陳 瑜，嚴(yán)文峰，夏友龍

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

合金材料涉及的理化特性很多，其中化學(xué)成分是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。鋁合金化學(xué)成分的技術(shù)要求也稱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通常是執(zhí)行國標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)等，這些標(biāo)準(zhǔn)各元素的允許范圍都很寬泛，控制起來難度不大。但隨著技術(shù)進(jìn)步，高端軍用和民用鋁合金材料國產(chǎn)化進(jìn)程加快推進(jìn)，用戶對材料的一致性提出了越來越高的要求，所以在生產(chǎn)過程中，從工藝上就將可能影響性能波動的合金元素的成分范圍收窄。如何滿足成分范圍收窄后的工藝要求，這就向我們?nèi)坭T技術(shù)人員提出了新的課題：現(xiàn)有化學(xué)成分過程控制水平怎么樣？相對于收窄的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分的工序控制能力是否充足？怎么量化評價？如果能力不足，從何入手改善或提高？本文即針對以上問題進(jìn)行梳理、分析和研究。

1 工序能力指數(shù)

為探討以上問題，我們首先引入工序能力指數(shù)的概念。

1.1 工序能力指數(shù)的解析

工序能力指數(shù)Cpk（Complex Process Capability Index），是現(xiàn)代企業(yè)用于表示制程能力的指標(biāo)，表示制程能力對產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量要求的保證程度。它可以直觀、定量地反映產(chǎn)品質(zhì)量控制水平的高低，值越大，不良率越低[1]。

Ca：制程準(zhǔn)確度（Capability of Accuracy），衡量實際平均值-x與規(guī)格公差T 的中限值（期望值）U的一致性。它反映的是位置關(guān)系。

Cp：制程精密度（Capability of Precision），衡量規(guī)格公差寬度T（規(guī)格上限與下限的差值USLLSL）與過程變異寬度的比例。它反映的是散布關(guān)系。

1.2 Ca及Cp的評級標(biāo)準(zhǔn)及處理

Ca和Cp的評級標(biāo)準(zhǔn)及處理分別見表1和表2[1]。

表1 Ca的評級標(biāo)準(zhǔn)及處理

表2 Cp（Cpk）的評級標(biāo)準(zhǔn)及處理

2 過程控制能力指數(shù)的計算及評價

考察制程控制能力（亦稱過程控制能力）時，并不是制程能力指數(shù)（亦稱工序能力指數(shù)）越大越好。一般來說，該指數(shù)太大不經(jīng)濟(jì)，運行成本高，太小又不能滿足技術(shù)要求。所以企業(yè)應(yīng)根據(jù)具體情況，本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，權(quán)衡技術(shù)要求、成本和不良率的接受度，對Cpk值有個準(zhǔn)確定位，并進(jìn)行實時監(jiān)控[2]。一般普通產(chǎn)品要求達(dá)到B 級，重點產(chǎn)品要求達(dá)到A級或者更高。

以某7×× × 系鋁合金中的Cu元素在不同技術(shù)要求下過程控制能力指數(shù)的計算為例：采集一組數(shù)據(jù)（100 個熔次），計算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、Ca、Cp和Cpk值，結(jié)果如表3所示。

表3 Cu元素在不同技術(shù)要求下其過程控制能力指數(shù)的比對

由表3 可見，當(dāng)過程能力不變（標(biāo)準(zhǔn)偏差一定）時，技術(shù)要求不同，工序能力指數(shù)也不同。標(biāo)準(zhǔn)范圍越窄或平均值與期望值偏差越大，過程能力指數(shù)越小。如圖1（a）～（c）所示，通過過程能力控制圖可以直觀地看到在控制能力不變時不同的技術(shù)要求對過程能力指數(shù)的影響和變化。當(dāng)范圍收窄到顯示過程控制能力不足時，我們就要面對怎樣提高過程控制能力的問題。

圖1 Cu元素在不同技術(shù)要求時的過程能力控制圖

3 化學(xué)成分過程控制能力提升的途徑

一般而言，工序能力指數(shù)越高越好，但工序能力指標(biāo)提高也意味著成本的增加，所以在滿足客戶需求或工藝要求的前提下，應(yīng)權(quán)衡技術(shù)及成本的關(guān)系來決定最合理的工序能力指標(biāo)[3]。當(dāng)然，在實際生產(chǎn)過程中制程工序可能是不穩(wěn)定的，過程能力可能不是正態(tài)分布的，也有可能數(shù)據(jù)的中心值與均值不是很吻合，這都會導(dǎo)致測算出的Cpk值異?；虿▌印１O(jiān)控工序能力指數(shù)，更多的是給相關(guān)改善決策提供參考依據(jù)[3]。

從Cpk 值的計算公式：Cpk=Cp× （1-|Ca|）可知，與Cpk 值息息相關(guān)的是Ca 和Cp 兩個參數(shù)，Ca反映的是準(zhǔn)確度，Cp反映的是精密度。

準(zhǔn)確度、精密度、系統(tǒng)誤差、偶然誤差之間的關(guān)聯(lián)性如圖2所示[4]。

圖2 準(zhǔn)確度與精密度示意圖

本文討論的關(guān)鍵詞是精準(zhǔn)控制，就是希望達(dá)到圖2中第一種情況：準(zhǔn)確度和精密度都好，量化表達(dá)就是減小Ca值，提高Cp值，從而提高Cpk值。

3.1 提高準(zhǔn)確度的途徑

3.1.1 準(zhǔn)確度的表達(dá)方式及影響因素

我們探討提高成分控制準(zhǔn)確度的途徑，換句話說，也是探討減小Ca 值的途徑。

Ca 值可以通過正態(tài)分布曲線峰值的位置關(guān)系直觀反映，見圖3。

圖3 正態(tài)分布曲線峰值的位置關(guān)系

Ca 值表達(dá)的是分析結(jié)果平均值與期望值的偏差，屬系統(tǒng)誤差，采取相應(yīng)措施可減小甚至消除。其影響因素主要有：取樣代表性、分析準(zhǔn)確性、爐前和最終分析一致性等。

3.1.2 提高準(zhǔn)確度的途徑

3.1.2.1 提高取樣代表性

材料合金化和化學(xué)成分的調(diào)整是在熔鑄工序中完成的，后續(xù)加工工序無法改變，所以我們探討的就是在鋁合金熔鑄工序中如何精準(zhǔn)控制化學(xué)成分。

熔鑄工藝流程見圖4。

圖4 熔鑄工藝流程圖

從圖4可知，化學(xué)成分分析涉及爐前和成品兩次取樣，取一個或兩個樣，要能代表整個熔體，所以工藝對取樣環(huán)節(jié)要求非常高，但在實際生產(chǎn)中普遍重視程度不夠。

影響取樣代表性的因素主要有：合金元素加入順序、加入溫度，熔體攪拌方式、次數(shù)和時間，熔體靜置時間，熔體爐內(nèi)停留時間，取樣溫度、取樣的位置和深度等，工廠需制定明確的技術(shù)要求和操作規(guī)范，并嚴(yán)密監(jiān)控執(zhí)行。

3.1.2.2 提高分析準(zhǔn)確性

對于鋁合金材料，常規(guī)是采用光電光譜法分析化學(xué)成分。該方法一次性投入成本高，但具有快速、準(zhǔn)確、操作簡便等特點，在業(yè)界已得到廣泛應(yīng)用。本文即針對該方法進(jìn)行提高分析準(zhǔn)確度的探討。

為提高光譜分析的準(zhǔn)確性，我們需要關(guān)注以下幾個方面的工作。

（1）樣品的代表性要好。光譜分析采集的是一個面的一個點，數(shù)據(jù)要代表整個試樣。取樣模具、工具設(shè)計的合理性和預(yù)烘烤、取樣轉(zhuǎn)移時間、試樣冷卻方式、試樣加工厚度等因素均可能影響光譜分析數(shù)據(jù)的代表性。如果代表性不好或不穩(wěn)定，需重點從上述影響因素中查找原因并加以改進(jìn)。

（2）工作曲線要避免或修正三元素影響。分析時要選用化學(xué)組成與試樣相似的標(biāo)樣所繪制的工作曲線，若存在三元素影響，就需要進(jìn)行干擾校正，否則會導(dǎo)致較大的分析誤差。

圖5 示出的是低Cu 和高Cu 兩個系列高硅合金標(biāo)樣Cu干擾校正前、后Si元素的點子分布情況。

圖5 低Cu和高Cu兩個系列高硅合金標(biāo)樣扣Cu干擾前、后Si的工作曲線

由圖5 可見， Cu 對Si 存在不同程度的干擾。由于Cu 元素的差異，表現(xiàn)在工作曲線上就是明顯的兩條線，如果不扣除，會導(dǎo)致Si的分析誤差。

（3）爐前和成品實驗室之間不能存在系統(tǒng)誤差?？赏ㄟ^大數(shù)據(jù)分析、對查、對標(biāo)、第三方檢測等方式對二者分析結(jié)果進(jìn)行實時監(jiān)控和修正。

（4）控樣選擇要合適。不同的合金試樣，要選擇與之化學(xué)組成和含量盡量接近的控樣進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化，選擇不合適，會造成較大的分析誤差。表4為某7×××系合金試樣用4個不同標(biāo)準(zhǔn)值控樣校準(zhǔn)后的分析結(jié)果。

表4 不同含量段標(biāo)樣作控樣的某7系合金試樣分析結(jié)果

由表4 可見，控樣選擇對高含量元素影響較大，對低含量元素影響不明顯。1#標(biāo)樣與待測試樣化學(xué)組成和含量最接近，故用其作控樣的分析結(jié)果與化學(xué)值偏差最小。所以控樣選擇是否合適對分析準(zhǔn)確度影響較大，一定慎重。

（5）標(biāo)樣和試樣間的組織結(jié)構(gòu)差異校正。因試樣是直接澆鑄而成，而標(biāo)樣為保證其較好的均勻性和加工性能，一般都經(jīng)過均勻化熱處理和擠壓加工，二者的組織結(jié)構(gòu)有差異，不同儀器的激發(fā)光強(qiáng)會表現(xiàn)出不同程度的差異，對于高含量元素這個差異會表現(xiàn)得更加明顯。而這個差異有多大與儀器光源性能有關(guān)，不同的儀器消除這個組織結(jié)構(gòu)影響的程度也不同，需通過化學(xué)對查確定這個差值，以此給標(biāo)樣賦予一個校正值，再把它作為控樣用。

3.1.2.3 提高爐前、成品分析的一致性

做好爐前、成品分析結(jié)果的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，若發(fā)現(xiàn)爐前、成品分析結(jié)果間存在系統(tǒng)差，需分析原因，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行改進(jìn)。影響因素主要有：（1）合金轉(zhuǎn)組，未考慮爐內(nèi)余料、在線凈化裝置余料等，會導(dǎo)致成品分析結(jié)果比爐前分析結(jié)果偏低。改進(jìn)措施：根據(jù)大數(shù)據(jù)分析做好爐內(nèi)余料的估算；（2）爐前和成品分析不是同一臺設(shè)備，不同分析設(shè)備分析結(jié)果間存在系統(tǒng)差。改進(jìn)措施：通過化學(xué)法對查分析，對各自的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，消除分析系統(tǒng)差；（3）Zn、Cu 等重金屬元素加入方式不當(dāng)或爐況不好造成沉底，Mg、Li 等活潑金屬元素氧化成渣燒損。改進(jìn)措施：對于異常元素?fù)p失查找原因改善，對于正常元素?fù)p失進(jìn)行系統(tǒng)差修正。

3.2 提高精密度的途徑

3.2.1 精密度的表達(dá)方式及影響因素

我們探討提高成分控制精密度的途徑，換句話說，也是探討提高Cp 值的途徑。

Cp 表達(dá)的是分析結(jié)果與總體平均值的離散程度，可以通過正態(tài)分布曲線的寬度直觀反映（見圖6），屬偶然誤差，采取相應(yīng)措施可盡量減小但不能完全消除。

由公式Cp=（USL-LSL） /6σ 可知，當(dāng)分子即技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍一定時，要提高Cp 值，就需要減小標(biāo)準(zhǔn)偏差，即提高精密度。影響精度度的因素主要有：分析設(shè)備的精度、操作者的精細(xì)程度、標(biāo)樣和樣品的均勻性等。

圖6 分析值的正態(tài)分布曲線

3.2.2 提高Cp 值的途徑

3.2.2.1 提高分析設(shè)備的精度

光電光譜分析是一種儀器分析，分析儀器的性能是影響分析精度的最關(guān)鍵因素，所以應(yīng)根據(jù)分析任務(wù)對分析精密度的不同要求配置不同檔次的光譜儀。如果單純是用于成分范圍較寬合金的成分控制和分析，可以選擇價格相對便宜、分析精度相對較低、檢出限相對較高的光譜儀；如果是用于高純物質(zhì)的分析，則必須選擇檢出限低、靈敏度高的光譜儀；如果是用于成分范圍較窄的合金的分析，則需要選擇分析精度高、穩(wěn)定性好的光譜儀。通過對儀器短期和長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)考察，就可以對儀器分析精度有一個定量的把握。

分析設(shè)備的精度除了和儀器性能有關(guān)外，還和儀器維護(hù)、保養(yǎng)和使用狀況有關(guān)，影響因素主要有：排氣管道暢通程度、過濾網(wǎng)清潔程度、火花室的清潔程度、火花室的密封性、電極的形狀和清潔程度等，日常工作中應(yīng)加強(qiáng)規(guī)范操作和監(jiān)管。

3.2.2.2 提高試樣的代表性和均勻性

試樣在澆鑄過程中遵循順序結(jié)晶和逆偏析的冷凝規(guī)律，合金元素偏析必然存在。如何取到一個有代表性且相對均勻、穩(wěn)定的分析區(qū)域，是需要解決的主要問題。其影響因素主要有：取樣模具設(shè)計的合理性、取樣工藝的一致性、試樣車削厚度、分析面加工質(zhì)量、激發(fā)點的位置等。

圖7示出的是某7×××系鋁合金蘑菇試樣不同車削量下Cu、Mg元素的分析結(jié)果。

圖7 7×××系合金試樣不同車削量的分析結(jié)果

由圖7可見，同一試樣不同車削厚度其結(jié)果有差異，車削厚度在2.5～6.5 mm范圍內(nèi)時結(jié)果相對均勻、穩(wěn)定且與化學(xué)值相符。對于不同的模具和合金，應(yīng)根據(jù)車削厚度試驗數(shù)據(jù)確定分析樣品厚度范圍。

3.2.2.3 選擇不確定度相對較低的標(biāo)樣

每一塊標(biāo)樣，都賦有標(biāo)準(zhǔn)值和不確定度，人們普遍不太關(guān)注這個不確定度值。標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度是標(biāo)樣定值的不確定度、標(biāo)樣組內(nèi)和組間的不確定度、穩(wěn)定性不確定度等的綜合體現(xiàn)，也稱合成標(biāo)準(zhǔn)偏差，直觀反映標(biāo)樣的均勻性。為提高分析精度，有條件時應(yīng)選擇不確定度相對較低的標(biāo)樣。表5 示出的是4 種不同廠家不同含量段標(biāo)樣的不確定度。

表5 4種不同廠家標(biāo)樣的不確定度

4 結(jié)束語

鋁合金化學(xué)成分控制是在熔鑄工序中進(jìn)行的，涉及熔煉和分析兩個環(huán)節(jié)。工序能力與技術(shù)要求是否匹配，可以通過計算工序能力指數(shù)進(jìn)行量化評價。如果工序能力不足，通過大數(shù)據(jù)采集，計算Ca 值和Cp 值，分析確定問題點和提升空間，從熔煉和分析兩個途徑分別采取措施減小Ca 值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而達(dá)到提高Cpk值，實現(xiàn)熔鑄工序化學(xué)成分精準(zhǔn)控制的目的。