运用正交试验法优选合金成分，开发新型高强度压铸铝合金材料

随着电子通讯、交通运输等行业的发展需求，迫切需要开发出一种新型的高强度压铸铝合金。这种铝合金，同时还需综合考虑其它力学性能指标和导热系数以及耐腐蚀能力等性能指标的优化。
在研究的过程中，不但要考虑各种元素对该种铝合金的影响程度，同时也要考虑到各种元素之间的交互作用。因此，在试验的过程中，通过正交试验方法，可达到成分及综合性能指标优选的目的。

1.成分控制范围的初步选择
为提高压铸铝合金的强度及综合性能，在成分设计上，需要充分考虑各主要合金元素以及它们相互之间的作用。
硅可改善流动性，提高抗拉强度、硬度、高温强度以及亚共晶时的切削性能，提高在中等酸性环境中的耐蚀性，可降低热裂倾向。但会使伸长率降低。
铜含量超过1.25%时可以明显增加合金的强度与硬度以及耐热性能，但会增加热裂倾向，同时降低耐蚀性。
锰可提高铝合金的强度，抑制铁元素的有害作用，提高耐热和耐蚀性能，但锰过高会降低导热率。
锌可提高抗拉强度、硬度，但会降低伸长率。
综合研究后初步确定出几个主要合金元素的试验范围：
Si：5.8－10.3%，Cu：1.5－4.5%，Mn：0.2－0.5%，Zn：6.5－11.0%。
2.正交试验设计
综合考虑几个主要合金元素的影响作用，对Si、Cu、Mn、Zn四个元素的成分分别设定了三个水平控制段。其中：Si的三个水平段为：A1：5.8－7.3％，A2：7.3－8.8％，A3：8.8－10.3％；Cu的三个水平段为：B1：1.5－2.5％，B2：2.5－3.5％，B3：3.5－4.5％；Mn的三个水平段为：C1：0.2－0.3％，C2：0.3－0.4％，C3：0.4－0.5％；Zn的三个水平段为：D1：6.5－8.0％，D2：8.0－9.5％，D3：9.5－11.0％。
根据四个元素的三个水平控制段，设计了正交试验的因素水平表，见表1。
表1：    正交试验因素水平表


选取正交表L9（34），运用电脑随机法选取组合形式，设计出四因素三水平的正交试验方案，见表2。
表2：       正交试验方案

3.正交试验结果
整个试验过程均采用相同的工艺，在石墨坩埚炉中进行。考虑到需进行性能的综合优化，确定对方案中的每一次试验均进行八项指标的检验。其中抗拉强度为普通铸态下的抗拉强度（以下同），盐雾腐蚀测试的结果为对腐蚀程度的相对轻重作定性排序。整个正交试验的检验结果见表3。
表3：                        正交试验检验结果


4.试验结果分析
4.1极差分析
极差是各个检验指标中各个水平对应的试验数据平均值的最大值与最小值之差。极差值越大，表示该因素在试验范围内的数值变化对试验指标数值的变化影响越大。因而，极差的排序反映出各因素对该项指标影响程度的先后排序。
4.1.1抗拉强度的极差分析（见表4）
表4：        抗拉强度极差分析表

表4极差分析的结果得出，四种元素对抗拉强度的影响程度顺序为：
R(Zn)>R(Mn)>R(Si)>R(Cu)。
4.1.2伸长率的极差分析（见表5）
表5：        伸长率极差分析表

表5极差分析的结果得出，四种元素对伸长率的影响程度顺序为：
R(Zn)>R(Cu)>R(Mn)>R(Si)。
4.1.3硬度的极差分析（见表6）
表6：           硬度极差分析表

表6极差分析的结果得出，四种元素对硬度的影响程度顺序为：
R(Zn)>R(Cu)>R(Si)>R(Mn)。
4.1.4屈强比的极差分析（见表7）
表7：      屈强比极差分析表

表7极差分析的结果得出，四种元素对屈强比的影响程度顺序为：
R(Mn)>R(Zn)>R(Cu)>R(Si)。
4.1.5导热系数的极差分析（见表8）
表8：        导热系数极差分析表
         
表8极差分析的结果得出，四种元素对导热系数的影响程度顺序为：
R(Cu)>R(Si)>R(Mn)>R(Zn)。
4.1.6冲击韧性的极差分析（见表9）
表9：      冲击韧性极差分析表

表9极差分析的结果得出，四种元素对冲击韧性的影响程度顺序为：
R(Cu)>R(Si)>R(Zn)>R(Mn)。
4.1.7抗压强度的极差分析（见表10）
表10：        抗压强度极差分析表

表10极差分析的结果得出，四种元素对抗压强度的影响程度顺序为：
R(Mn)>R(Cu)>R(Zn)>R(Si)。
4.1.8盐雾腐蚀程度的极差分析（见表11）
表11：   盐雾腐蚀程度极差分析表

表11极差分析的结果得出，四种元素对盐雾腐蚀程度的影响顺序为：
R(Mn)>R(Si)>R(Zn)>R(Cu)。
4.2影响因素的主次分析
在以上八项指标的极差分析中，各元素的影响顺序都不相同。因此，需要对四种元素在八项指标检验的极差最大值排序中所出现的先后频次来进行对比，综合找出四种元素的影响主次顺序。
八项指标的极差最大值排序见表12。
表12：         各项指标极差最大值排序表

从表12可看出：
元素Si极差最大值排序2的3次，排序3的两次，排序4的3次。
元素Cu极差最大值排序1的两次，排序2的3次，排序3的1次，排序4的两次。
元素Mn极差最大值排序1的3次，排序2的1次，排序3的两次，排序4的两次。
元素Zn极差最大值排序1的3次，排序2的1次，排序3的3次，排序4的1次。
通过对Si、Cu、Mn、Zn四种元素极差最大值排序出现的频次对比，得出对八项指标数据影响程度主次顺序的元素为：Zn－Mn－Cu－Si。
5.成分优选
正交试验的作用是可以用较少的试验次数找到最优或较优的方案。这个最优或较优的方案不一定出现在所安排的9次试验当中，需要通过分析来进行优选。
5.1Si的成分优选
在八项指标中，Si的水平综合平均值见表13。
表13：                  Si各指标水平综合平均值对照表

在三组水平综合平均值中，抗拉强度的数值相差不大；伸长率数值以k2组为最优，均比k1、k3组大10%以上；硬度数值k3最高，不宜选取，k1、k2相近且比较适中；屈强比数值以0.8较好，k2最接近该值；导热系数三组的数值相差不大；冲击韧性数值k3最低，k1最高，k2比k1略低，k1、k2均可作为备选；抗压强度数值k2最高；盐雾腐蚀程度数值越小越好，k3最大，k1最小，k2比k1略高，k1、k2均可作为备选。
综合考虑了上述各组数值间的关系后，确定Si的水平综合平均值选k2。
5.2Cu 的成分优选
在八项指标中，Cu的水平综合平均值见表14。
表14：                   Cu各指标水平综合平均值对照表

在三组水平综合平均值中，抗拉强度数值k3最低，k1最高，k2比k1略低，k1、k2均可作为备选；伸长率数值k2最大，比k1大7%，比k3大49%，以k2为最佳；硬度数值k3最高，不宜选取，k1、k2相近且较为适中；屈强比数值k1最小，k2、k3相差不大且偏离0.8不多，可作为备选；导热系数数值k2最大；冲击韧性数值k2最大；抗压强度数值k3最大，k2最小，该指标在选取时只作为辅助指标来考虑；盐雾腐蚀程度数值k1最小，k2居中，k3最大。
综合考虑了上述各组数值间的关系后，确定Cu的水平综合平均值选k2。
5.3Mn的成分优选
在八项指标中，Mn的水平综合平均值见表15。
表15：                   Mn各指标水平综合平均值对照表

在三组水平综合平均值中，抗拉强度数值k2最大，k1比k2略低，可作为备选；伸长率数值k2最大且比k1、k3高出的幅度较明显；硬度数值k3最高，不宜选取，k1、k2相近，可作为备选；屈强比数值k2最接近0.8；导热系数三组数值相差不大；冲击韧性数值k2最大；抗压强度数值k2最大；盐雾腐蚀程度k2最小且比k1、k3低的幅度较明显。
综合考虑了上述各组数值间的关系后，确定Mn的水平综合平均值选k2。
5.4Zn的成分优选
在八项指标中，Zn的水平综合平均值见表16。
表16：                    Zn各指标水平综合平均值对照表

在三组水平综合平均值中，抗拉强度数值k1最大，k2最小，k3居中；伸长率数值k3最大且比k1、k2高出的幅度较明显；硬度数值k1最高，不宜选取，k2、k3可作为备选；屈强比数值k3最接近0.8；导热系数数值三组相差均不大；冲击韧性数值k3最大；抗压强度数值k1最大，k3最小，该指标在选取时只作为辅助指标来考虑；盐雾腐蚀程度数值k3最小。
综合考虑了上述各组数值间的关系后，确定Zn水平综合平均值选k3。
5.5成分最优方案的确定
经过以上分别对Si、Cu、Mn、Zn的成分优选后，得出的成分最优方案为Si：k2，即对应A2的控制范围；Cu：k2，即对应B1的控制范围；Mn：k2，即对应C2的控制范围；Zn：k3，即对应D1的控制范围。具体对应正交试验方案的成分控制范围见表17。
表17：      主要合金成分最优方案

对照正交试验方案，优选出的最优方案并不落在9次的试验当中，这正是通过对9次试验数据的运算和分析后推演出的最优方案的结果。
6.优选方案的验证
根据优选出的成分方案，采用相同的工艺在石墨坩埚炉进行了熔炼试验，其各项指标的检验数值见表18。
表18：                     最优方案试验检验结果

从表中数据可以看出，各项指标的综合性能确实落在比较好的结果水平上。
随后，按此方案再重复进行了熔炼试验，其性能指标很接近，说明该优选方案可行，具有较好的重现性和稳定性。
7.结论
7.1正交试验法可以通过最少的试验次数寻找到所选因素控制范围内所有可能组合中的最优或较优组合方案。它应用在开发多项指标性能要求的新产品中，是寻找和探索最优或较优方案的一种科学、有效的方法。
7.2针对所研究的新型高强度压铸铝合金材料，通过四因素三水平八指标的正交试验设计方案，经过试验优选出的最优成分方案为Si：7.3－8.8%，Cu：1.5－2.5%，Mn：0.3－0.4%，Zn：6.5－8.0%。
7.3最优方案的试验数据表明，所开发的新型高强度压铸铝合金材料在其它指标综合性能均较好的同时，可实现普通铸态下抗拉强度255.5MPa的水平，压铸抗拉强度一般约为普通铸态的1.3－1.4倍，可满足目前电子通讯行业高强度压铸件对铝合金材料的要求。

参考文献：
[1] 陈胜迁 陈立 宋新华. 《基于正交试验的ZL102铝合金热处理工艺优化》  《特种铸造及有色合金》2015年第7期。
[2]《正交试验法在冶金工业中的应用》  冶金工业出版社  1977年10月第一版。
[3] 关颖男 施大德 编译. 《试验设计方法入门》  冶金工业出版社  1985年10月第一版。

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