发动机是汽车的心脏 ， 为汽车的行走提供动力 。 各个汽车生产厂投入了大量的人力和物力进行汽 车发动的研发工作 ， 并将发动机的性能作为竞争亮 点 [1] 。 作为汽车发动机用材的选择 ， 世界范围内已经 初步达成了共识 ， 即采用熔体填充性能较好的铝硅 合金 ， 它可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显 减轻重量 ， 同时还具有质轻 、 低膨胀系数和高耐蚀 性能等优点 [2] 。 目 前对铝硅合金的研究主要集中在 对组织中粗大块状初晶硅和长针状共晶硅的控制 上 ， 采用对合金进行变质处理 ， 并在优化变质剂成 分和含量的基础上研究压铸工艺对组织与性能的 影响对提高铝硅合金的生产具有重要意义 。

1 试验材料与方法

采用坩埚式电阻炉钢模浇注的方法制备合金 Al-20Si， 原 料 为 Al-30Si 中 间 合 金 及 高 纯 铝 (99.99%)， 变质剂为 Cu-P10、Al-Sr13 和 Al-50Ce 中 间合金 ，HGJ 无公害精炼剂 。 试验过程中复合加入 3 种变质剂 ， 即 Cu-P10+Al-Sr13+Al-50Ce， 含量 w(%) 分别为 ：3+1+10、3+1.5+15、4+1+15 和 4+1.5+10。

金相试样经过预磨后 ， 再经过抛光处理 ， 采用 0.5HF 溶液腐蚀数秒后水洗 、 烘干 ， 置于 MEF-3 型 金相显微镜下观察 ； 采用 Rigaku-2000 型 X 射 线 衍射仪进行了变质合金的物相分析 ， 扫描范围为 10 °~100 °， 速度 为 5 °/min； 显微 组织在 JSM-2100F 型扫描电镜下观察 。

2 研究结果与分析

2.1 Al-20Si 合金的变质处理

图 1 所示 为 Cu-P10、Al-Sr13 和 Al-50Ce 中 间 合金三元变质 Al-20Si 合金的金相显微组织 。 从不 同含量变质剂的三元变质效果来看 ， 组织中的初 晶硅尺寸基本在 20 μm 以下 ， 尺寸细小 ， 从形状上 来看基本都呈现块状分布 ； 而共晶硅组织基本都 已变质为短杆状和纤维状 。 在变质剂含量为 3%+ 1%+10% 时 ， 有少量的初晶硅为球状且有部分呈现 三角状分布 ， 尺寸较大约为 30 μm， 而共晶硅主要呈 现絮状形态 ； 在变质剂含量为 3%+1.5%+15% 时 ， 初 晶硅尺寸与图 1(a) 中的类似 ， 但是初晶硅尖角开始 逐渐钝化 ， 呈现出短杆状形态 ； 在变质剂含量为 4% +1%+15% 时 ， 初晶 硅弥散分布在合金中 ， 尺寸基本 都在 10 μm 以下 ， 且共晶硅也表现出点状分布特 征 ， 此时的变质效果较为理想 ； 当变质剂含量为 4%+1.5%+10% 时 ， 初晶硅相较大且分布较不均匀 ， 而共晶硅组织仍然以点状分布 ， 此时的变质效果不如图 1(c) 中的变质结果 。 对变质剂含量为 4%+1%+15% 时的 Al-20Si 合金进行 X 射线衍射分析 ， 结果如图 2 所示 。

经过三 元变质后的合金中出现了较多可能存在的化合物 ， 然而从稀土元素的添加效果来看 ， 稀土元素的添加 有利于去除有害杂质 Fe， 同时还与 P 元素形成了 Ce P 和 Ce P 5 等相 ，Al 和 Si 元素作为合金基体元素 在合金中分布较为均匀 ， 对于三元变质合金而言 ， 变 质元素之间形成的化合物都能够较为均匀地分散在 基体组织中 ， 对 Al-20Si 合金起到良好变质效果的 同时 ， 其它各项性能都有一定程度的提高 [3] 。

2.2 Al-20Si 合金的压铸工艺

对变质剂含量为 4%+1%+15% 时的 Al-20Si 合 金进行不同压铸速度的压铸试验 ， 压射速度分别为 1、2、3、4、5、6 和 7 m/s， 增压 压力为 250 MPa， 时间 为 30 ms， 压铸模具温度为 260 ℃。

不同压射速度下的三元变质 Al-20Si 合金的金相 显微组织如图 3。 随着压射速度从 1 m/s 增大到 6 m/sα 相颗粒先增大后减小而后又增大 ， 在压射速度为 3 m/s 时 α 相颗 粒最为粗大 。 当压射速度为 1 m/s 时 ， 初晶硅尺寸较大 ， 共晶硅呈现长针状 ； 随着压射 速度增大 ， 初晶硅和共晶硅尺寸都变小 。 在压射速度 为 5 m/s 时 ， 初晶硅呈圆形而共晶硅也呈现絮状弥 散分布 ； 当压射速度增大至 6 m/s 时 ， 初晶硅变化不 大 ， 但是共晶硅却发生了明显长大 。 图 4(a) 为不同压射速度下三元变质 Al-20Si 合 金的抗拉强度的变化曲线 。 可以看出 ， 随着压射速度 的增加 ， 抗拉强度先增加而后减小 ， 在压射速度为 5 m/s 时取 得极大值 214 MPa。 可能 的原因在于此时 的压铸速度使得料浆可以充分冲型 ， 使得成型件的 如图 1(c) 中的变质结果 。 对变质剂含量为 4%+1%+15% 时的 Al-20Si 合 金进行 X 射线衍射分析 ， 结果如图 2 所示 。 经过三 元变质后的合金中出现了较多可能存在的化合物 ， 然而从稀土元素的添加效果来看 ， 稀土元素的添加 有利于去除有害杂质 Fe， 同时还与 P 元素形成了 Ce P 和 Ce P 5 等相 ，Al 和 Si 元素作为合金基体元素 在合金中分布较为均匀 ， 对于三元变质合金而言 ， 变 质元素之间形成的化合物都能够较为均匀地分散在 基体组织中 ， 对 Al-20Si 合金起到良好变质效果的 同时 ， 其它各项性能都有一定程度的提高 [3] 。

2.2 Al-20Si 合金的压铸工艺

对变质剂含量为 4%+1%+15% 时的 Al-20Si 合 金进行不同压铸速度的压铸试验 ， 压射速度分别为 1、2、3、4、5、6 和 7 m/s， 增压 压力为 250 MPa， 时间 为 30 ms， 压铸模具温度为 260 ℃。 不同压射速度下的三元变质 Al-20Si 合金的金相 显微组织如图 3。 随着压射速度从 1 m/s 增大到 6 m/s， 图 2 变质 Al-20Si 合金的 XRD 衍射分析组织致密 ， 外观光洁 ， 从而达到了较好地综合力学性 能 [4] 。 如果压射速度继续增加 ， 坯料将以紊流方式充型 ， 这样会导致合金由于疏松等缺陷而使得性能降低 。

图 4(b) 为不同压射速度下三元变质 Al-20Si 合 金的布氏硬度变化曲线 。 随着压射速度的增加 ， 硬 度值先降低而后增加 ， 在 3 m/s 时取得极小值 。 可能 的原因在于高速充型作用下 ， 由于冷却速度加快而 使得铸件的表层组织得到细化 ， 从而形成了表面硬 度较高的外壳层 [5] 。 不同压射速度下三元变质 Al-20Si 合金的金相 显微组织拉伸断口形貌如图 5。 可以看出 ， 不同压射 速度下合金的断口基本都为沿晶断裂 ， 同时还可以 发现有穿晶断裂的迹象 。 其中 ， 当压射速度为 5 m/s 时的断口形貌显示出最小的硅相特征 ， 同时尺寸较 小的凹坑均匀圆整地分布在断口中 ， 这是初晶硅相 的形貌和尺寸作用的缘故 。 如果压射速度过低或者 过高 ， 断口形貌中出现了一定数量的气孔等缺陷 ， 合 金的力学性能将会降低 ， 与图 4 的测试结果保持一 致 。 因此 ， 在实际压铸成型过程中应严格控制好压铸 速度 ， 确保组织中形成均匀细小的初晶硅相 ， 同时不能有任何气孔等缺陷产生 。

3 结论

（1） 在变 质剂含量为 4%+1%+15% 时 ， 初晶 硅 弥散分布在合金中 ， 尺寸基本都在 10 μm 以下 ， 且 共晶硅也表现出点状分布特征 ， 此时的变质效果较 为理想 。

（2） 随着压射速度从 1 m/s 增大到 6 m/s，α 相颗 粒先增大后减小而后又增大 ， 在压射速度为 3 m/s 时 α 相颗粒最为粗大 。

（3） 随着压射速度的增加 ， 抗拉强度先增加而后 减小 ， 在压射速度为 5 m/s 时取得极大值 214 MPa。