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液態(tài)合金表面張力快速檢測(cè)及相關(guān)質(zhì)量參數(shù)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)
來(lái)源:石德全 瀏覽 658 次 發(fā)布時(shí)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(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ),而且在金屬凝固過(guò)程和鑄造合金參數(shù)的預(yù)測(cè)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(cè)方法具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義,然而,目前絕大多數(shù)方法都不能夠真正實(shí)現(xiàn)液態(tài)合金表面張力的爐前快速檢測(cè)。
本文在研究表面張力快速檢測(cè)新方法的基礎(chǔ)上,研制適合于爐前快速檢測(cè)的表面張力檢測(cè)儀,并研究評(píng)價(jià)液態(tài)合金相關(guān)質(zhì)量參數(shù)的新方法。研究?jī)?nèi)容主要包括液態(tài)合金表面張力理論分析及快速檢測(cè)新方法的研究,爐前當(dāng)量表面張力快速檢測(cè)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(píng)價(jià)的方法研究及相應(yīng)評(píng)價(jià)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(cè)儀可在爐前快速測(cè)得液態(tài)合金的當(dāng)量表面張力,并實(shí)時(shí)給出相應(yīng)質(zhì)量參數(shù)的非澆注性評(píng)價(jià)。通過(guò)分析最大氣泡壓力法檢測(cè)表面張力的原理和過(guò)程,認(rèn)為精確測(cè)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(cè)表面張力的關(guān)鍵,在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了檢測(cè)液態(tài)合金表面張力的新方法——?dú)馀莘l當(dāng)量法實(shí)施過(guò)程中的具體問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)表面張力的快速檢測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
通過(guò)對(duì)氣泡壓力曲線影響因素的分析和試驗(yàn)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(gè)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(cè)儀,它采用電控電動(dòng)方式工作,可在10秒鐘內(nèi)測(cè)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(cè)方法,由于毛細(xì)管探頭屬一次性消耗品,設(shè)計(jì)的自動(dòng)升降和鎖緊機(jī)構(gòu)可方便的鎖緊/松開探頭和驅(qū)動(dòng)探頭上下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn),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(jī)內(nèi)后,表面張力快速檢測(cè)儀爐前檢測(cè)液態(tài)合金當(dāng)量表面張力準(zhǔn)確度為:絕對(duì)誤差≤±15.0mN/m,相對(duì)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(zhǎng)理論和相間張力理論分析了鑄鐵凝固過(guò)程中石墨形態(tài)與表面張力的變化,表明它們之間確實(shí)存在著一定的關(guān)系,完善了表面張力評(píng)價(jià)鑄鐵石墨形態(tài)的理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室條件下,通過(guò)對(duì)鑄鐵大量試驗(yàn)研究,建立了當(dāng)量表面張力評(píng)價(jià)鑄鐵石墨形態(tài)的評(píng)價(jià)模型,即:當(dāng)量表面張力σe≤990mN/m時(shí),石墨形態(tài)為完全的片狀;當(dāng)990≤σe≤1108mN/m時(shí),為片狀石墨和蠕蟲狀石墨共存;當(dāng)1108≤σe≤1283mN/m時(shí),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(shí),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(shí),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(píng)價(jià)鋁硅合金變質(zhì)處理效果的可行性,并從試驗(yàn)上證實(shí):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(duì)當(dāng)量表面張力的影響較小。
通過(guò)二元共晶鋁硅合金的大量爐前實(shí)驗(yàn),建立了當(dāng)量表面張力快速評(píng)價(jià)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(shí),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(jí);當(dāng)400≤σe≤530mN/m時(shí),為變質(zhì)中等,相當(dāng)于AFS的3-4級(jí);當(dāng)σe≤400mN/m時(shí),為變質(zhì)完全,相當(dāng)于AFS的5-6級(jí)。實(shí)驗(yàn)證明,該模型的準(zhǔn)確度達(dá)到96%以上。通過(guò)合金停止流動(dòng)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(zhǎng)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(cè)充型潛力的大小。
為了測(cè)試液態(tài)合金的充型潛力,改進(jìn)了評(píng)價(jià)液態(tài)合金充型長(zhǎng)度的裝置,保證澆注溫度和靜壓頭壓力恒定不變;設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)液態(tài)合金充填尖角能力的新裝置,并提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)和計(jì)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(zhǎng)度和充填尖角能力的關(guān)系,為了提高測(cè)試精度,測(cè)試儀采用查表方法來(lái)預(yù)測(cè)液態(tài)合金的充型能力,其充型長(zhǎng)度預(yù)測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差≤±10mm,充填尖角能力≤±3mm-1。