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Dec 25, 2023

알루미늄, 경석 및 탄산석탄 복합재의 연신율에 대한 교반 주조 공정 매개변수의 Taguchi 최적화 및 모델링

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2915(2023) 이 기사 인용

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금속 매트릭스 복합재의 하위 클래스인 알루미늄 매트릭스 복합재는 저밀도, 높은 강성과 강도, 더 나은 내마모성, 제어된 열팽창, 더 큰 피로 저항, 고온에서의 향상된 안정성 등의 특성을 가지고 있습니다. 과학 및 산업계에서는 이러한 복합재가 최첨단 응용 분야를 위한 다양한 구성 요소를 제조하는 데 사용될 수 있기 때문에 관심을 갖고 있습니다. 본 연구에서는 교반 주조 공정의 교반 속도, 처리 온도 및 교반 지속 시간이 Al-Pumice(PP)-탄화 석탄 입자(CCP) 하이브리드 복합재의 연신율에 어떤 영향을 미치는지 관찰했습니다. 또한 Taguchi 최적화 기술을 사용하여 이러한 천연 세라믹 강화재의 최적 중량을 살펴보았습니다. 연신율 특성을 최적화하는 동시에 강화재 특성화 중에 실리카, 산화철, 알루미나와 같은 경질 화합물이 발견되어 PP와 CCP가 금속 매트릭스 복합재의 강화재로 사용될 수 있음을 보여줍니다. 교반 주조 공정 매개변수 최적화를 사용하여 하이브리드 복합재료의 신장률은 PP에 의해 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 가공 온도, 교반 속도, CCP 및 교반 시간이 그 뒤를 이었습니다. 부석 입자 2.5wt%, 탄산탄 입자 2.5wt%, 가공온도 700℃, 교반속도 200rpm, 교반시간 5분에서 최적 연신율은 5.6%로 나타났으며, 이는 강화하지 않은 Al 합금의 연신율보다 25.43% 낮습니다. 회귀 연구는 교반 주조 공정 매개변수의 함수로서 연신율(PE)에 대한 예측 수학적 모델을 개발했으며 R-Square, R-Square(adj) 및 R-Square(pred)를 사용하여 높은 수준의 예측을 제공했습니다. ) 값은 각각 91.60%, 87.41%, 79.32%입니다.

현재 최첨단 응용 분야에는 더 강하고, 더 가볍고, 더 저렴한 재료가 필요합니다1. 이러한 기준을 달성하기 위해 연구자들은 이제 강력한 중량 대비 강도 비율을 갖춘 하이브리드 복합재를 개발하는 데 집중하고 있습니다2. 알루미늄 합금은 높은 중량 대비 강도 비율, 열 전도성, 가공성, 주조 및 단조 특성으로 인해 하이브리드 복합재 개발에 가장 널리 사용되는 합금입니다. 그러나 알루미늄 합금은 낮은 강성, 인성, 피로 저항, 높은 열팽창 계수 및 부적절한 마찰 특성과 같은 특정 단점을 가지고 있습니다. 알루미늄 합금의 특성을 개선하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 두 가지 이상의 강화 유형을 사용하여 하이브리드 복합재를 만드는 것입니다. 하이브리드 복합재는 높은 중량 대비 강도 비율, 우수한 내부식성 및 내마모성, 강도 및 강성, 낮은 열 전도성 및 열팽창, 낮은 중량, 향상된 충격 및 굴곡 특성을 포함하여 모놀리식, 합금 및 복합 재료에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. . 전반적으로 복합 비용이 낮아집니다3,4. 하이브리드 재료는 하나의 매트릭스와 두 개 이상의 강화 요소로 구성됩니다5. 이 제품은 분말 야금, 교반 주조, 2단계 교반 주조, 압착 주조6 등 다양한 기술을 사용하여 제조되어 원하는 기계적 특성과 마찰 공학적 거동(강성, 밀도, 미세 경도, 낮은 계수를 포함한 높은 비강도)을 달성합니다. 열팽창, 높은 열 저항 및 좋은 감쇠 용량7.

경석 및 탄화 석탄 입자와 같은 세라믹 입자는 보강재로 사용될 때 알루미늄 및 그 합금의 기계적 특성을 크게 향상시키는 것으로 입증되었습니다8. 알루미늄의 경도, 항복강도, 인장강도는 증가하지만 알루미나, SiC, B4C 등과 같은 입자를 첨가하면 연성과 연신율이 감소합니다.9. 세라믹에 사용되는 기본 재료와 비교할 때 부석은 화학적으로 비슷한 품질을 나타냅니다10. 대부분 Al2O3와 SiO2로 구성된 재료의 나머지 60~75%는 이 두 산화물로 구성됩니다8. 부석의 조성이 총 수십억 톤에 달하는 알려진 퇴적물의 크기와 결합되면 입자 형태(즉, 부석 입자-PP)일 수 있는 부석은 세라믹 원료로 사용될 가능성이 있습니다10. 포졸란 특성, 작은 입자 크기, 연마 특성 및 광물학과 같은 수많은 유익한 특성으로 인해 탄산 석탄 입자(CCP)는 세라믹 분야에서도 상당한 용도로 사용될 가능성이 있습니다11,12. 무게를 줄이면서 사용 수명을 연장하기 위해 알루미늄 매트릭스로 구성된 복합재의 기계적 특성을 개선하는 데 많은 노력을 기울였습니다13. 다른 기계적 특성의 성능이 향상되더라도 세라믹 강화재의 근본적인 단점은 AMC의 연신율이 감소한다는 것입니다14. 합금에 세라믹 입자를 첨가하면 알루미늄 복합재의 경도와 취성이 증가할 수 있습니다5. 이러한 특성으로 인해 이러한 복합재를 활용하는 것이 어려워졌습니다. 특정 응용 분야에서의 성능을 평가하고 이러한 제한 사항을 뛰어넘기 위해서는 알루미늄 합금 강화재에 대한 조사가 필요합니다.