原標題：鋁合金鑄造性能及相關參數數據庫研究

摘要

鑄造性能數據的實時檢測和分析處理能夠對合金的鑄造性能做出評估。基于鋁合金鑄造性能的實際需求分析，在鑄造合金凝固特性檢測系統的基礎上，采用C++ Builder的面向對象設計開發一套鋁合金鑄造數據庫系統。通過鑄造合金凝固特性檢測儀對鋁合金在凝固過程時的傳熱、線收縮、熱裂和應力等特征參數進行采集，結合數據庫中有關鑄造鋁合金材料的相關信息，分析鑄造工藝設計過程中參數的形式和特點，從而實現鑄造鋁合金材料的數據采集、查詢、分析、維護和打印等綜合功能。

合金的鑄造性能對鑄件的質量有直接影響。金屬液凝固過程中，鑄件的傳熱、線收縮、熱裂以及應力等現象是生產中常見缺陷的產生原因。若預先了解該合金凝固過程特點，結合數據分析可以更便捷地對合金的凝固特性做出對比評估，則可為后續工藝設計提供科學依據，能夠作為指導鑄造生產的一種手段。

由于鑄造工藝的多樣化，導致鑄造缺陷的產生原因非常復雜，在工藝設計、研究和應用中都需要參考大量的數據。針對鑄造鋁合金凝固過程的數據統計和跟蹤分析，長期通過人工查閱手冊的方式和相關文獻資料查找，過程繁瑣且低效，難以保證數據的可靠性和準確性，需要建立信息量大、功能模塊完備和數據查詢與分析便捷的鋁合金數據庫。

材料專業數據庫已有過許多開發研究。上海理工大學的陶紅等研究設計了非金屬礦物材料數據庫（NMMDBS）查詢檢索系統；孫宇等設計與開發了鈦合金材料數據庫系統，提供了多種方式的數據查詢方法。

本文基于C++ Builder 語言設計了一套鑄造鋁合金數據庫系統，實現對鑄造鋁合金材料的實時數據采集、查詢、分析以及分類整理和存儲等功能。能夠直接對鑄造性能做出評價，為鑄造工藝選擇提供參考價值。而且還能對信息進行管理，為研究鋁合金并開發應用提供一個科學決策窗口和咨詢系統。

1、鑄造鋁合金數據庫

1.1 數據庫開發工具

C++ Builder是一款高性能可視化開發工具，強大的數據庫使應用程序開發更便利，并且能夠提供成熟的數據庫連接技術即BDE（Borland Database Engine）數據庫引擎技術，基本涵蓋Internet應用的全部功能，因此本研究的數據庫開發采用C++Builder開發工具。

1.2 數據庫開發步驟

1.2.1 數據源的建立

鋁合金材料的研究范圍很廣，目前的重點是鑄造鋁合金材料的開發。本數據庫主要是以《鑄造手冊-非鐵合金》中的參考資料為基礎，以鑄造合金凝固性能測試儀的實時試驗數據為主要依據。測試儀裝置圖如圖1所示，測試由傳感器組完成，該部分由一個WDL25型位移傳感器及三個BK-2Y型拉壓力傳感器組成。在澆注金屬液后，三個BK-2Y型拉壓力傳感器與鑄件將形成應力框，測量熱應力；一個拉壓力傳感器可以測定合金的熱裂性能。點擊“現場測試”選項，會彈出工作界面，界面圖像顯示區為上次實驗保存的結果，數據采集系統工作界面如圖2所示。

圖1 鑄造合金凝固特性測試儀裝置圖

1.標題欄 2.測試類型選擇區 3.基本信息區 4.結果顯示區 5.通道設置及測試區 6.圖像顯示區 7.操作記錄區 8.功能選擇區
圖2　測試工作界面

程序界面分區依次為標題欄、測試類型選擇區、基本信息區、結果顯示區、通道設置及測試區、圖像顯示區、操作記錄區及功能選擇區。

（1）點擊“通道設置及測試”的“開始調試”選項。檢查溫度及熱裂通道是否選擇正確，傳感器在實際工作后，其特性會因為線路連接及出廠校驗差異而發生改變。而且由于熱電偶元件小，不恰當的嵌入位置會直接影響熱電偶的測量靈敏度和準確度。所以，調試可以確保設備的三個拉壓力傳感器正常工作，也可以診斷熱電偶斷偶故障。當設備穩定后，點擊“結束調試”完成調試過程。

（2）點擊“操作信息區”選項。完整填寫用戶信息、合金名稱及澆注溫度，選擇凝固特性類型，準備試驗。

（3）點擊“功能選擇區”的“測試”選項。測試模塊是整個程序的核心，選擇不同的測試類型會顯示不同的動態曲線圖，結果顯示區會實時記錄通道數據。選擇線收縮測試時，圖像區實時顯示時間-溫度與時間-位移的曲線圖；選擇熱裂測試時，圖像區實時顯示時間-溫度與時間-應力的曲線圖。試驗每秒鐘測試兩組數據，所以，曲線圖是由無數個相鄰的點連接而成的線。此程序的設計是通過數據庫調取實驗，分析實驗數據組數為n，形成n個坐標，每次調取兩組數，最終以坐標形式顯示在界面中。根據曲線顯示的實際情況選擇“結束”選項即中斷采樣，橫坐標時間最長設置1 000 s，可以保證合金凝固過程的完整性。

（4）點擊“歷史查看”選項。查詢關鍵詞包括測試類型、操作用戶、被測合金名稱和操作時間等。

（5）點擊“數據保存”選項。彈出界面如圖3所示，導出方式有Origin、Word以及Excle，用戶可按需選擇導出方式。

圖3 數據保存彈出界面

（6）點擊“返回”選項。若用戶未選擇“保存”，會彈出提示用戶保存數據的彈窗，若已經保存，系統將跳轉至用戶初始界面。

簡而言之，是將數據庫與測試儀相結合，測試儀完成特征參數的采集功能，而數據庫作為特征參數的參考依據。數據采集主要包括合金凝固過程的溫度變化區間、線收縮、熱應力以及熱裂值等動態參數。實驗數據結果儲存于后臺鋁合金數據庫中，最終整理為符合概念模型和邏輯模型要求的內容與形式。

1.2.2 數據字典的建立

數據字典由數據表組成，數據表的設計與建立通過C++ Builder軟件的數據庫工作平臺（Database DeskTop）。創建步驟是打開C++ Builder開發環境下的Database所屬首位選項的DeskTop菜單載入。若要更新數據表，打開File文件下拉選項中的NewTable，建立好數據表格后可以在數據表中添加和修改數據記錄，符合要求后敲回車鍵確認建立。

1.3 數據庫結構設計

從概念模型來說，鑄造鋁合金數據庫管理系統需要涵蓋鋁合金的相關物理參數和性能指標參數，對不同工藝條件的實驗參數進行整理分析。針對龐雜的鋁合金型號，為了匹配合金名稱和檢索方便，需要對同一牌號的合金進行分類，建立合金名稱字典庫。

從邏輯模型來說，主要對概念模型起數據轉換作用。將鑄造鋁合金相關參數文字轉換為相對應的二維數語言，相關參數的數據庫結構表如表1所示。參數包括合金牌號（codename）、合金名稱（name）、固相線溫度（liq-tem）、液相線溫度（sol-tem）、澆注溫度（pour-tem）、線收縮范圍（line-c）、熱裂環試樣寬度（h-tear1）、熱裂傾向等級（h-tear2）、流動性試樣長度（fluidity1）、流動性等級（fluidity2）。

表1 合金鑄造工藝參數結構表

鋁合金的全部參數的匹配與檢索結構是基于DBMS（Data Management System）關系模型。根據結構對功能進行總體設計。庫內共包括五個子數據庫，分別為用戶信息子庫、合金基本信息子庫、鑄造性能子庫、鑄造工藝子庫、標準子庫。數據庫架構圖如圖4所示。

圖4 數據庫架構圖

2、鑄造鋁合金數據庫模塊功能實現

該數據庫系統為逐層劃分結構，層次分明，設計的模塊可以進行單獨編輯，方便后續不斷完善模塊功能。將各模塊之間的聯系統一，不僅可以進行數據的查詢、管理等基礎工作，還可以對材料的相關領域進行研究和應用，并對其進行數據分析（包括合金凝固曲線的熱分析）、熱裂預測、線收縮預測、應力預測等。具體功能實現描述如下：

（1）創建數據庫文件。

（2）更新數據庫文件。

（3）索引工具。目的是方便查找目標合金。以合金牌號為中心詞，因為不同牌號的合金對應不同的國家標準代號，所以檢索結果會有很多類似項，點擊Compenent-1的選項可以根據用戶需求的查看某一種合金的具體信息或者順序對比信息。數據庫選擇清晰直觀的樹形結構（Tree structure）索引。以鋁硅合金為例，設計界面如圖5所示。數據表顯示當前四個不同牌號的合金。點擊Compenent-1即可改變合金瀏覽順序。顯示界面信息具有數據的增加、插入、取消和保存等功能。通過查詢，可以看到合金澆注的各項參數，點擊此功能，系統會自動輸入合金的編號，從而顯示出有關的澆注參數。

圖5 數據表界面

（4）數據查詢。查詢是數據庫檢索的基本需求，分為直接檢索和高級檢索，用戶可根據需求自行選擇查詢方式。直接檢索即查該材料的屬性信息；高級搜索包含了關于合金的模糊查詢、區域查詢和組合查詢（多個選擇合金的限制）。高級查詢界面如圖6所示。查詢包括合金名稱和數據查詢。為提高人機交互效率，設計了合金字典庫表查詢方式，如表2所示。

圖6 高級查詢界面

表2 合金字典庫表

用合金牌號作為關鍵字，在數據庫中搜索，找到劃分限制最小的合金，再通過特定的名稱去查找合金的詳情，并將其存儲在動態數據中，再查找其他工藝性能參數時便可直接識別合金種類。例如，在ZL201合金的三個參數中，輸入 Cu、Mn等元素后，會出現兩種不同的合金。用銅含量字段來進行區域查詢，只要輸入4.5~5.3的數據，就會得到一套數據資料。為了提高查詢效率，將 Cu分為三個域，即Cu-min，Cu，Cu-max。具體數據表設置如表3所示。

表3 數據字段表

（5）數據排序。如果數據表有一個影響參數，則把這個參數放在最上面，并且字段按大小順序排列。如果存在兩種影響參數，則以數字格式的方式將控制參數置于第一位，由第二區域開始，由小到大依次排列；同樣的設定也適用于多個控制參數。

（6）數據輸出。系統可以根據輸出端口連接外部打印設備打印所需的數據表。

（7）數據管理。數據管理模塊的目的是使管理員和用戶能夠及時地維護數據庫的信息。包含了合金信息的增減、優化和刪除等方面的內容。在人機交互的基礎上，該系統具有很好的擴展性。為了確保數據的正確性與可信度，此模組必須以系統管理員的身份登陸，普通用戶沒有權限。

（8）數據安全。DBMS（Database ManagementSystem）采用的方法是自動訪問控制和強制訪問控制。安全模型圖如圖7所示。

圖7 數據庫系統安全模型

3、試驗驗證

選用ZL114A鋁合金，試驗流程圖如圖8所示，造型材料如表4所示。將ZL114A合金平均切割成1 kg塊狀，放入溫度為250 ℃的電阻爐（型號RJX-45-9）中保溫烘干1 h。將金屬攪拌棒及扒渣工具先進行除銹處理，然后再將氧化鋅涂料均勻涂覆在工具表面，放入電阻爐中烘干。當井式坩堝爐（型號SG-7.5-10）爐溫升至500 ℃后清除雜質，再將ZL114A合金放入熔煉坩堝中，當熔煉溫度升至780 ℃后合金完全熔化，隨即進行除氣處理（10 g六氯乙烷除氣劑），除氣完畢后將熔煉溫度調至720 ℃，保溫穩定10 min后取出坩堝，利用扒渣工具清除溶液表面雜質后立刻澆注。

圖8 試驗流程圖

表4 造型材料質量表

打開設備軟件，點擊調試通道，界面輸入內容包括：用戶信息、合金名稱和澆注溫度。測試類型選擇熱裂測試，ZL114A熱裂測試界面如圖9所示。將數據導出形式選為Origin，數據導出圖如圖10所示。

圖9 ZL114A熱裂測試界面

圖10 ZL114A熱裂測試Origin導出圖

進入導出的Origin界面圖，系統自動識別a、b、c三個特征點。

分析時間與溫度的關系：ZL114A液態合金澆注進入型腔后，熱電偶迅速測出實時溫度，因熱電偶一端位于型腔內部，所以溫度最高點a點實時溫度為616.5 ℃，低于實驗設定的澆注溫度720 ℃。此時砂型溫度仍為室溫，液態合金高溫遇冷，開始析出固相。

從b點（568.2 ℃）開始，出現b-c小平臺，由此推斷，合金正處于結晶晚期階段，釋放結晶潛熱會引起冷卻速度下降。合金從c點開始均勻冷卻，直到完全凝固。

分析時間與應力的關系：即凝固-應力曲線，該曲線能判斷合金凝固產生的應力大小及裂紋生成的時間，從而分析液態合金的熱裂行為。由曲線可以看出，合金慢慢析出固相，曲線處在載荷平臺上，說明合金有產生熱裂的傾向，隨著固相的增多，應力曲線出現上升趨勢，可以說明合金最終無熱裂紋產生。同時，利用所建立的鑄造性能數據庫，可查詢相同合金代號的合金，通過對比分析，對測試結果的評價和分析提供參考。

數據庫顯示界面如圖11所示，側欄顯示登錄的用戶名、“數據庫”及“對比分析”選項，數據庫實時更新。

圖11 數據庫界面顯示圖

檢索有兩種方式，一是選擇輸入關鍵詞，如合金牌號等，二是輸入需要查詢的測試起始日期，檢索結果包括合金牌號、日期、狀態和測試類型。結果可以選擇“上下頁”查看，測試完畢的試驗處于“已入庫”狀態。

4、結論

（1）利用C++ Builder軟件，對鋁合金鑄件的性能和工藝參數進行了設計和開發，并與鑄造合金的凝固特性測試系統相結合，為鑄造工藝的設計提供了依據。

（2）本系統特點：查詢方便高效、檢索自成體系以及各模塊功能獨立靈活，而且在后續試驗中會不斷更新完善。

（3）系統實際運行過程及驗證結果表明：該系統能對鑄造合金的凝固溫度變化、熱裂、熱應力和線收縮凝固特性參數進行測試，檢測結果可實現遠程傳輸，同時檢測結果分析與數據庫相結合，為優化鑄造生產提供參考價值。

作者

王亞男 馬旭梁
哈爾濱理工大學材料科學與工程學院

本文來自：鑄造雜志