据导入数据分析软件，根据中心和边沿两根热电偶的温度差值曲 线，确定枝晶相干点温度，对中心热电偶记录的冷却曲线进一步求出一阶微分曲线和固相 分数曲线。通过枝晶相干点固相分数f值来确定变质效果及添加合金元素对镁合金晶 粒尺寸的影响。由于镁合金凝固过程中释放潜热小，镁合金在凝固过程中通常再辉温度很 低，有些甚至不发生再辉，因此利用单根热电偶记录冷却曲线，通过再辉来分析镁合金变质 效果对晶粒尺寸影响误差较大，本发明并不要求合金凝固过程中发生再辉，均能准确判断 晶粒尺寸的大小，因此具有更好的可操作性和适应性。
本发明的热分析方法和装置用于镁及其合金的熔铸现场，作为炉前分析手段，在 浇注前监测熔融合金的质量，预测铸件晶粒细化的程度，并根据情况调整和改进工艺，对熔 体采取恰当的处理，控制和提高冶金质量，避免浪费，减少生产成本。
本发明具有如下优点
1、本发明采用的热分析方法测量熔体的变质效果，预测熔体凝固后的晶粒尺寸， 简单易行，与解剖铸件，金相检测法相比，成本降低。
2、本发明热分析方法测量熔体的变质效果非常及时，检测周期短，适于炉前和熔 铸现场检验，在线监测熔融合金的质量，便于指导生产。
3、本发明检测装置自动化，结果准确，可靠性高，可广泛用于优化变质工艺参数， 发展和完善镁合金的变质工艺。
4、本发明的检测方法利用了镁合金凝固过程中枝晶相干点时所对应的固相分数为判据，准确反应了晶粒尺寸的变化，减少了设备误差和人为因素的影响，精度高。
5.本发明并不要求凝固过程中的热分析冷却曲线中出现再辉，特别适合凝固潜热释放较小的镁合金，在较宽凝固速度范围内能够表征变质效果，预报凝固晶粒尺寸。


图1为枝晶相干点固相分数与晶粒尺寸对应关系模型；其中，(a)图为晶粒尺寸大的合金在枝晶相干点时的组织示意图，(b)图为晶粒尺寸小的合金在枝晶相干点时的组织示意图；图中枝晶封闭内部的为固相，外部为液相。
图2为本发明检测方法专用装置示意图；其中，I为边沿热电偶，2为中心热电偶， 3为上盖，4为杯桶,5为底座,6为模数转换器,7为计算机记录和分析系统。图3(a)_(c)为AM50合金的枝晶相干点固相分数/° 确定过程，以其获得的数据作为标准数据。其中，图3(a)利用双热电偶温度差的最小值确定枝晶相干点温度；图 3(b)利用中心热电偶侧得的冷却速率曲线及基线求得的固相分数曲线，从固相分数曲线上读取枝晶相干点固相分数，标准库中AM50合金标准枝晶相干点固相分数(O = 0.44;图 3 (c)为标准库中AM50合金的显微组织，平均晶粒尺寸为d = 225 μ m。
图4(a)_(b)为检测的AM50+2Ca合金枝晶相干点固相分数f的确定过程。其中，图4(a)利用双热电偶温度差的最小值确定枝晶相干点温度；图4(b)利用中心热电偶侧得的冷却速率曲线及基线求得的固相分数曲线，从固相分数曲线上读取枝晶相干点固相分数。实测的枝晶相干点固相分数^xp=OJOt3与图3(b)相比，实测的枝晶相干点固相分数 ^xp=OJO比AM50合金标准枝晶相干点固相分数(^%=0.44减小了 O. 14。
图5为AM50+2Ca合金热分析检测样品完全凝固后的显微组织。平均晶粒尺寸d =530 μ mo比较图3(c)可以看出，添加Ca前后，AM50合金的晶粒尺寸从225 μ m增大到 530 μ m0
图6(a)_(c)为标准库中未变质AZ91合金的枝晶相干点固相分数/^的确定过程。其中，图6(a)利用双热电偶温度差的最小值确定枝晶相干点温度；图6(13)利用中心热电偶测得的冷却速率曲线及基线求得的固相分数曲线，从固相分数曲线上读取枝晶相干点固相分数。标准库中未变质AZ91合金标准枝晶相干点固相分数0.38;图6 (c)为标准库中未变质AZ91合金的显微组织,平均晶粒尺寸为d = 300 μ m。
图7(a)_(b)为检测的变质后AZ91合金枝晶相干点固相分数f的确定过程。其中，图7(a)利用双热电偶温度差的最小值确定枝晶相干点温度；图7(b)利用中心热电偶侧得的冷却速率曲线及基线求得的固相分数曲线，从固相分数曲线上读取枝晶相干点固相分数。实测的枝晶相干点固相分数^xp= 0.54。与图6(b)相比，实测的枝晶相干点固相分数 ^xp= 0.54比未变质AZ91合金标准枝晶相干点固相分数(O =0.38增大了 O. 16。
图8为变质后AZ91合金热分析检测样品完全凝固后的显微组织。平均晶粒尺寸d = 185 μ m。比较图6(c)可以看出，变质前后晶粒尺寸从300 μ m减小到185 μ m,
图9是本发明计算机数据分析软件的程序流程图。
具体实施方式
本发明是利用铸造镁合金在凝固过程中冷却曲线与枝晶相干点的关系及枝晶相干点与晶粒尺寸的相关性，建立的热分析检测技术，并依此发展了相应的热分析装置。在熔铸现场通过本发明热分析检测方法获得待测合金的实际数据后，将其与热分析检测合金的标准数据比较，判定熔体凝固晶粒是细化还是粗化。
获得某一种镁合金热分析标准数据的步骤如下
1.获得某一种合金系熔体中心和边沿热电偶对应的冷却曲线(Tc-t和Te-t)；
2.确定凝固过程中的枝晶相干点温度(Tdcp)；
3.对中心冷却曲线求导得出冷却速率曲线(dTc/dt-t)，采用牛顿基线法求出基线，得出熔体在凝固过程中固相分数与温度的关系曲线；
4.通过固相分数-温度曲线，确定枝晶相干点的固相分数
5.将热分析后样品进行显微组织观察，进行晶粒尺寸定量分析，确定该条件下的晶粒尺寸大小。
6.将该合金的枝晶相干点的固相分数f、显微组织照片及晶粒尺寸数据存入标准库中。
本发明的热分析检测方法步骤如下
1、同时建立中心和边沿热电偶对应的冷却曲线(Tc-t和Te-t)；
2、确定凝固过程中的枝晶相干点温度(Tdcp)；
3、对中心冷却曲线求导得出冷却速率曲线(dTc/dt-t)，采用牛顿基线法求出基线，得出熔体在凝固过程中固相分数与温度的关系曲线；
4、通过固相分数-温度曲线，确定枝晶相干点的固相分数
5、对比变质前后，或添加合金元素前后，枝晶相干点的固相分数f，从而判定变质效果以及合金元素对晶粒尺寸的影响。f值越大，表明晶粒尺寸越小。
如图1所示，(a)中晶粒尺寸大，此时该合金的固相分数低，(b)相比于(a)晶粒尺寸小，此时该合金的固相分数高，这表明具有细小的晶粒组织合金的枝晶相干点固相分数高，即f值高，具有粗大的晶粒尺寸组织的合金的枝晶相干点固相分数低，即f值低。
上述热分析过程包括数据的采集，冷却曲线的计算机分析，枝晶相干点时固相分数的量化，结果的比较，通过计算机和数据分析软件实现，构成计算机辅助热分析检测装置。本发明的检测方法建立在计算机控制和辅助分析的基础上，把热分析中热电偶输出的信号，经模数转换器模拟转换后供计算机采集，借助适用的程序分析冷却曲线，获得所需信息，并以此检测晶粒尺寸的大小，构成铸造镁合金晶粒尺寸评定的计算机辅助热分析装置， 即本发明检测方法的专用装置，如图2。
本发明检测方法的专用装置包括取样杯、温度采集装置、计算机记录和分析系统 7 ;所述温度采集装置包括边沿热电偶1、中心热电偶2和模数转换器6 ;各部分连接关系为模数转换器6的输入端口分别同边沿热电偶I和中心热电偶2相连接，模数转换器6的输出端口接入计算机记录和分析系统7，热分析中热电偶输出的信号，经模数转换器6模拟转换后供计算机记录和分析系统7采集；其控制过程如下取样后温度采集装置开始采集数据，同时计算机记录和分析系统将数据记录存档，待熔体凝固完毕，将数据导入到计算机记录和分析系统中的数据分析软件，计算输出结果。
所述取样杯包括上盖3、底座5和杯桶4 ;上盖3和底座5为绝热耐火材料，杯桶4 材料为铜、不锈钢、石墨或陶瓷。
所述取样杯为圆筒形，直径范围为10 200mm，高度范围为10 400mm ;取样杯上盖的中心和边沿各有一个孔，中心热电偶2穿过上盖3中心的孔，边沿热电偶I穿过上盖3 边沿的孔，中心热电偶2和边沿热电偶I固定在同一高度，从而满足每次分析两根热电偶在熔体中的测量位置保持一定。
所述中心的孔位置为杯桶正中心，边沿的孔位置为与杯桶内壁相切；热电偶固定高度范围为从底座5向上5 400mm。
计算机辅助热分析装置的控制过程如下取样后计算机控制温度采集装置开始采集数据，同时将数据记录存档，待所测熔体凝固完毕，将数据导入到数据分析软件，计算输出结果。
本发明的温度采集装置为通用市购产品，其流程如下设定温度采集速率，选择开始采集，程序会将采集到的数据(温度和时间)记录到自动生成的文本文件中，测试完毕， 选择停止采集。
本发明的计算机数据分析软件是Origin数据处理软件，如图9所示，其程序流程如下导入计算机记录到的温度-时间数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，做冷却曲线， 求出中心和边沿两条曲线温度最大差值处即为枝晶相干点，对中心冷却曲线求导得到冷却速率曲线，利用牛顿基线然后求出固相分数与温度对应关系，最后得出枝晶相干点温度对应的固相分数即为f。
本发明中，对冷却曲线求导的方法为常规技术。
本发明中，牛顿基线法为常规技术。
本发明可以将获得的枝晶相干点固相分数f与该合金系的标准枝晶相干点固相分数f)标进行对比，判定合金晶粒大小，从而定量判定变质细化效果以及添加元素对晶粒尺寸的细化或粗化效果。
下面结合实施例详述本发明
实施例1
检测合金元素Ca对AM50合金晶粒尺寸的影响。基本操作步骤如下
I)冶炼工艺
按照正常的熔炼工艺冶炼镁合金，使用IOkg电阻坩锅炉冶炼AM50合金及添加 2wt. % Ca 的合金，750°C保温 15min，720°C浇注；
II)热分析过程
在合金浇注之前，720°C下向预热到700°C的取样杯中倒入2/3体积的镁合金液， 将取样杯在空气中自然冷却，冷却速率在O. 5 1°C /S。取样杯材料为不锈钢，取样杯内的空间尺寸为直径Φ 40mm,高60mm,取样杯壁厚2_。取样杯在取样之前预热,预热方法为浸泡在熔融的熔剂中，所用的熔剂为镁合金熔炼专用的熔剂(RJ-2等)，熔剂的温度控制在 700°C。热电偶固定在取样杯盖上，分别在取样杯的中心和边沿。取样杯中浇入合金液后， 盖上取样杯上盖，此时热电偶距离取样杯底部40mm，分别测定合金中心和边沿的冷却曲线 (Tc-t和Te-t)，从而确定合金的枝晶相干点温度，见附图4(a)。枝晶相干点对应的中心冷却曲线上的温度为枝晶相干点温度(Tra)，对中心冷却曲线求导，得出冷却速率曲线(dTc/ dt-t)，利用牛顿基线法，确定中心冷却速率曲线的基线，通过积分计算得出冷却曲线和基线之间的面积，从而求得固相分数与温度的关系曲线；根据枝晶相干点温度，从固相分数与温度关系曲线中读出枝晶相干点温度所对应的固相分数/°5;见附图4(b)。
III)热分析结果
检测得到AM50+2Ca合金的枝晶相干点固相分数_^=0.30，标准中对应的AM50 合金由其枝晶相干点温度(图3(a))确定标准枝晶相干点固相分数p标=G.44，见附图 3(b)。热分析检测结果表明添加Ca后，合金的晶粒尺寸变大。标准中AM50 合金的平均晶粒尺寸为225 μ m。见附图3(c)。
对AM50+2Ca合金完全凝固后的热分析检测样品进行显微组织分析，如图5所示， 所得显微组织平均晶粒尺寸为530 μ m,大于标准AM50合金的晶粒尺寸。
以上结果表明，添加Ca合金元素后，枝晶相干点固相分数降低，合金熔体凝固后的晶粒尺寸变大，表明枝晶相干点固相分数断晶粒尺寸大小有效，也即发明的方法和装置实施正确。
实施例2
AZ91合金变质处理，基本操作步骤如下
I)、冶炼工艺
按照正常的熔炼工艺冶炼镁合金，使用IOkg电阻坩锅炉冶炼AZ91镁合金，720°C 菱镁矿变质处理；750°C保温15min，720°C浇注；
II)、热分析过程
在合金浇注之前，720°C下向预热到700°C的取样杯中倒入2/3体积的镁合金液， 将取样杯在空气中自然冷却，冷却速率在O. 5 1°C /S。取样杯材料为不锈钢，取样杯内的空间尺寸为直径Φ 40mm,高60mm,取样杯壁厚2_。取样杯在取样之前预热,预热方法为浸泡在熔融的熔剂中，所用的熔剂为镁合金熔炼专用的熔剂(RJ-2等)，熔剂的温度控制在 700°C。热电偶固定在取样杯盖上，分别在取样杯的中心和边沿。取样杯中浇入合金液后， 盖上取样杯盖，此时热电偶距离取样杯底部40mm，测定变质后AZ91合金中心和边沿的冷却曲线(Tc-t和Te-t),从而确定合金的枝晶相干点，见附图7 (a)。
枝晶相干点对应的中心冷却曲线上的温度为枝晶相干点温度(Tict)，对中心冷却曲线求导，得出冷却速率曲线(dTc/dt-t)，利用牛顿基线法，确定中心部位冷却速率曲线的基线，通过积分计算得出冷却曲线和基线之间的面积，从而求得固相分数与温度的关系曲线；根据枝晶相干点温度，从固相分数与温度关系曲线中读出枝晶相干点温度所对应的固相分数/°5;见附图7(b)。
III)、热分析结果
检测得到变质后AZ91合金的枝晶相干点固相分数/^=0.54，标准中对应的未变质AZ91合金由其枝晶相干点温度(图6(a))确定标准枝晶相干点固相分数(^cp)标=0.38，见附图6(b)。f预测热分析检测结果表明变质后，AZ91合金的晶粒尺寸将得到了细化。标准中未变质AZ91合金的平均晶粒尺寸为300 μ m。见附图6(c)。
对变质后AZ91合金完全凝固后的热分析检测样品进行显微组织分析，如图8所示，所得显微组织平均晶粒尺寸为185 4!11，小于标准未变质4291合金。
以上结果表明，变质处理后，AZ91合金枝晶相干点固相分数升高，晶粒尺寸变小， 合金熔体凝固后的晶粒尺寸减小，表明枝晶相干点固相分数f判断晶粒尺寸大小有效， 也即发明的方法和装置实施正确。
结果表明，本发明利用镁合金凝固过程中冷却曲线上的特征参数，建立金属熔体在枝晶相干点时的温度与固相分数的关系，根据枝晶相干点固相分数f，进而确定晶粒尺寸。本发明的具体分析检测步骤如下1.从镁合金熔体中取出定量的镁合金液体 ，浇入专用取样装置中凝固，在凝固试样中心及边沿部位分别获得并建立热分析冷却曲线(分别为 Tc-t, Tw-t) ；2.对两条冷却曲线的温度做差值得出温度差值曲线(AT(Tw_Tc;)-t)，从该曲线上求出枝晶相干点温度。3.对中心部位冷却曲线求导得出冷却速率曲线(dTc/dt-t)。4.采用牛顿基线法，并通过拟合得到中心部位冷却速率曲线的基线，积分计算得出冷却曲线和基线之间的面积，从而求得合金凝固过程中固相分数与温度关系曲线(fs-T)。5.求出枝晶相干温度所对应的固相分数，即为f。通过将测得的/^于标准库中该合金系的标准枝晶相干点固相分数f) g的大小进行比较，从而判定合金铸造组织晶粒尺寸的大小。
本发明方法及检测装置可用于镁合金熔铸现场分析和判定晶粒细化和变质处理效果以及合金元素对晶粒尺寸的影响，有效控制和提高镁合金熔体的冶金质量和半连铸锭、各种铸造工艺方法生产的铸造毛坯的晶粒尺寸，确保熔体晶粒细化的效果。
权利要求
1.一种镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法，其特征在于在镁合金熔铸现场，采用定量镁及镁合金熔体，将其浇注入稳定散热的取样杯中冷却，在镁合金熔体冷却的过程中，采用两根热电偶分别测定凝固过程熔体中心和边沿的温度，用温度采集装置采集温度数据，计算机程序记录熔体凝固过程熔体中心和边沿温度随时间的变化，热分析检测方法步骤如下第一步，建立中心热电偶的热分析冷却曲线和边沿热电偶的热分析冷却曲线；第二步，求出两条冷却曲线温度随时间变化的差值，根据该差值确定熔体凝固过程中的枝晶相干点温度；第三步，对中心热电偶的热分析冷却曲线求导，得出其冷却速率曲线，再利用牛顿基线法确定该冷却速率曲线的基线，通过积分计算得出该冷却曲线和基线之间的面积，从而得出熔体在凝固过程中固相分数与温度的关系曲线，第四步，通过固相分数与温度的关系曲线，确定枝晶相干点的固相分数第五步，将所得枝晶相干点固相分数f与该合金系的标准枝晶相干点固相分数 (Zxp)标进行对比，根据f越大，表明其晶粒尺寸越小的原理，判定变质处理、晶粒细化处理或添加合金元素对镁合金晶粒尺寸的细化或粗化效果。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于采用计算机实现热分析过程数据记录和数据分析；计算机将温度采集装置采集的数据记录存档，将数据导入到数据分析软件， 通过数据分析软件确定枝晶相干点固相分数f，并与标准值比较，进而判定变质处理、晶粒细化处理或添加合金元素对镁合金晶粒尺寸的细化或粗化效果。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于在熔炼现场，严格控制镁合金的冶炼工艺、合金元素添加工艺及变质处理工艺，热分析检测首先预热取样杯，待镁合金熔体温度降至检测温度时，将镁合金熔体倒入取样杯中，然后按照预定冷却方式冷却；所述检测温度，其范围在液相线温度至浇注温度以上200°C之间。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于所述取样杯预热方法为长时间置于预热炉中，或浸泡在熔融的熔剂中；预热温度为50 900°C，所述熔剂为镁合金熔炼专用的熔剂，熔剂温度400 900°C。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于所述预定冷却方式为空冷、炉冷、水冷、油冷或盐浴冷却，冷却速率为O. 01 50°C /S。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于该检测方法适用于镁及各种镁合金的不同处理方法；所述处理方法为过热处理、碳变质、Zr变质或添加合金元素和中间合金的熔体处理过程；所述镁合金包括含Al系镁合金和无Al系镁合金。
7.—种如权利要求1-6任一所述检测方法的专用装置，其特征在于该装置包括取样杯、温度采集装置、计算机记录和分析系统；所述温度采集装置包括边沿热电偶、中心热电偶和模数转换器；各部分连接关系为模数转换器的输入端口分别同边沿热电偶和中心热电偶相连接，模数转换器的输出端口接入计算机记录和分析系统；其控制过程如下取样后温度采集装置开始采集数据，同时计算机记录和分析系统将数据记录存档，待熔体凝固完毕，将数据导入到计算机记录和分析系统中的数据分析软件，计算输出结果。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述取样杯包括上盖、底座和杯桶；上盖和底座为绝热耐火材料，杯桶材料为铜、不锈钢、石墨或陶瓷。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述取样杯为圆筒形，取样杯上盖的中心和边沿各有一个孔，中心热电偶穿过上盖中心的孔，边沿热电偶穿过上盖边沿的孔，中心热电偶和边沿热电偶固定在同一高度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述中心的孔位置为杯桶正中心，边沿的孔位置为与杯桶内壁相切。
全文摘要
本发明提供一种镁合金熔体凝固晶粒尺寸的热分析检测方法与装置，属于镁合金熔体处理和铸造凝固领域。该方法采用定量镁及镁合金熔体，浇入取样杯中冷却，在镁合金熔体冷却的过程中，采用两根热电偶分别测定凝固过程熔体中心和边沿的温度，用温度采集装置采集温度数据，计算机程序记录熔体凝固过程熔体中心和边沿温度随时间的变化，再通过热分析检测方法确定枝晶相干点固相分数，并与标准值比较，判定变质处理、晶粒细化处理或添加合金元素对镁合金晶粒尺寸的细化或粗化效果。本发明并不要求凝固过程中的热分析冷却曲线中出现再辉，特别适合凝固潜热释放较小的镁合金，在较宽凝固速度范围内能够表征变质效果，预报凝固晶粒尺寸。
文档编号G01N25/00GK102998324SQ20111027686
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者陈荣石, 梁松茂, 马跃群, 韩恩厚, 柯伟 申请人:中国科学院金属研究所