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，爐前當量表面張力快速檢測儀的研制和求解當量表面張力數(shù)學模型的建立，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，認為精確測定毛細管插入液面的深度和嚴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，確定了求解當量表面張力的基本信息參數(shù)和基本數(shù)學模型，且毛細管內(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。基于新方法研制了當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)合金當量表面張力準確度為：絕對誤差≤±15.0mN/m，相對誤差≤3.0%，溫度的準度度為：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，建立了當量表面張力評價鑄鐵石墨形態(tài)的評價模型，即：當量表面張力σe≤990mN/m時，石墨形態(tài)為完全的片狀；當990≤σe≤1108mN/m時，為片狀石墨和蠕蟲狀石墨共存；當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σe≥1385mN/m時，為完全的球狀石墨。該模型的準確度高于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量表面張力變化的主要因素，而溫度對當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)，相當于AFS的1-2級；當400≤σe≤530mN/m時，為變質(zhì)中等，相當于AFS的3-4級；當σe≤400mN/m時，為變質(zhì)完全，相當于AFS的5-6級。實驗證明，該模型的準確度達到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。