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液態(tài)合金表面張力快速檢測及相關(guān)質(zhì)量參數(shù)實時評價
來源：石德全 瀏覽 1413 次 發(fā)布時間:2022-10-27
表面張力是液態(tài)合金重要的物性參數(shù)，它不僅是研究界面反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)，而且在金屬凝固過程和鑄造合金參數(shù)的預(yù)測中起著重要作用，因此，研究液態(tài)合金表面張力的快速檢測方法具有重要的理論價值和實際意義，然而，目前絕大多數(shù)方法都不能夠真正實現(xiàn)液態(tài)合金表面張力的爐前快速檢測。
本文在研究表面張力快速檢測新方法的基礎(chǔ)上，研制適合于爐前快速檢測的表面張力檢測儀，并研究評價液態(tài)合金相關(guān)質(zhì)量參數(shù)的新方法。研究內(nèi)容主要包括液態(tài)合金表面張力理論分析及快速檢測新方法的研究，爐前當(dāng)量表面張力快速檢測儀的研制和求解當(dāng)量表面張力數(shù)學(xué)模型的建立，鑄鐵石墨形態(tài)、鋁硅合金變質(zhì)處理效果、液態(tài)合金充型潛力等質(zhì)量參數(shù)快速評價的方法研究及相應(yīng)評價模型的建立。研究結(jié)果表明，基于新方法的當(dāng)量表面張力快速檢測儀可在爐前快速測得液態(tài)合金的當(dāng)量表面張力，并實時給出相應(yīng)質(zhì)量參數(shù)的非澆注性評價。通過分析最大氣泡壓力法檢測表面張力的原理和過程，認(rèn)為精確測定毛細(xì)管插入液面的深度和嚴(yán)格控制吹出氣泡的速度是氣泡最大壓力法檢測表面張力的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了檢測液態(tài)合金表面張力的新方法——氣泡幅頻當(dāng)量法實施過程中的具體問題，為實現(xiàn)表面張力的快速檢測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
通過對氣泡壓力曲線影響因素的分析和試驗研究，確定了求解當(dāng)量表面張力的基本信息參數(shù)和基本數(shù)學(xué)模型，且毛細(xì)管內(nèi)徑為1.8-2.2mm、外徑3.5-4.0mm、端口磨平、開口向上，出泡速度控制在每秒2-3個氣泡，插入液體深度在可10-20mm內(nèi)變化?；谛路椒ㄑ兄屏水?dāng)量表面張力爐前快速檢測儀，它采用電控電動方式工作，可在10秒鐘內(nèi)測得液態(tài)合金的當(dāng)量表面張力和溫度值。分析了信息參數(shù)的高精度檢測方法，由于毛細(xì)管探頭屬一次性消耗品，設(shè)計的自動升降和鎖緊機構(gòu)可方便的鎖緊/松開探頭和驅(qū)動探頭上下平穩(wěn)運動。通過大量實驗，建立了當(dāng)量表面張力的求解模型，將該求解模型固化于機內(nèi)后，表面張力快速檢測儀爐前檢測液態(tài)合金當(dāng)量表面張力準(zhǔn)確度為：絕對誤差≤±15.0mN/m，相對誤差≤3.0%，溫度的準(zhǔn)度度為：鑄鐵≤±2.5℃，鋁硅合金≤±1℃。
根據(jù)晶體生長理論和相間張力理論分析了鑄鐵凝固過程中石墨形態(tài)與表面張力的變化，表明它們之間確實存在著一定的關(guān)系，完善了表面張力評價鑄鐵石墨形態(tài)的理論基礎(chǔ)。實驗室條件下，通過對鑄鐵大量試驗研究，建立了當(dāng)量表面張力評價鑄鐵石墨形態(tài)的評價模型，即：當(dāng)量表面張力σe≤990mN/m時，石墨形態(tài)為完全的片狀；當(dāng)990≤σe≤1108mN/m時，為片狀石墨和蠕蟲狀石墨共存；當(dāng)1108≤σe≤1283mN/m時，為大量的蠕蟲狀石墨和少量的球狀石墨共存；當(dāng)1283≤σe≤1385mN/m時，為大量的球狀石墨和少量的蠕蟲狀石墨共存；當(dāng)σe≥1385mN/m時，為完全的球狀石墨。該模型的準(zhǔn)確度高于95%。從理論上分析了表面張力評價鋁硅合金變質(zhì)處理效果的可行性，并從試驗上證實：變質(zhì)劑是引起鋁硅合金當(dāng)量表面張力變化的主要因素，而溫度對當(dāng)量表面張力的影響較小。
通過二元共晶鋁硅合金的大量爐前實驗，建立了當(dāng)量表面張力快速評價鋁硅合金變質(zhì)處理效果的模型，即：當(dāng)量表面張力σe≥530mN/m時，變質(zhì)處理效果為變質(zhì)不足，包括未變質(zhì)和部分變質(zhì)，相當(dāng)于AFS的1-2級；當(dāng)400≤σe≤530mN/m時，為變質(zhì)中等，相當(dāng)于AFS的3-4級；當(dāng)σe≤400mN/m時，為變質(zhì)完全，相當(dāng)于AFS的5-6級。實驗證明，該模型的準(zhǔn)確度達(dá)到96%以上。通過合金停止流動通用模型的分析可知：表面張力與液態(tài)合金充潛力(包括充型長度和充填尖角能力)之間存在著固定的關(guān)系，且在鑄型條件、澆注條件和鑄型(鑄件)結(jié)構(gòu)等不變的前提下，可以用液態(tài)合金的當(dāng)量表面張力預(yù)測充型潛力的大小。
為了測試液態(tài)合金的充型潛力，改進(jìn)了評價液態(tài)合金充型長度的裝置，保證澆注溫度和靜壓頭壓力恒定不變；設(shè)計了評價液態(tài)合金充填尖角能力的新裝置，并提出了相應(yīng)的評價參數(shù)和計算方法。分別以HT200和ZL102為例，建立了液態(tài)合金當(dāng)量表面張力與充型長度和充填尖角能力的關(guān)系，為了提高測試精度，測試儀采用查表方法來預(yù)測液態(tài)合金的充型能力，其充型長度預(yù)測結(jié)果的絕對誤差≤±10mm，充填尖角能力≤±3mm-1。