正交试验法在ZL101A复合变质工艺中的应用

方 勇,刘 彧,梁福顺,薛永军,宗绍迎

（山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

正交试验法在ZL101A复合变质工艺中的应用

方 勇,刘 彧,梁福顺,薛永军,宗绍迎

（山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

运用正交试验法，研究了加入Al-Sb中间合金+ Te复合变质工艺对ZL101A抗拉强度的影响。结果表明，变质处理后，ZL101A合金的抗拉强度显著提高，其组织中α-Al相得到细化，共晶Si相由针、片状转变成短纤维状、颗粒状，合金抗拉强度提高到320 MPa以上。

Al-Sb中间合金；ZL101A；复合变质工艺；正交试验

铸造Al-Si合金具有优良的铸造性能，较高的强度、韧性，以及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能[1]。由于含Si量较高，在铸态下初生α(Al)枝晶较粗大，且分布不均匀，共晶硅呈现针状及片状形态，严重制约合金性能发挥[2]。本文利采用Al-Sb+Te复合变质处理的方法，其中Sb，Te元素具有良好的变质长效性和重熔稳定性，不会对设备和环境造成污染，还能有效地细化晶粒，显著提高铝合金的力学性能。

正交试验设计方法是处理多因素试验的一种科学方法，利用正交试验表合理安排试验，以较少的试验次数就可以判断出较优的试验条件，对试验结果进行简单的统计分析，即可更全面、更系统地掌握试验结果，做出正确判断[3]。

本文运用正交试验方法合理安排变质处理试验，同时应用扫描电镜组织观察，力学性能试验进行效果验证。

1 试验过程

1.1 正交试验设计

变质处理的控制点包括变质温度、搅拌时间及静置处理时间，通过经验将企标中的参数分为710℃、730 ℃、750 ℃；5 min、10 min、15 min；5 min、15 min、25 min。采用L9（34）正交表的前三列进行正交试验，经过试验得出相应方案的综合力学性能。用直观分析法和极差分析法分析试验结果，具体如表1。

表1 正交试验因素、水平表

1.2 试验结果分析

利用极差值法衡量试验中相应因素作用的大小，极差大的因素，定性的说明该因素对试验指标的影响明显，应作为主要因素。我们希望抗拉强度指标越大越好，所以在计算极差值时，我们选择“larger is better”，计算如表2。

表2 极差表

Minitab 制作不同因子在不同水平下的极差变化曲线见图1。

图1 均值主效应图

根据正交试验设计的9组试验得出的抗拉强度，从图1可以看出因素变质温度曲线波动很明显，而搅拌时间和静置时间这个因素相对比较平稳，这就说明变质温度对于试验结果的敏感度最大，为主要影响因素，而搅拌时间和静置时间两因素不显著。

在正交试验结果分析中，极差分析不能估计试验中与试验结果测定中必然存在的误差大小。为了弥补这个缺点，采用方差分析的方法，对各因素的显著性水平给出一个定量分析。

表3 实验因子对抗拉强度的影响分析表

对不同置信度的临界F值可以从F表中查找，F0.05（2，2）=19；F0.1（2，2）=9；F0.25（2，2）=3 ；根据抗拉强度指标方差分析可知：

从方差分析表中看出，F检验后,变质温度，表示有显著影响，而静置时显著性稍差，搅拌时间为不显著。显著水平为：变质温度＞静置时间＞搅拌时间，由上述分析可知最优的水平组合为A2B1C2，对该方案通过软件重新预测在该水平组合下的试验结果如表4。

表4 Minitab 预测抗拉强度

预测结果表明，最优方案（A2B1C2）下的预测结果为328.9 MPa，对比正交试验结果，优于其他方案结果，进行重复性试验验证。

1.3 力学性能测试结果验证

表5 测试结果验证

从实验结果上看，最优方案的抗拉强度达到320.3 MPa以上，虽然小于试验结果，但是对比正交试验的结果，该方案的稳定性是最大的，满足变质处理后性能的要求。

1.4 形貌观察

图2 变质处理的组织形貌

经过该方案变质处理的组织形貌如图2，共晶Si相呈现椭球型和少量的短杆状，弥散分布在晶界处，尺寸大小比较均匀，大部分在5~10 µm之间，说明变质处理较优，且在三强酸腐蚀下，有少量Si相颗粒脱落，说明该合金具有较强的抗腐蚀性。所以方案结果较为理想，为生产应用推广方案。

2 结论

(1)采用3因素3水平正交设计表，考察了变质温度、搅拌时间及静置处理时间对合金抗拉强度的影响。对试验结果进行极差、方差分析，可知显著水平为：变质温度＞静置时间＞搅拌时间，最优的水平组合为A2B1C2。

(2)采用A2B1C2方案进行合金变质处理，合金共晶Si相呈现椭球型和短杆状，弥散分布在晶界处，尺寸均匀，在5~10 µm之间，合金抗拉强度大于320.3 MPa。

[1] 潘复生，张丁非 . 铝合金及应用 [M]. 北京：化学工业出版社，2007:68-73.

[2] 廖恒成. 近共晶Al-Si合金组织细化与力学性能的研究[D]. 南京:东南大学，2000.

[3] 董如何,肖必华 正交实验设计的原理分析方法及应用[J]. 安徽建筑工业学院学报. 12(6):103-106.

[4] 李玉来,周子刚,袁子洲. 基于正交试验的一种Fe-Cr-Ni合金轴套精铸工艺参数优化 [J]. 中国铸造装备与技术 ,2016(2)69-72.

[5] 寇生中,魏代钢,周波,张亚男.一种超级奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的正交试验研究[J].中国铸造装备与技术,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

稿件编号:1609-1536

方勇（1977—），男， 工程师 . 主要从事铝合金铸造工艺技术开发及应用.