Al-Si合金的密度小、耐磨性高、耐热性好、耐蚀性高、焊接性好,是制作发动机活塞等耐磨损零件的理想材料,目前正应耐磨性需求向着含硅量更高的过共晶方向发展,硅质量分数已达30%以上。过共晶Al-Si合金在铸造时会析出板条状初晶硅并形成大量枝晶,严重影响了合金的力学性能与加工性能。工业上多使用含P化合物对初晶硅进行变质剂处理,或通过搅拌熔体避免形成粗大枝晶。本课题组之前的工作表明,仅通过控制凝固条件也可达到控制初晶硅形貌的目的。为进一步细化晶粒,铝工业还大量使用以Al-Ti-B为代表的细化剂。机械搅拌法设备简单、生产率高,在搅拌的同时还可以对熔体进行冷却处理,在工艺上较其他方法有明显优势。本文使用机械搅拌结合细化剂处理制备Al-Si合金,其核心为两根同向旋转的啮合螺杆,配合可控温加热冷却系统和角度可调的工作平台制备Al-20%Si合金。为研究实验条件对晶粒尺寸的影响,使用正交实验对各实验条件进行分析,结果显示各实验条件对晶粒尺寸的影响程度由大到小排序为：入料温度、冷却水流量、搅拌速度、倾斜角度。得到最优实验条件为：冷却水流量0.3kg/s,搅拌速度200 rpm,倾斜角度15°,入料温度680℃,以此条件进行细化实验,得到晶粒尺寸为41.1μm。为对凝固组织进行预测,在将细化剂颗粒简化为球形的基础上,考虑固相基底对液相的润湿作用,本文建立了以球面为基底的异质形核模型(图4.6)。通过模型求得临界形核半径rc后可以得到临界形核功AG*：△G*=(πr32-3cosα+cos3α/3πR3 2-3cosβ+cos3β/3)△Gv+ [2πr2(1-cosα)-2πR2(1-cosβ)cosθ]σSL考虑系统中的能量涨落与原子扩散能力大小的影响,求出形核率。晶核形成后,利用凝固时间、长大速度、形核率与最终形成晶粒数量的关系,获得单位体积中生成的晶粒数量,得到晶粒平均尺寸。计算结果与实验结果对比,相对误差不超过5%。