正交試驗(yàn)法在ZL101A復(fù)合變質(zhì)工藝中的應(yīng)用

方 勇,劉 彧,梁福順,薛永軍,宗紹迎

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西太原 030027）

正交試驗(yàn)法在ZL101A復(fù)合變質(zhì)工藝中的應(yīng)用

方 勇,劉 彧,梁福順,薛永軍,宗紹迎

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西太原 030027）

運(yùn)用正交試驗(yàn)法，研究了加入Al-Sb中間合金+ Te復(fù)合變質(zhì)工藝對ZL101A抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，變質(zhì)處理后，ZL101A合金的抗拉強(qiáng)度顯著提高，其組織中α-Al相得到細(xì)化，共晶Si相由針、片狀轉(zhuǎn)變成短纖維狀、顆粒狀，合金抗拉強(qiáng)度提高到320 MPa以上。

Al-Sb中間合金；ZL101A；復(fù)合變質(zhì)工藝；正交試驗(yàn)

鑄造Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，較高的強(qiáng)度、韌性，以及良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能[1]。由于含Si量較高，在鑄態(tài)下初生α(Al)枝晶較粗大，且分布不均勻，共晶硅呈現(xiàn)針狀及片狀形態(tài)，嚴(yán)重制約合金性能發(fā)揮[2]。本文利采用Al-Sb+Te復(fù)合變質(zhì)處理的方法，其中Sb，Te元素具有良好的變質(zhì)長效性和重熔穩(wěn)定性，不會對設(shè)備和環(huán)境造成污染，還能有效地細(xì)化晶粒，顯著提高鋁合金的力學(xué)性能。

正交試驗(yàn)設(shè)計方法是處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，利用正交試驗(yàn)表合理安排試驗(yàn)，以較少的試驗(yàn)次數(shù)就可以判斷出較優(yōu)的試驗(yàn)條件，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的統(tǒng)計分析，即可更全面、更系統(tǒng)地掌握試驗(yàn)結(jié)果，做出正確判斷[3]。

本文運(yùn)用正交試驗(yàn)方法合理安排變質(zhì)處理試驗(yàn)，同時應(yīng)用掃描電鏡組織觀察，力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)過程

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

變質(zhì)處理的控制點(diǎn)包括變質(zhì)溫度、攪拌時間及靜置處理時間，通過經(jīng)驗(yàn)將企標(biāo)中的參數(shù)分為710℃、730 ℃、750 ℃；5 min、10 min、15 min；5 min、15 min、25 min。采用L9（34）正交表的前三列進(jìn)行正交試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)得出相應(yīng)方案的綜合力學(xué)性能。用直觀分析法和極差分析法分析試驗(yàn)結(jié)果，具體如表1。

表1 正交試驗(yàn)因素、水平表

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用極差值法衡量試驗(yàn)中相應(yīng)因素作用的大小，極差大的因素，定性的說明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響明顯，應(yīng)作為主要因素。我們希望抗拉強(qiáng)度指標(biāo)越大越好，所以在計算極差值時，我們選擇“l(fā)arger is better”，計算如表2。

表2 極差表

Minitab 制作不同因子在不同水平下的極差變化曲線見圖1。

圖1 均值主效應(yīng)圖

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計的9組試驗(yàn)得出的抗拉強(qiáng)度，從圖1可以看出因素變質(zhì)溫度曲線波動很明顯，而攪拌時間和靜置時間這個因素相對比較平穩(wěn)，這就說明變質(zhì)溫度對于試驗(yàn)結(jié)果的敏感度最大，為主要影響因素，而攪拌時間和靜置時間兩因素不顯著。

在正交試驗(yàn)結(jié)果分析中，極差分析不能估計試驗(yàn)中與試驗(yàn)結(jié)果測定中必然存在的誤差大小。為了彌補(bǔ)這個缺點(diǎn)，采用方差分析的方法，對各因素的顯著性水平給出一個定量分析。

表3 實(shí)驗(yàn)因子對抗拉強(qiáng)度的影響分析表

對不同置信度的臨界F值可以從F表中查找，F(xiàn)0.05（2，2）=19；F0.1（2，2）=9；F0.25（2，2）=3 ；根據(jù)抗拉強(qiáng)度指標(biāo)方差分析可知：

從方差分析表中看出，F(xiàn)檢驗(yàn)后,變質(zhì)溫度，表示有顯著影響，而靜置時顯著性稍差，攪拌時間為不顯著。顯著水平為：變質(zhì)溫度＞靜置時間＞攪拌時間，由上述分析可知最優(yōu)的水平組合為A2B1C2，對該方案通過軟件重新預(yù)測在該水平組合下的試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 Minitab 預(yù)測抗拉強(qiáng)度

預(yù)測結(jié)果表明，最優(yōu)方案（A2B1C2）下的預(yù)測結(jié)果為328.9 MPa，對比正交試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)于其他方案結(jié)果，進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 力學(xué)性能測試結(jié)果驗(yàn)證

表5 測試結(jié)果驗(yàn)證

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，最優(yōu)方案的抗拉強(qiáng)度達(dá)到320.3 MPa以上，雖然小于試驗(yàn)結(jié)果，但是對比正交試驗(yàn)的結(jié)果，該方案的穩(wěn)定性是最大的，滿足變質(zhì)處理后性能的要求。

1.4 形貌觀察

圖2 變質(zhì)處理的組織形貌

經(jīng)過該方案變質(zhì)處理的組織形貌如圖2，共晶Si相呈現(xiàn)橢球型和少量的短桿狀，彌散分布在晶界處，尺寸大小比較均勻，大部分在5~10 μm之間，說明變質(zhì)處理較優(yōu)，且在三強(qiáng)酸腐蝕下，有少量Si相顆粒脫落，說明該合金具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。所以方案結(jié)果較為理想，為生產(chǎn)應(yīng)用推廣方案。

2 結(jié)論

(1)采用3因素3水平正交設(shè)計表，考察了變質(zhì)溫度、攪拌時間及靜置處理時間對合金抗拉強(qiáng)度的影響。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差、方差分析，可知顯著水平為：變質(zhì)溫度＞靜置時間＞攪拌時間，最優(yōu)的水平組合為A2B1C2。

(2)采用A2B1C2方案進(jìn)行合金變質(zhì)處理，合金共晶Si相呈現(xiàn)橢球型和短桿狀，彌散分布在晶界處，尺寸均勻，在5~10 μm之間，合金抗拉強(qiáng)度大于320.3 MPa。

[1] 潘復(fù)生，張丁非 . 鋁合金及應(yīng)用 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:68-73.

[2] 廖恒成. 近共晶Al-Si合金組織細(xì)化與力學(xué)性能的研究[D]. 南京:東南大學(xué)，2000.

[3] 董如何,肖必華 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計的原理分析方法及應(yīng)用[J]. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報. 12(6):103-106.

[4] 李玉來,周子剛,袁子洲. 基于正交試驗(yàn)的一種Fe-Cr-Ni合金軸套精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化 [J]. 中國鑄造裝備與技術(shù) ,2016(2)69-72.

[5] 寇生中,魏代鋼,周波,張亞男.一種超級奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能的正交試驗(yàn)研究[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2009(2)40-43.

Application of orthogonal experiment design in ZL101A compound modifi cation

FANG Yong, LIU Yu, LIANG FuShun, ZONG ShaoYing,XUE YongJun
(ShanXi Fenxi heavy industry Co., Ltd., Taiyuan 030027,Shanxi,China)

The influence of the addition of Al-Sb +Te composite modification on the microstructure and properties of Zl101A alloy was studied by the orthogonal experiment. The result show that the tensile strength of the alloy was signifi cant increased after modifi cation，the microstructure of the Al-phase was refi ne ，and the Si phase was composed of needle like，lamellar into a spherical shape and short rod shape. The tensile strength of the alloy is increased 320 MPa.

Al-Sb；ZL101A；orthogonal experiment；modifi cation

TG146.21；

A；

1006-9658（2017）02-0023-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.008

2016-09-22

稿件編號:1609-1536

方勇（1977—），男， 工程師 . 主要從事鋁合金鑄造工藝技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用.