本文以Al-20Si合金为研究对象,采用变质和不同的冷却速率对Al-20Si合金进行细化处理。通过高精度测温仪、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)和摩擦磨损试验等方法,研究了变质和冷却速率对A1-20Si合金凝固组织及性能的影响,并探讨了Al-20Si合金中初生Si和共晶Si的协同细化机理,为高硅铝合金材料在制备活塞、缸套和散热器等工业应用提供了理论基础。(1).采用P和RE变质剂对Al-20Si合金进行变质处理,研究结果表明:P与Al反应生成AlP化合物作为初生Si相的异质形核质点,能显著细化合金中初生Si晶粒尺寸;稀土RE吸附固溶在Si相的生长台阶,使Al-20Si合金中Si相的晶格常数增大,X射线衍射图谱发生小角度偏移;随着变质时间的延长,合金中板条状的初生Si变得细小圆润,平均晶粒尺寸由85.6μm减小至13.2μm,共晶Si由长针状转变为短杆状和点状,均匀分布在基体中,基体硬度由68.5HB提升至80.8HB,抗拉强度由132MPa提高至185MPa,延伸率由1.29%提高至2.68%。(2).采用不同的冷却速率对Al-20Si合金组织进行细化处理,研究结果表明:Al-20Si合金中初生Si平均晶粒尺寸(D)与冷却速率(v)呈幂函数关系:D=260.6v-3/4,而与再辉温度(Tm)则呈线性关系:D=0.25Tm-143.12;降低合金中初生Si的再辉温度是控制晶粒长大的关键,铜模的高蓄热系数能持续降低初生Si的形核温度和再辉温度,使初生Si的晶粒尺寸细小;初生Si由小平面生长转变为非小平面生长的临界过冷度为70K,该实验结果与理论计算结果(74K)基本一致;随着变质剂的添加、冷却速率的增大、过冷度的增加和再辉温度的降低,Al-20Si合金中Si相组织细化显著,合金的抗拉强度由119MPa提高至210MPa,延伸率由1.01%提高至3.89%。(3).Al-20Si合金的磨损行为主要以剥层磨损、粘着磨损和磨粒磨损为主,试样的剥层磨损随合金中初生Si晶粒尺寸的增大而加剧;Al-20Si合金经细化处理后,组织中Si相晶粒尺寸细小,基体硬度提高,合金的磨损量显著减小。