正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在陶瓷基摩擦材料制備中的應(yīng)用*

王 東

(國(guó)家陶瓷與耐火材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 山東 淄博 255063)

在生產(chǎn)實(shí)踐中,試制新產(chǎn)品、改革工藝、尋求好的生產(chǎn)條件等,這些都需要先做試驗(yàn)。而試驗(yàn)總要花費(fèi)時(shí)間,消耗人力、物力,因此人們總希望做試驗(yàn)的次數(shù)盡量少,而得到的結(jié)果盡可能好。要達(dá)到這個(gè)目的,就必須事先對(duì)試驗(yàn)作合理的安排,也就是要進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)稱正交設(shè)計(jì),它是利用正交表科學(xué)的安排與分析多因素試驗(yàn)的方法,是最常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一[1]。

陶瓷基摩擦材料具有高熱容量、低磨損率以及抗熱沖擊的特點(diǎn),是具有良好發(fā)展前景的重要材料[2～5]。陶瓷基摩擦材料通常由基體、增強(qiáng)體、助劑、填料等多元組分配合而成的復(fù)合材料,其性能不僅受制于組分的配比,同時(shí)制備工藝也是重要的影響因素。因此,配方設(shè)計(jì)一直是提高復(fù)合材料性能的主要途徑。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化可縮短新材料研制周期,具有試驗(yàn)點(diǎn)少、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于分析等特點(diǎn)。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取一種陶瓷基摩擦材料的制備作為本次試驗(yàn)的研究對(duì)象。這種陶瓷基摩擦材料以氧化鋁粉體為基體,配方中還包括鈦酸鉀晶須(增強(qiáng)體)、二氧化硅、氧化鎂等材料,采用熱壓燒結(jié)的工藝進(jìn)行制備。

本次正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)四因素(晶須含量、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓強(qiáng)和保溫時(shí)間)三水平的正交試驗(yàn),如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

根據(jù)因素?cái)?shù)和水平數(shù)來(lái)看,選擇正交表L9(34)較合適,具體試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 正交表L9(34)

續(xù)表2

評(píng)價(jià)摩擦材料性能的主要指標(biāo)是強(qiáng)度、密度及耐磨性等,因此對(duì)于材料綜合性能的評(píng)價(jià)本試驗(yàn)需考慮抗彎強(qiáng)度、磨損量、密度和硬度[6]這4個(gè)主要因素。試驗(yàn)完畢后對(duì)材料進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試內(nèi)容包括:抗彎強(qiáng)度、磨損量、密度和硬度。得到結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,選取綜合評(píng)分法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 材料測(cè)試

按照試驗(yàn)方案將制備的材料進(jìn)行測(cè)試。材料的抗彎強(qiáng)度采用電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定,體積密度采用排水法測(cè)定,利用數(shù)顯洛式硬度計(jì)測(cè)定材料的洛式硬度,體積磨損量采用磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定(對(duì)偶件為高速鋼)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析

總的來(lái)講,數(shù)據(jù)分析采取綜合評(píng)分法。綜合評(píng)分法是將多項(xiàng)指標(biāo)的問(wèn)題,通過(guò)加權(quán)計(jì)算總分的方法化成一個(gè)指標(biāo)的問(wèn)題,這樣對(duì)結(jié)果的分析計(jì)算都比較方便和簡(jiǎn)單[7]。

為了符合摩擦材料發(fā)展的要求,我們對(duì)摩擦材料性能大體上有強(qiáng)度、硬度越大越好,磨損量和密度越小越好的要求。將4個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為一個(gè)指標(biāo)即綜合評(píng)分,用每一組試驗(yàn)的得分(各項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)的分?jǐn)?shù)之和)來(lái)代表這一組試驗(yàn)的結(jié)果。各指標(biāo)的打分標(biāo)準(zhǔn)是:在9組試驗(yàn)中,抗彎強(qiáng)度、硬度最高的分別給9分,最低的給1分;而磨損量和密度則相反,最低的給9分,最高的給1分?？紤]到諸因素在評(píng)價(jià)中所處的地位不同,分別給予抗彎強(qiáng)度、磨損量、密度、硬度這4個(gè)因素的權(quán)重分別為5分,4分,3分,3分。最后采用加權(quán)評(píng)分的經(jīng)典綜合評(píng)判法計(jì)算總分,公式如下:

其中,M——綜合評(píng)分;

Mi——性能得分,i=1,2,3,4;

Ai——權(quán)值,i=1,2,3,4。

1、2、3、4分別代表材料的抗彎強(qiáng)度、密度、硬度和磨損量。最后評(píng)分計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 綜合評(píng)分結(jié)果

4 結(jié)果討論

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表5

將所有數(shù)據(jù)整理匯總,見(jiàn)表5。

運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)典理論進(jìn)行分析,并得出以下結(jié)論:

(1)極差最大的因素是燒結(jié)溫度,其次是晶須含量和保溫時(shí)間,燒結(jié)壓力的極差最小。由此可知,對(duì)材料的性能影響最大的是燒結(jié)溫度,其次是晶須含量,保溫時(shí)間和燒結(jié)壓力對(duì)材料的性能影響較小。如果要想進(jìn)一步提高材料的性能,應(yīng)該主要從燒結(jié)溫度和晶須含量?jī)蓚€(gè)方面入手。

(2)對(duì)于因素A,第二水平是最好的,因?yàn)樵诘诙綍r(shí)對(duì)應(yīng)的K 值最大,即晶須含量為10%時(shí)最佳。同理我們可以知道因素B 在第三水平(燒結(jié)溫度為1 300℃)、因素C在第一水平(燒結(jié)壓力為10 kN)、因素D 在第二水平(保溫時(shí)間為1 h)時(shí),材料的性能最佳,即最優(yōu)的材料制備方案為A2B3C1D2。

(3)經(jīng)過(guò)分析后得到的最優(yōu)方案,就是第6 組試驗(yàn)。通過(guò)綜合評(píng)分發(fā)現(xiàn)第6組的綜合得分最高,即綜合性能最佳,與分析結(jié)果一致。