[科普中国]-热分析仪器

热分析法

差示扫描量法（DSC - Differential Scanning calorimeters），分为功率补偿式和热流式。功率补偿式DSC可以进行定量热量，能够从测量曲线峰面积中获得试样放热或吸热量。

热重分析法(TG-Thermogravimetric Analyzers) ，可以测试在加温过程中被测试的试样质量的变化，并可以通过质量变化曲线分析物质特性改变的温度点，和物性改变中的吸热或放热，以研究试样的的热特性。

差热分析法(DTA-Microcumputer Differential Thermal Analyzers)，是应用最为广泛的一种热分析技术。将被测样品与参考样品同时放在相同的环境中同时升温，测试被测样品的温度变化，并将测试样品与参考样品的温度差记录下来，绘制成温度差曲线，以分析被测试样的热性能。

除了以上三种常用的热分析方法，还有热机械测量法、热膨胀测量法等方法。这些热分析方法已经广泛应用于金属、陶瓷、复合材料、涂层材料、耐火材料、高分子材料等的科研、生产领域。

气密性问题及检漏方法热分析实验中仪器的气密性好坏是影响测试结果客观性和准确性的重要因素之一，但在实际测试中却往往被忽视。

热分析仪器气路流程图1和图2分别是SDT Q600差热－热重同步测定仪（简称Q600 SDT）和Q50 热重分析仪（简称Q50TGA）的气路流程模块示意图。为方便实验气氛的切换和调整，两类仪器均设置了A 和B2个进气口，一般情况下，A口连接高氮，B口连接空气。

对于Q600SDT，由气体切换器C选择其中一路气体进入质量流量计D，限定流量后从天平室后侧的底部吹入天平室E，扩散后再从天平室前侧中间出口吹向加热炉。

对于Q50TGA，从A口进入仪器的高氮被分成两路，一路经质量流量计D2限定流量后进入天平室E，扩散后再向下吹入加热炉F；另一路则和空气一起作为实验气氛，等待气体切换器C的选择，通过质量流量计D1定量后进入加热炉。

热分析仪器气密性分析从Q600SDT气体流经的路线来分析，可能影响测试结果的空气（氧气）来源可以分为以下两类：

（1）仪器气密性不佳导致外部空气渗入。炉子与天平室接触的端面、天平室盖子安装面是实验和维修（更换或调整热电偶）时经常运动或必须涉及到的地方，也是比较容易发生漏气的地方。一旦存在漏气问题，漏气量将比较恒定，不会被氮气稀释除净，对测试结果的影响是长久且恒定的。而气体切换器、质量流量计等集合在仪器主机内部，不为使用者所接触，漏气的概率非常小。

（2）仪器内部残余空气的影响。当实验气氛由空气切换到氮气时，天平室内的空气不能立即排净，只会随着氮气的流入而逐渐稀释。另外，实验之初炉腔内也有一些残余的空气，它们对实验的影响是临时的且逐渐减弱的，到一定时候就会消除。与Q600SDT相比，Q50TGA 的气密性情况要好得多。因为在日常维修中不需要打开天平室，气路设计上又专门有保护气体（高纯氮气）固定吹扫天平室，不受实验气氛切换的影响，因而排除了天平室残留空气的可能性，也不存在天平室方面漏气的问题。需要关注的地方主要就是炉子与天平室接触的端口1。

使用过程中应注意的问题1 几种炉前铁水管理的对比

炉前采用经验管理，不使用任何检测仪器的铸造生产厂家：炉前铁水管理仅仅依靠经验，凭老工人的熟练程度、责任心、工作态度是早应被淘汰的。铁水的成份波动，人工很难控制在要求的相应范围内。在我们的服务企业中，年产300 吨的一些小厂，一年的材质废品损失便是数套热分析仪器的价格，更不用说相应的能耗浪费、工时损耗、市场信誉等等价值损失。有化学和光谱等成分分析仪器，不再使用热分析仪器的厂家：性状判定是热分析仪器的独特地方，任何其它成分分析方法都不能代替。快速的特点也是光谱分析、化学分析不能相比的优势。仪器使用方便，应用于现场，日常使用费用和维护费用与其他成分分析方法比较起来更低。使用和维护等综合费用也是热分析仪器应该在铸造工厂推广的原因之一。

2 样杯的使用问题

a) 对于成分分析，一定取未孕育的原铁水浇入样杯

b) 注入铁水温度最好高于初晶温度50℃，温度低则不能测定出初晶温度，温度太高则容易熔断热电偶丝。

c) 注入铁水量要求充满样杯体积的90%－100%，太少则温度平台变陡，不能识别出正确的特征点，太多时铁水溢出使成分及性能测定样杯中的添加剂丢失，不能发挥作用。在球化率测定中铁水量还引起样杯的热容量变化。

d) 一次测量完成后，尽快取下用过的样杯，避免样杯座温度升高，影响以后测量精度。

3 冷却曲线异常的问题

a) 冷却曲线TL明显，但共晶温度出现回升，Ts测试失败，见图3。

原因：1）样杯中少Te或无Te；

2）铁水中微量元素干扰（Ti）;

3）孕育后铁水，强烈的孕育作用抵消了白口化元素的作用。

b) 冷却曲线无TL点，但Ts平台存在，见图4。

原因：1）浇注温度低于初晶温度；

2）铁水碳当量太高或太低，超出仪器的测量范围。

c) 初晶平台出现过冷，见图5。

原因：一些合金元素在初晶阶段放出大量结晶潜热。高Cr 铸铁发生此现象的情况多。

4 仪器的接地问题

在大功率的电气设备附近使用热分析仪器，曲线的形状有时出现锯齿状或共晶平台处出现温度漂移，造成测量失败。此时，补偿导线及仪器的屏蔽是关键问题，一定要单独做地线，保证绝缘电阻小于1欧姆。

5 合金铸铁问题

特殊的合金铸铁，由于合金元素的含量偏大，合金元素对冷却曲线的影响程度要大于金属液体中的碳、硅对曲线的影响。虽然CE%、C%、Si%都在仪器的测量范围之内，但也不能很准确测量该种铁水的相应成分。上海、广州、秦皇岛等都有这一情况的发生。

6 其它

a) 高磷铸铁问题:高磷铸铁中，磷的作用相当于1/3的硅，对硅的成份分析有很大的影响，使用时需进行特殊处理。

b) 冲天炉熔炼时，偶尔的共晶再辉，除少数白口元素丢失或铁水倒多白口化元素作用减弱外，大多数客户是由于炉料中微量元素的偶然变化所造成。

c) 一些孕育后的铁水，也能直接用白口化样杯进行测量，但当使用强烈孕育效果的孕

育剂后，可能又不能测量了，需要改在孕育前使用2。