表2 为铸态、触变成形和热处理态合金的力学性能测试结果。由表2 可以看出: 常规铸态合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为120 MPa、110 HB 和1. 07%; 触变成形后合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为230 MPa、122 HB 和1. 89%; 而热处理后合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为265 MPa、140 HB 和1. 83%。由此可见，3 种状态下合金的强度和硬度顺序从高到低依次为: 热处理态＞ 触变成形＞ 铸态，热处理态和触变成形态合金的塑性相当，且都高于铸态合金。这主要是由于触变成形后多边形块状初晶硅相和针片状共晶硅相在不同程度上得到了细化，并逐渐转成圆整度较高的球状相，平均尺寸减小，且硅相的棱角发生了钝化，因此，对α － Al 基体的割裂作用减小，弥散强化作用加强，使得合金的强度与硬度上升。而固溶时效处理后，由于抗拉强度与硬度上升，合金的塑性基本不变或略有降低。量呈逐年上升趋势。据统计，我国汽车产量已连续三年超过1800 万辆，月均产量已超120 万辆，汽车工业已进入总量较高的平稳发展阶段。对于传统的汽车发动机而言，通常使用铸铁、铸钢或者烧结钢等制造，不仅重量大、油耗高，而且使用效率低;新一代的汽车发动机用材料已逐步被亚共晶和共晶铝硅合金取代，然而，由于合金在高温时产生了不可逆膨胀体积，且尺寸稳定性和抗咬合能力差等，故需在合金中提高Si 含量以克服上述缺陷。已有研究结果表明，Si 含量的增加会使合金中产生粗大的初晶硅相，使得合金的加工性能和力学性能降低。半固态成形技术的发展和应用，在一定程度上可细化初晶硅相，达到提高合金性能的目的。在此基础上，本文采用斜坡冷却工艺进一步研究了半固态成形工艺对合金组织与性能的影响，以期为高性能汽车发动机用铝硅合金的制备提供必要的参考。

1 试验材料与方法

以高纯铝( 99. 99%) 、高纯镁( 99. 99%) 、Al － 26Si、Al － 10Mn、Al － 20Fe 和Al － 50Cu 中间合金为原料，采用斜坡法制备了汽车活塞发动机用Al － 20Si － 3Fe － 1Mn － 4Cu － 1Mg 合金坯料。试验原料熔化时，先将井式炉温度调至820 ℃，待其溶化后撒上覆盖剂进行扒渣，将炉温降低到650 ℃、保温20 min 后将金属溶液沿着自制的斜坡冷却剪切装置倒入石墨坩埚中浇铸，通过斜坡法制得半固态金属坯料，并进行二次加热、触变成形和固溶时效处理。其中，倾斜板长度为1000 mm、宽度为100 mm、倾斜角为45°，触变挤压设备采用YH －300 型金属挤压机，二次加热采用SX － 1型箱式电阻炉。

 

2. 2 二次加热对合金组织的影响

为了使合金具有较为理想的组织结构，对合金进行了二次加热处理，以便获得合格的局部重熔坯料。图2 对比分析了试验合金二次加热前后的金相显微组织。二次加热温度设定为595 ℃，保温时间为2 h。可以看出，二次加热前后的合金组织存在较大的差异: 二次加热前，铸态组织主要由球化α －Al 基体、少量的枝晶和花瓣晶、粗大的块状初晶硅及针片状的共晶硅组成; 二次加热后，α － Al 基体球化效果较为明显，分布也较为均匀，且粗大的块状初晶硅和针状的共晶硅相也基本消失，转化为细小、圆整、无明显尖角的初生相，此外，还发现了部分α － Al 液相，这主要是由于合金处于半固态区间加热的缘故。

为了进一步得到二次加热工艺参数对合金组织的影响规律，对不同加热温度和加热时间下合金的金相组织进行了观察，结果见图3 和图4。设定加热温度分别为570，580 和590 ℃，保温时间分别为20，30 和40 min。图3 为不同加热温度下保温25 min 后合金的金相组织。可以看出，在加热温度为570 ℃时，α － Al 基体有部分球化现象，但圆整度仍然不高，尺寸分布也较不均匀，液相基体数量较少; 当加热温度上升至580 ℃时，α － Al 基体球化现象更加完全，晶粒变得较为圆整，但尺寸的均匀性较差，此外液相基体数量有一定程度的增加;当继续升高加热至590 ℃时，α － Al 基体球化有明显粗化趋势，但分布较均匀，且圆整度较高，液相基体数量进一步增多。

加热温度为580 ℃时，不同保温时间下合金的金相组织见图4。可以看出，当加热时间为20 min时，α － Al 基体的球化效果不完全，晶粒的尺寸存在一定差异，初晶硅较为细小均匀，合金中有一定数量的液相产生; 当保温时间增至30 min 后，α －Al 基体的球化效果更好，晶粒的圆整度提高的同时未出现粗化现象，且分布也较为均匀; 当保温时间增至40 min 后，α － Al 基体发生了粗化长大，圆整度也开始下降，由于保温时间延长，合金中液相基体含量明显增多。由以上二次加热温度和保温时间对合金组织的影响规律中可以得出: 随着加热温度的升高，合金中固相和液相逐渐发生分离，出现了大晶粒吞并小晶粒并继续长大的现象，液相逐渐增多，由于固液界面张力的作用，使得α － Al 基体逐渐球化; 随着保温时间的延长，α － Al 基体球化效果越发明显，晶粒的圆整度和液相比例逐渐提高，但保温时间延长到某一临界值后，晶粒尺寸明显粗化，且圆整度开始降低。Al － 20Si － 3Fe 合金适宜的二次加热工艺为: 加热温度为580 ℃，保温30 min。


表2 为铸态、触变成形和热处理态合金的力学性能测试结果。由表2 可以看出: 常规铸态合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为120 MPa、110 HB 和1. 07%; 触变成形后合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为230 MPa、122 HB 和1. 89%; 而热处理后合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为265 MPa、140 HB 和1. 83%。由此可见，3 种状态下合金的强度和硬度顺序从高到低依次为: 热处理态＞ 触变成形＞ 铸态，热处理态和触变成形态合金的塑性相当，且都高于铸态合金。这主要是由于触变成形后多边形块状初晶硅相和针片状共晶硅相在不同程度上得到了细化，并逐渐转成圆整度较高的球状相，平均尺寸减小，且硅相的棱角发生了钝化，因此，对α － Al 基体的割裂作用减小，弥散强化作用加强，使得合金的强度与硬度上升。而固溶时效处理后，由于抗拉强度与硬度上升，合金的塑性基本不变或略有降低。2. 3 触变成形

试验用Al － 20Si － 3Fe 合金的触变成形含有半固态坯料制备、二次加热以及挤压成形3 个步骤。由于铸态合金性能往往不能满足使用要求，通常还需进行固溶和时效热处理，设定固溶时效处理制度为: 540 ℃固溶6 h + 180 ℃时效12 h，冷却介质为水。

图 5 为触变成形和触变成形后热处理合金的金相组织。可以看出: 半固态触变成形后的合金中α － Al基体的球化效果依然较为显著，针片状的共晶硅相转化为了短棒状和棱角钝化的颗粒状，而粗大的多边形初晶硅相演变为了细小、圆整的小初晶硅相，但是分布都较为均匀; 当触变成形后进行固溶时效热处理，α － Al 基体组织更加均匀，合金中出现了细小的纤维状和类球形共晶硅相，而初晶硅并没有明显的变化。总的来说，半固态触变成形对凝固过程中产生的多边形块状初晶硅相有一定的细化、破碎作用，且对细小针片状和针片状的共晶硅有明显的细化效果; 而在触变成形后对合金进行固溶时效热处理，可以使得触变成形过程中产生的共晶硅更加圆整化和均匀化，从而达到改善半固态铝硅合金组织结构的目的，有助于提升合金的最终性能。