基于正交試驗的過共晶Al-20Si合金變質(zhì)工藝優(yōu)化設(shè)計

趙 嵐，楊明曉，高 堯，張 余，童 先（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.材料工程系，b.汽車與機械工程學(xué)院，浙江溫州325003；2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，浙江溫州325003）

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基于正交試驗的過共晶Al-20Si合金變質(zhì)工藝優(yōu)化設(shè)計

趙 嵐1a，楊明曉1a，高 堯1a，張 余1b，童 先1，2
（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.材料工程系，b.汽車與機械工程學(xué)院，浙江溫州325003；
2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，浙江溫州325003）

摘 要：基于L9（34）正交試驗，本文對過共晶Al-20Si合金進行變質(zhì)處理。通過直觀和方差分析，確定最佳的變質(zhì)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：正交試驗最佳的工藝參數(shù)為A2B2C1D2，變質(zhì)工藝參數(shù)為0.04%的P添加量，0.6%的RE混合稀土添加量，20 min的變質(zhì)時間以及780℃的變質(zhì)溫度，此時初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，平均尺寸為24.84 μm，共晶硅相細化明顯；因素A（P添加量）對變質(zhì)效果有顯著影響，B、C、D因素（分別為RE混合稀土添加量、變質(zhì)時間和變質(zhì)溫度）對變質(zhì)效果有一定的影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時間。

關(guān)鍵詞：過共晶Al-20Si合金；正交試驗；變質(zhì)處理；組織形貌

過共晶Al-Si合金因其具有較高的比強度、優(yōu)良的耐磨蝕性能和導(dǎo)熱性能、出色的鑄造性能以及良好的機械加工性能，被廣泛應(yīng)用于汽缸體、發(fā)動機活塞等汽摩配件上［1-4］。然而，組織中粗大的塊狀或十字狀初生Si相和針狀的共晶Si相極易造成內(nèi)應(yīng)力的聚集，嚴(yán)重時將割裂基體，造成產(chǎn)品失效斷裂［5-6］。因此過共晶Al-Si合金若不經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)處理，很難被運用到實際生產(chǎn)中。本文通過設(shè)計正交試驗，研究了P和RE混合稀土添加量以及變質(zhì)時間和變質(zhì)溫度對過共晶Al-20Si合金組織的影響，依據(jù)直觀和方差分析，確定最佳的初生Si相變質(zhì)工藝參數(shù)。

1.樣制備和試驗方案

1.1.樣制備

在過共晶Al-20Si合金熔煉過程中，選用SC-7.5-10型坩堝電阻爐進行熔煉，每爐次合金的重量約為2 kg左右。首先將石墨坩堝預(yù)熱至500～600℃，同時將準(zhǔn)確稱量好的工業(yè)純鋁錠、結(jié)晶硅和變質(zhì)劑（包括Al-4P中間合金和RE混合稀土）預(yù)熱到200℃左右；將稱量好的鋁錠加入坩堝中，升溫使其熔化，待鋁錠完全熔化后，將溫度升至800℃，加入結(jié)晶硅，熔化過程中加入覆蓋劑，形成熔池后，扒去表面熔渣；根據(jù)正交試驗列出的各組試驗參數(shù)，將相應(yīng)量的Al-P中間合金和RE混合稀土用鋁箔包好以鐘罩壓入鋁液中，待完全熔化后攪拌均勻。將溫度調(diào)至正交試驗的相應(yīng)溫度，保溫相應(yīng)時間后，加入適量清渣劑；再通入0.3%～0.5% C2Cl6對熔體進行除氣精練，充分攪拌均勻后將熔體靜置5 min，扒去表面熔渣。待溫度為720℃時將合金液澆入被預(yù)熱250℃的內(nèi)腔尺寸為φ20 mm×200 mm，拔模斜度為1°的圓柱形金屬模具中。

過共晶Al-20Si合金及RE混合稀土經(jīng)X射線熒光光譜儀分析檢測，成分見表1和表2所示。

表1 Al-20Si合金化學(xué)成分 位：%

表2 RE混合稀土化學(xué)成分 單位：％

1.2.驗方案

本試驗采用L9（34）正交試驗表對過共晶Al-20Si合金進行變質(zhì)處理，研究不同變質(zhì)劑含量（P添加量和RE混合稀土添加量）以及變質(zhì)工藝（變質(zhì)時間和變質(zhì)溫度）對合金中初生Si相的形貌、尺寸、分布情況等影響，從而確定最佳的變質(zhì)工藝。本試驗的因素和水平的選擇參照參考文獻［7-9］并結(jié)合前期試驗確定。正交試驗的具體參數(shù)設(shè)計見表3所示。

表3.交試驗設(shè)計

從各組鑄件同一部位截取試塊，制成金相試樣。用0.5%HF水溶液腐蝕試樣，在Leica DM2500M光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織；用Image Pro Plus 6.0軟件測量組織中初生Si相的尺寸，并取平均值作為初生硅相的平均尺寸；用布魯克X熒光光譜儀測量試樣的元素組成。

2.果與分析

2.1.驗結(jié)果

圖1為未變質(zhì)處理的過共晶Al-20Si合金鑄態(tài)組織。由圖1可以看出，組織中不規(guī)則的長條狀或塊狀初生Si相不均勻的分布在白色α-Al基體上，邊緣處具有較尖銳的棱角，初生Si相上存在大小不一的“窟窿孔”，其主要由于初生Si相上存在較大縱橫比的孿晶面，而孿晶面凹槽處在金相組織中表現(xiàn)為大小不一的“窟窿孔”［10］。初生Si相尺寸差異較大，其最大尺寸約230 μm左右，平均尺寸約83 μm左右。細針狀的共晶Si相分布于初生Si相四周，分布不均勻，出現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象。

圖1.共晶Al-20Si合金變質(zhì)處理前鑄態(tài)組織

圖2為正交試驗后過共晶Al-Si合金的金相組織圖。表4為不同變質(zhì)工藝條件下初生硅尺寸測量值對比表。由圖2和表4可知，經(jīng)過變質(zhì)處理后，組織中初生Si相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的四邊形、五邊形和六邊形，邊緣鈍化不明顯，仍有鋒利的棱角存在，窟窿孔基本消失。尺寸相比未變質(zhì)時有了明顯的細化，平均尺寸在26.64 μm～49.7 μm之間。共晶硅相除了在A2B3C1D2和A3B2C1D3工藝條件下有明顯的細化外，其余幾組尺寸相比未變質(zhì)時變化不明顯，仍以針棒狀存在，分布較未變質(zhì)時更加均勻。

圖2.同變質(zhì)工藝條件下Al-20Si合金的顯微組織

表4.同變質(zhì)工藝條件下初生硅平均尺寸測量值對比

2.2.果分析

2.2.1.觀分析

表5為不同變質(zhì)工藝條件下過共晶Al-20Si合金初生Si相平均尺寸直觀分析表。由表可知，細化處理的最佳工藝參數(shù)為A2B2C1D2。即P的添加量為0.04%，RE混合稀土的添加量為0.6%，變質(zhì)時間為20 min，變質(zhì)溫度為780℃。由表中極差值可知：A因素（P添加量）的極差值最大，對細化作用影響最為顯著，其次是B因素（RE混合稀土添加量）、D因素（變質(zhì)溫度）和C因素（變質(zhì)時間）。

表5.生Si相平均尺寸直觀分析

2.2.2.差分析

表6為過共晶Al-20Si合金初生Si相平均尺寸方差分析表，A、B、C、D因素的自由度f值都為2，試驗誤差SE的自由度f值是8，通過查顯著性水平的F分布表可知，當(dāng)α=0.1時，F(xiàn)0.1（2，8）=3.11，當(dāng)α=0.05時，F(xiàn)0.05（2，8）=4.46，因此表6中因素A對變質(zhì)作用為顯著影響，B、C、D因素對變質(zhì)效果有一定影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時間。

2.3.證試驗

由于直觀與方差分析得出的最佳工藝參數(shù)A2B2C1D2不在正交試驗九組試驗組中，因此設(shè)計了A2B2C1D2工藝對初生Si相進行變質(zhì)處理的驗證試驗，試驗所得金相組織見圖3。由圖3可知，該工藝條件下初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，窟窿孔消失，平均尺寸進一步減小，達到24.84 μm，相比正交試驗九組試驗組中最佳組的初生Si相平均尺寸減小了1.8 μm。共晶Si相細化變短，分布更加均勻。驗證組中初生Si相的變質(zhì)效果也印證了正交試驗的直觀和方差分析所得出的結(jié)論。

3.論

（1）在正交試驗九組試驗組中，經(jīng)變質(zhì)處理后組織中初生Si相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的四邊形、五邊形和六邊形，尺寸有了明顯的細化，平均尺寸由未變質(zhì)時的83 μm減小至26.64 μm～49.7 μm之間。

（2）通過直觀分析，得出了初生Si相變質(zhì)處理的最佳工藝參數(shù)為A2B2C1D2。該變質(zhì)工藝參數(shù)為0.04%的P添加量，0.6%的RE混合稀土添加量，20 min的變質(zhì)時間以及780℃的變質(zhì)溫度。由極差值大小可知：A因素（P添加量）的極差值最大，對細化作用影響最為顯著，其次是B因素（RE混合稀土添加量）、D因素（變質(zhì)溫度）和C因素（變質(zhì)時間）。

（3）通過方差分析，得出了因素A（P添加量）對變質(zhì)作用為顯著影響，B、C、D因素（分別為RE混合稀土添加量、變質(zhì)時間和變質(zhì)溫度）對變質(zhì)效果有一定的影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時間。

（4）在最佳工藝參數(shù)A2B2C1D2的驗證試驗中，初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，平均尺寸進一步細化，達到24.84 μm，共晶硅相細化變短，分布更加均勻。

表6.生Si相平均尺寸方差分析

圖3.2B2C1D2工藝下過共晶Al-20Si合金顯微組織

參考文獻：

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（責(zé)任編輯：史子木）

中圖分類號：TG136.1.獻標(biāo)識碼：A.章編號：1672-0105（2016）02-0042-04

Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2016.02.012

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：趙嵐，碩士，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：金屬材料及表面改性。

The Modification Process Optimization of HypereutecticAl-20Si Alloys Based on Orthogonal Experiment

Zhao Lan1，Yang Mingxiao1，Zhang Yu2，Tong Xian1，3
（1.a.Department of Material Engineering，b.Department ofAutomobile and Machinery Engineering，Zhejiang Industry&Trade
Vocational College，Wenzhou，325003，China；
2.Wenzhou Laite Laser Engineering Research Institute Co.Ltd，Wenzhou，325003，China）

Abstract:Based on L9（34）orthogonal experiment，modification treatments was made of hypereutectic Al-20Si alloys in this paper.Through direct analysis and variance analysis，the best process parameter of modification was determined.The results show that，the best process parameter of orthogonal experiment is A2B2C1D2，which is the quantity added of P is 0.04%，mixed rare earth is 0.6%，the modification time is 20min and the modification temperature is 780oC.The morphology of primary Si phase became regular hexagons and the average size were 24.84μm，eutectic Si phase were refined significantly；Factor A（the quantity added of P）has an obvious influence on modification effect，while B、C、D（mixed rare element，modification time and modification temperature）have some certain effects on modification effect.The extent of influence of these factors is the quantity added of P＞mixed rare element＞modification time＞modification temperature.

Keywords:hypereutectic al-20Si alloys；orthogonal experiment；modification treatments；morphology