論文概要：

本論文概要は、Springer社から出版された「50 Years of Foundry-Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities」に基づいて作成されました。

1. 概要：

  • タイトル: 鋳造生産された金属基複合材料の50年と将来の機会 (50 Years of Foundry-Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities)
  • 著者: P. Ajay Kumar, Pradeep Rohatgi & David Weiss
  • 出版年: 2019年
  • 掲載ジャーナル/学会: International Journal of Metalcasting, WFO世界鋳造機構 (WFO World Foundry Organization) 公式ジャーナル
  • キーワード: 金属基複合材料 (metal matrix composites)、ハイブリッドMMC (hybrid MMC)、機能傾斜材料 (functionally graded materials)、攪拌鋳造 (stir casting)、ナノMMC (nano MMC)、鋳造 (foundry)
Figure 1. Global MMC Market review 2019.3
Figure 1. Global MMC Market review 2019.3

2. 抄録または序論

本論文は、1969年のAFS論文「溶融金属注入によるアルミニウム鋳物中の黒鉛粒子分散 (Dispersion of Graphite Particles in Aluminum Castings through Injection of the Melt)」の金 Jubilee 論文であり、過去50年間の鋳造金属基複合材料 (MMC) の進歩を包括的にレビューしています。本論文では、自動車、鉄道、宇宙、コンピュータハードウェア、レクリエーション機器などの分野におけるMMC部品の特性の動機と現在の使用状況、主要メーカーを含むMMC産業の現状と生産量を明らかにしています。また、アルミニウム-黒鉛、アルミニウム-炭化ケイ素、アルミニウム-アルミナ、アルミニウム-フライアッシュ複合材料などの特定の鋳造MMCについて詳細に説明しています。さらに、鋳造生産ナノ複合材料、機能傾斜材料、シンタクチックフォーム (syntactic foams)、自己修復および自己潤滑複合材料を含む、鋳造MMCの現在および将来の動向を探求しています。Al-黒鉛およびAl-黒鉛-SiC複合材料を利用した、コンプレッサー、ピストン、ロータリーエンジン用の軽量自己潤滑シリンダーライナー製造における最近の進歩についても議論しています。結論として、本論文は将来の鋳造生産MMCの見通しを提示しています。

3. 研究背景：

研究テーマの背景：

軽量、高性能、リサイクル可能な材料に対する需要がすべての用途で高まるにつれて、金属基複合材料 (MMC) は重要なエンジニアリング材料として位置づけられています。MMCは、金属マトリックスを基本として2つ以上の材料を統合することにより、従来の材料に代わる優れたソリューションを提供します。MMCは、航空宇宙、自動車、防衛産業において、すでにいくつかの従来の材料に取って代わって使用されています。一般に、金属基複合材料は、金属合金マトリックス中に連続または不連続な繊維、ウィスカー (whiskers)、または微粒子を分散させて構成されています。これらの強化材は、モノリシック合金では達成できない強化された特性を複合材料に付与する上で重要な役割を果たします。

既存研究の現状：

Global MMC Market Report 2019によると、MMC生産部門は着実に線形成長を遂げています。MMC生産量は2012年以降、500万キログラムから700万キログラムに増加し、収益は2億2880万米ドルから4億米ドルに増加しました（図1）。2004年には350万キログラムのMMCが使用され、この数値は年間6％を超える成長率で増加し続けています。MMCに関する論文発表数も、図2に示すように指数関数的に増加しています。鋳造金属基複合材料は、鋳造業界で広く製造されています。Al-Si合金は、相図（図3a）に従ってアルミニウム中のシリコン液体溶液の凝固によって生成される インシチュ (in situ) 複合材料の例です。黒鉛球状黒鉛がフェライトマトリックス中に分散したダクタイル鋳鉄（図3b）は、別の一般的な鋳造複合材料です。本論文は、相図制限複合材料とは対照的に、合成生産複合材料に焦点を当てています。

研究の必要性：

Al-Si合金やダクタイル鋳鉄などの相図制限複合材料は、構成相の達成可能な体積パーセントに固有の制限があり、相図によって規定される狭い組成範囲に限定されます。これらの材料における強化材の形態および空間配置は、合成生産複合材料ほど自由に変化させることができません。本論文の主な焦点である合成生産複合材料は、化学組成、形状、体積パーセント、および第二相強化材の分布を操作する柔軟性を提供し、相図制限複合材料に内在する制限を克服します。

4. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本論文の目的は、画期的な1969年のAFS論文から50年以上にわたる鋳造金属基複合材料 (MMC) の進歩を検討することです。MMCの使用の動機を解明し、現在の応用分野を調査し、開発と鋳造生産の将来の方向性を探求することを目的としています。また、将来の鋳造生産MMCの見通しを強調することも目的としています。

主要な研究課題：

本論文で取り組む主要な研究課題は以下のとおりです。

  • 過去半世紀にわたる鋳造MMCの進歩に関する包括的なレビュー。
  • MMCの使用を推進する特性の動機と、さまざまな産業分野における現在の応用分野の分析。
  • ナノ複合材料や機能傾斜材料などの鋳造MMC技術における現在および新たなトレンドの探求。
  • 鋳造生産MMCの将来の見通しと機会の評価。

研究仮説：

正式な仮説として明示されていませんが、本論文は以下の前提の下で暗黙的に動作します。

  • 1969年以降、鋳造MMC技術および応用分野において大きな進歩が達成されました。
  • モノリシック合金と比較してMMCの優れた特性は、さまざまな分野でMMCの採用が増加している主な推進力です。
  • 鋳造プロセスは、ナノ複合材料やその他の高度な複合材料システムを含む、高度なMMCの費用対効果の高い生産に適応可能であり、拡張可能です。
  • 進化するエンジニアリング材料のニーズを満たす上で、鋳造生産MMCの役割を拡大する上で、大きな将来の機会が存在します。

5. 研究方法論

研究デザイン：

本研究では、過去50年間の鋳造金属基複合材料 (MMC) の進化をグラフ化するために、既存の文献および業界レポートを統合するレビューベースのデザインを採用しました。このアプローチには、MMC開発の歴史的分析が含まれており、主要なマイルストーン、技術的進歩、および応用動向に焦点を当てています。

データ収集方法：

データ収集は、主に鋳造MMCに関連する研究論文、業界固有のレポート、および特許を網羅する広範な学術文献レビューを通じて実施されました。業界の動向と成長を評価するために、Global MMC Market Report 2019の市場データも活用されました。AFS Transactionsおよびその他の関連資料を参照して、MMCプロセス、特性、および応用分野に関する包括的な情報を収集しました。

分析方法：

分析は主に質的分析であり、MMCの研究、開発、および産業応用分野の動向を特定し、解釈することに重点を置いています。記述分析は、MMCタイプ、プロセス方法論、および特性の向上を分類するために使用されます。文献レビューから得られた知見を統合することにより、鋳造MMC分野における主要な進歩、現在の課題、および将来の方向性を特定します。

研究対象と範囲：

研究対象は、鋳造技術によって製造された鋳造金属基複合材料 (MMC) として広義に定義されます。レビューの範囲は、1969年から2019年までの50年間に及び、これらの材料の技術的および応用的景観を追跡します。本研究は、自動車、鉄道、航空宇宙、コンピュータハードウェア、レクリエーション機器など、MMCを活用するさまざまな産業を網羅し、当該分野の発展と影響に関する全体像を提供します。

6. 主な研究結果：

主要な研究結果：

レビューでは、金属基複合材料 (MMC) 市場における一貫した線形成長が強調されており、関連する出版物の指数関数的な急増と並行して、当該分野の研究および産業界の関心の高まりを浮き彫りにしています。MMCは、強化材の形態に基づいて、主に繊維強化複合材料と粒子強化複合材料に分類され、それぞれ異なる特性プロファイルを提供します。攪拌鋳造は、MMC製造のための普及した経済的に実行可能な方法として特定されています。特に自己潤滑用途において、アルミニウム-黒鉛複合材料の著しい進歩が認められています。MMC部品の開発と応用は、特に自動車や航空宇宙などの多様な分野に及び、その汎用性を示しています。ナノ複合材料やシンタクチックフォームなどの洗練されたMMCシステムの進歩は、最先端の開発を表しています。また、本研究は、鋳造MMCの将来の進歩に不可欠な主要な研究課題を概説し、既存の限界を克服し、新たな機会を活用することに焦点を当てています。

提示されたデータの分析：

  • 図1: 「Global MMC Market review 2019.3」は、MMCの量と収益の両方における線形的な進展を示しており、着実な市場拡大を示しています。
  • 図2: 「Number of papers on cast MMCs published from 1988 to 2018.3」は、論文発表数の指数関数的な増加を示しており、活発な研究活動を反映しています。
  • 図4: 「Classification of metal matrix composites depending on size, arrangement, and shape of the reinforcement」は、強化材の特性に基づいてMMCの概略的な分類を提供します。
  • 図5: 「Cost and type of reinforcements used in MMCs.2」は、MMC生産に関連するさまざまな強化材タイプの費用対効果を概説しています。
  • 図9: 「Examples of aluminum-graphite MMC components」は、特に自動車工学分野におけるこれらの複合材料の実用的な応用例を示しています。
  • 表1: 「Selected Matrix-Dispersoid Combinations Used to Make Cast Metal Matrix Composites」は、MMC合成に使用されるさまざまな材料の組み合わせとその割合をリストアップしています。
  • 表2: 「Selected Landmarks in the Development of Cast Metal Matrix Composites During 1965–2018」は、MMC研究開発の重要なマイルストーンを年代順に示しています。
  • 表3: 「List of MMC Uses in Different Sectors」は、さまざまな産業分野におけるMMCの多様な応用分野を列挙しています。
  • 表4: 「List of MMC Manufacturers and Use of MMCs in Automotive Application」は、主要な業界プレーヤーと自動車分野におけるMMCの特定の応用分野を詳細に説明しています。
  • 表5: 「Comparative Analysis of Cylinder Sleeve Materials」は、MMCを含むシリンダースリーブに使用されるさまざまな材料の比較評価を提供します。

図のリスト：

Figure 9. (a) Aluminum–graphite piston, (b) aluminum–graphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races, (c) aluminum–graphite connecting rod, (d) aluminum–graphite liner die cast in place, in a small engine, (e) centrifugally cast aluminum–graphite liner, (f) liner from a small engine block.2
Figure 9. (a) Aluminum–graphite piston, (b) aluminum–graphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races, (c) aluminum–graphite connecting rod, (d) aluminum–graphite liner die cast in place, in a small engine, (e) centrifugally cast aluminum–graphite liner, (f) liner from a small engine block.2
Figure 10. Schematic views of the stir casting process.
Figure 10. Schematic views of the stir casting process.
Figure 11. (a) microstructure of Al–Si/Saffil fiber, (b) A356/SiC composites, (c)Al–Si/ 20 vol% spherical Al2O3p, (d)silicon carbide particle-reinforced aluminum composite, and (e–f) Al–Si/20 vol%–graphite particle composite.2
Figure 11. (a) microstructure of Al–Si/Saffil fiber, (b) A356/SiC composites, (c)Al–Si/ 20 vol% spherical Al2O3p, (d)silicon carbide particle-reinforced aluminum composite, and (e–f) Al–Si/20 vol%–graphite particle composite.2
Figure 16. Schematic of the solidification nanoprocessing method. The nanoparticles were first ultrasonic preprocessed with molten salt at room temperature and then incorporated into molten Al assisted by molten salt and mechanical stir.57
Figure 16. Schematic of the solidification nanoprocessing method. The nanoparticles were first ultrasonic preprocessed with molten salt at room temperature and then incorporated into molten Al assisted by molten salt and mechanical stir.57
Figure 20. SEM micrograph of carbon short fibers used, (a) uncoated, (b) Ni–P coated, (c) picture an as-cast sample, (d) distribution of uncoated CSFs in composite C3 samples, (e) distribution of coated CSFs in composite CE3 samples, and (f) SEM micrograph of an agglomerated fiber region in sample CE3.54
Figure 20. SEM micrograph of carbon short fibers used, (a) uncoated, (b) Ni–P coated, (c) picture an as-cast sample, (d) distribution of uncoated CSFs in composite C3 samples, (e) distribution of coated CSFs in composite CE3 samples, and (f) SEM micrograph of an agglomerated fiber region in sample CE3.54
Figure 31. MMC uses in space industries.
Figure 31. MMC uses in space industries.
Figure 35. A356–10 vol%SiC–4 vol%Gr composite components.
Figure 35. A356–10 vol%SiC–4 vol%Gr composite components.
Figure 38. (a) Fly ash cenospheres, (b) fly ash cenospheres (hollow) in a-Al matrix (c) Al foam (d) aluminum– fly ash cenosphere syntactic foam (micrograph inset) within a steel frame. Courtesy of Bob Purgert.
Figure 38. (a) Fly ash cenospheres, (b) fly ash cenospheres (hollow) in a-Al matrix (c) Al foam (d) aluminum– fly ash cenosphere syntactic foam (micrograph inset) within a steel frame. Courtesy of Bob Purgert.
  • Figure 1. Global MMC Market review 2019.3
  • Figure 2. Number of papers on cast MMCs published from 1988 to 2018.3
  • Figure 3. Phase diagram restricted metal composites (a) Al-Si alloy, and (b) ductile cast iron.2
  • Figure 4. Classification of metal matrix composites depending on size, arrangement, and shape of the reinforcement.
  • Figure 5. Cost and type of reinforcements used in MMCs.2
  • Figure 6. Injection of nickel-coated graphite in molten aluminum alloys in an initial experiment on casting aluminum-graphite particle composites by Rohatgi. (Merica Laboratory, International Nickel Company, 1965).6
  • Figure 7. Injection of nickel-coated graphite in molten aluminum alloys in an initial experiment on casting aluminum-graphite particle composites by Badia. (Merica Laboratory, International Nickel Company, 1965).6
  • Figure 8. Dispersion of graphite particles in an AI-9.2Si-4.7Ni-base.6
  • Figure 9. (a) Aluminum-graphite piston, (b) aluminum-graphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races, (c) aluminum-graphite connecting rod, (d) aluminum-graphite liner die cast in place, in a small engine, (e) centrifugally cast aluminum-graphite liner, (f) liner from a small engine block.2
  • Figure 10. Schematic views of the stir casting process.
  • Figure 11. (a) microstructure of Al-Si/Saffil fiber, (b) A356/SiC composites, (c)Al-Si/20 vol% spherical Al2O3p, (d)silicon carbide particle-reinforced aluminum composite, and (e-f) Al-Si/20 vol%-graphite particle composite.2
  • Figure 12. SEM micrographs of as-cast composites: (a, b) Al6061-9 wt%. TiB2.59
  • Figure 13. (a) Schematic diagram of the rheoformed die of the 7075 AMCs reinforced with nano-sized particles, (b) Schematic diagram of the deformation of the semisolid slurries during the rheoforming process, (c) A cylindrical part drawing and three dimension model of the rheoformed part of the 7075 AMCs reinforced with nano-sized particles, (d) real product of the rheoformed die of the 7075 AMCs reinforced with nano-sized particles (e) Macrographs of inside surface of the rheoformed cylindrical parts of the 7075 AMCs reinforced with nano-sized SiC particles. 61
  • Figure 14. Schematic of the casting experimental setup used by Li57
  • Figure 15. (a) High magnification SEM image from Mg-TiC nanocomposites and (b) microhardness measurements with varying amount of TiC in the matrix.57
  • Figure 16. Schematic of the solidification nanoprocessing method. The nanoparticles were first ultrasonic preprocessed with molten salt at room temperature and then incorporated into molten Al assisted by molten salt and mechanical stir.57
  • Figure 17. Schematic of the experimental methods.58
  • Figure 18. SEM images of the WC nanoparticle dispersion in zinc.58
  • Figure 19. Experimental setup of (a) salt-assisted nanoparticle incorporation and (b) melt pressing using a hydraulic press.52
  • Figure 20. SEM micrograph of carbon short fibers used, (a) uncoated, (b) Ni-P coated, (c) picture an as-cast sample, (d) distribution of uncoated CSFs in composite C3 samples, (e) distribution of coated CSFs in composite CE3 samples, and (f) SEM micrograph of an agglomerated fiber region in sample CE3.54
  • Figure 21. Formation of the composite during non-isothermal infiltration of a fiber preform by liquid metal.
  • Figure 22. Schematic of Advanced Pressure Infiltration Casting (APICTM) Process. 68
  • Figure 23. Physical and mechanical properties of composites as compared with the two most commonly used alloys, i.e., steel and aluminum.
  • Figure 24. Comparison of specific properties of aluminum and magnesium matrix composites indicating the increase in stiffness and strength with respect to the matrix.
  • Figure 25. MMC uses in automotive applications as cylinder liners, brake rotors, intake and exhaust valves, and driveshaft, etc.
  • Figure 26. A359/20 vol%-SiCp composite brake rotor for an electric vehicle
  • Figure 27. Al-SiC composites as heat-spreader plates of an electronics cooling device for the world's first hybrid vehicle, the PRIUS.
  • Figure 28. MMC crankshaft pulley made by infiltration of SIALON preform with aluminum.
  • Figure 29. REL AI-MMC for (a) brake drum, (b) motorcycle brake rotor, and (c) automotive rotor.
  • Figure 30. Al-SiC-graphite piston cylinder made by Eck Industries.
  • Figure 31. MMC uses in space industries.
  • Figure 32. Discontinuously reinforced aluminum MMCS for electronic packaging applications: (a-top) SiCp/Al electronic package for a remote power controller (photo courtesy of Lockheed Martin Corporation), and (b-bottom) cast Grp/Al components (photo courtesy of MMCC, Inc.).
  • Figure 33. Train rotor made from Duralcan.
  • Figure 34. Montage of lead-free copper-graphite composite castings.
  • Figure 35. A356–10 vol%SiC-4 vol%Gr composite components.
  • Figure 36. (a) Microstructure of A356-10 vol% fly ash composite. (b) Intake manifold made of Al-10% fly ash.
  • Figure 37. Foam material created by introducing gas in Al-SiC melt.
  • Figure 38. (a) Fly ash cenospheres, (b) fly ash cenospheres (hollow) in a-Al matrix (c) Al foam (d) aluminum-fly ash cenosphere syntactic foam (micrograph inset) within a steel frame. Courtesy of Bob Purgert.

7. 結論：

主な研究結果の要約：

過去50年間の鋳造金属基複合材料 (MMC) の広範なレビューは、線形的な市場成長と研究論文発表の指数関数的な増加によって特徴づけられる、実質的な進歩を明らかにしています。MMCは、特に自動車および航空宇宙分野において、幅広い用途に合わせて調整された特性を提供する汎用性の高い材料であることが証明されています。攪拌鋳造、圧搾鋳造、浸透技術などの鋳造プロセスは、MMCの費用対効果の高い製造において重要な役割を果たしています。当該分野は、ナノ複合材料、シンタクチックフォーム、自己潤滑複合材料などの洗練されたMMCシステムの著しい進歩とともに、継続的に進化しています。今後の研究開発は、鋳造MMCの可能性を最大限に引き出すために、コスト削減、被削性の向上、包括的な材料データベースの構築、および効率的なリサイクル技術の開発を含む主要な課題に対処することを優先する必要があります。

研究の学術的意義：

本研究は、鋳造MMC開発の包括的な歴史的レビューを通じて、貴重な学術的貢献を提供し、過去50年間の当該分野の進化に関する体系的な概要を提供します。主要な研究動向、プロセス方法論、および応用領域を統合し、研究者および業界の専門家にとって統合されたリソースとして機能します。将来の研究方向性と課題を特定することにより、本論文は材料科学および工学分野におけるさらなる学術的探求と技術革新を刺激します。

実用的な意味合い：

本レビューの実用的な意味合いは、高度な材料ソリューションを求める産業にとって非常に重要です。本論文は、自動車や航空宇宙などの分野で要求の厳しい性能基準を満たすための鋳造MMCの可能性を強調し、強化された部品設計と製造への道筋を提供します。MMC製造のための費用対効果の高い鋳造プロセスに関する洞察は、産業規模の拡大に特に関連しています。本論文は、MMCの利点を強調し、既存の限界に対処することにより、商業的応用におけるMMCのより広範な採用を奨励し、それによってイノベーションと市場の成長を促進します。

研究の限界と今後の研究分野：

レビュー論文として、本研究は既存の文献に依存しており、新しい実験データを導入していないという点で本質的な限界があります。今後の研究では、当該分野の進歩のために特定された必須課題に対処することを優先する必要があります。今後の調査の主要な分野には、MMC生産コストの削減、産業界での採用を促進するための被削性の向上、部品設計をサポートするための堅牢な材料データベースの作成、および持続可能なMMC利用のための効果的なリサイクル技術の開発が含まれます。さらに、研究は、グラフェン強化複合材料や自己修復材料などの次世代MMC、およびMMC部品の応用における信頼性と一貫性を確保するための大規模な性能試験と標準化の取り組みに焦点を当てる必要があります。

8. 参考文献：

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9. 著作権：

  • 本資料は、「Ajay Kumar P., Pradeep Rohatgi & David Weiss」の論文：「50 Years of Foundry-Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities」に基づいています。
  • 論文ソース：DOI 10.1007/s40962-019-00375-4

本資料は上記の論文を要約したものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
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