正交試驗法在ZL101A復合變質工藝中的應用

方 勇,劉 彧,梁福順,薛永軍,宗紹迎

（山西汾西重工有限責任公司，山西太原 030027）

正交試驗法在ZL101A復合變質工藝中的應用

方 勇,劉 彧,梁福順,薛永軍,宗紹迎

（山西汾西重工有限責任公司，山西太原 030027）

運用正交試驗法，研究了加入Al-Sb中間合金+ Te復合變質工藝對ZL101A抗拉強度的影響。結果表明，變質處理后，ZL101A合金的抗拉強度顯著提高，其組織中α-Al相得到細化，共晶Si相由針、片狀轉變成短纖維狀、顆粒狀，合金抗拉強度提高到320 MPa以上。

Al-Sb中間合金；ZL101A；復合變質工藝；正交試驗

鑄造Al-Si合金具有優良的鑄造性能，較高的強度、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，在鑄態下初生α(Al)枝晶較粗大，且分布不均勻，共晶硅呈現針狀及片狀形態，嚴重制約合金性能發揮[2]。本文利采用Al-Sb+Te復合變質處理的方法，其中Sb，Te元素具有良好的變質長效性和重熔穩定性，不會對設備和環境造成污染，還能有效地細化晶粒，顯著提高鋁合金的力學性能。

正交試驗設計方法是處理多因素試驗的一種科學方法，利用正交試驗表合理安排試驗，以較少的試驗次數就可以判斷出較優的試驗條件，對試驗結果進行簡單的統計分析，即可更全面、更系統地掌握試驗結果，做出正確判斷[3]。

本文運用正交試驗方法合理安排變質處理試驗，同時應用掃描電鏡組織觀察，力學性能試驗進行效果驗證。

1 試驗過程

1.1 正交試驗設計

變質處理的控制點包括變質溫度、攪拌時間及靜置處理時間，通過經驗將企標中的參數分為710℃、730 ℃、750 ℃；5 min、10 min、15 min；5 min、15 min、25 min。采用L9（34）正交表的前三列進行正交試驗，經過試驗得出相應方案的綜合力學性能。用直觀分析法和極差分析法分析試驗結果，具體如表1。

表1 正交試驗因素、水平表

1.2 試驗結果分析

利用極差值法衡量試驗中相應因素作用的大小，極差大的因素，定性的說明該因素對試驗指標的影響明顯，應作為主要因素。我們希望抗拉強度指標越大越好，所以在計算極差值時，我們選擇“larger 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 均值主效應圖

根據正交試驗設計的9組試驗得出的抗拉強度，從圖1可以看出因素變質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，這就說明變質溫度對于試驗結果的敏感度最大，為主要影響因素，而攪拌時間和靜置時間兩因素不顯著。

在正交試驗結果分析中，極差分析不能估計試驗中與試驗結果測定中必然存在的誤差大小。為了彌補這個缺點，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 實驗因子對抗拉強度的影響分析表

對不同置信度的臨界F值可以從F表中查找，F0.05（2，2）=19；F0.1（2，2）=9；F0.25（2，2）=3 ；根據抗拉強度指標方差分析可知：

從方差分析表中看出，F檢驗后,變質溫度，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：變質溫度＞靜置時間＞攪拌時間，由上述分析可知最優的水平組合為A2B1C2，對該方案通過軟件重新預測在該水平組合下的試驗結果如表4。

表4 Minitab 預測抗拉強度

預測結果表明，最優方案（A2B1C2）下的預測結果為328.9 MPa，對比正交試驗結果，優于其他方案結果，進行重復性試驗驗證。

1.3 力學性能測試結果驗證

表5 測試結果驗證

從實驗結果上看，最優方案的抗拉強度達到320.3 MPa以上，雖然小于試驗結果，但是對比正交試驗的結果，該方案的穩定性是最大的，滿足變質處理后性能的要求。

1.4 形貌觀察

圖2 變質處理的組織形貌

經過該方案變質處理的組織形貌如圖2，共晶Si相呈現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，說明變質處理較優，且在三強酸腐蝕下，有少量Si相顆粒脫落，說明該合金具有較強的抗腐蝕性。所以方案結果較為理想，為生產應用推廣方案。

2 結論

(1)采用3因素3水平正交設計表，考察了變質溫度、攪拌時間及靜置處理時間對合金抗拉強度的影響。對試驗結果進行極差、方差分析，可知顯著水平為：變質溫度＞靜置時間＞攪拌時間，最優的水平組合為A2B1C2。

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

[1] 潘復生，張丁非 . 鋁合金及應用 [M]. 北京：化學工業出版社，2007:68-73.

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

[3] 董如何,肖必華 正交實驗設計的原理分析方法及應用[J]. 安徽建筑工業學院學報. 12(6):103-106.

[4] 李玉來,周子剛,袁子洲. 基于正交試驗的一種Fe-Cr-Ni合金軸套精鑄工藝參數優化 [J]. 中國鑄造裝備與技術 ,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研究[J].中國鑄造裝備與技術,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開發及應用.